220 kV線路重合閘中變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的原因分析

陳啟萍，柳海波，陸 健

（烏江渡發(fā)電廠,貴州 遵義 563104）

220 kV線路重合閘中變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的原因分析

陳啟萍，柳海波，陸 健

（烏江渡發(fā)電廠,貴州 遵義 563104）

通過對(duì)一起220 kV線路重合閘過程中變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的原因分析，揭示出在非周期分量作用下TA(電流互感器)暫態(tài)飽和對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響，并針對(duì)該變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況提出了解決方法和防范措施。

非周期分量；暫態(tài)飽和；差動(dòng)保護(hù)；重合閘

烏江渡發(fā)電廠位于貴州省遵義縣烏江鎮(zhèn)境內(nèi)，是貴州省主力調(diào)峰調(diào)頻廠，烏江老廠0號(hào)變壓器采用PST-1202型數(shù)字式變壓器保護(hù)，其中A套采用諧波制動(dòng)原理，B套采用波形對(duì)稱原理。

1 故障概況

2009年07月14日16時(shí)03分，烏江老廠220kV江陽Ⅰ回205線路B相發(fā)生近區(qū)永久性接地故障，在205線路開關(guān)重合于故障時(shí)，0號(hào)變壓器A套差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出口，跳0號(hào)變壓器高壓側(cè)200開關(guān)及中壓側(cè)100開關(guān)，當(dāng)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行方式見圖1。

保護(hù)動(dòng)作信息：

0號(hào)變壓器A套差動(dòng)保護(hù)：0 ms后備保護(hù)啟動(dòng)，1 144 ms差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，1 171 ms差動(dòng)保護(hù)出口跳0號(hào)主變，A相差流5.5 A，制動(dòng)電流7.4 A，B相差流5.4 A，制動(dòng)電流6.9 A，C相差流0.2 A，制動(dòng)電流0.6 A。

0號(hào)變壓器B套差動(dòng)保護(hù)：0 ms后備保護(hù)啟動(dòng)，1 144 ms差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)。

保護(hù)動(dòng)作及開關(guān)跳閘時(shí)序如圖2：

從205線路B相第一次故障及重合過程中0號(hào)變壓器錄波圖（圖3a）可以看出，0號(hào)變壓器高壓側(cè)Ib和中壓側(cè)Ib相位一致，0號(hào)變壓器流過的電流為穿越性故障電流，但在205線路重合過程中高壓側(cè)電流波形有畸變（圖3b）。

圖3 205線路故障0號(hào)變高、中壓側(cè)B相電流波形

2 變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原因分析

0號(hào)變壓器B套差動(dòng)保護(hù)采用波形對(duì)稱原理，當(dāng)高壓側(cè)電流波形畸變、產(chǎn)生較大差電流時(shí)，該保護(hù)判斷電流波形不對(duì)稱，閉鎖差動(dòng)保護(hù)，因此B套差動(dòng)保護(hù)僅啟動(dòng)而未出口。

0號(hào)變壓器A套差動(dòng)保護(hù)采用諧波制動(dòng)原理，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作條件為：（差流-差流啟動(dòng)值）＞比例制動(dòng)系數(shù)×（制動(dòng)電流-拐點(diǎn)電流），整定值為差流啟動(dòng)值1.07 A，拐點(diǎn)電流3.5 A，比例制動(dòng)系數(shù)0.5，二次諧波制動(dòng)系數(shù)整定為0.2。當(dāng)205線路第一次故障時(shí)0號(hào)變壓器高壓側(cè)及中壓側(cè)后備保護(hù)均啟動(dòng)，0號(hào)變保護(hù)檢測(cè)到高壓側(cè)和中壓側(cè)B相電流均為正弦波，且為幅值相同相位相反的穿越性電流，三相差電流均接近0，0號(hào)變壓器200開關(guān)一次電流有效值約1 842 A，其中直流分量約占總電流的21.1%。從B相電壓錄波圖可以看出，短路初相角為63.7°，經(jīng)理論計(jì)算，一次電流中非周期分量占穩(wěn)態(tài)分量幅值的44%。當(dāng)205開關(guān)重合過程中，0號(hào)變壓器200開關(guān)一次電流有效值約2 582 A，其中直流分量約占總電流的51.7%，直流分量所占比例很大，合閘角很小，短路初相角為31.6°，一次電流中非周期分量將達(dá)穩(wěn)態(tài)電流幅值的85.2%，電流波形大部偏移，使0號(hào)變壓器高壓側(cè)電流互感器產(chǎn)生了嚴(yán)重的暫態(tài)飽和，從而引起二次側(cè)的電流波形發(fā)生畸變，變壓器差動(dòng)保護(hù)A套檢測(cè)到較大差流，其中A相差流5.5 A，制動(dòng)電流7.4 A，B相差流5.4 A，制動(dòng)電流6.9 A，C相差流及制動(dòng)電流都接近0，而二次諧波含量A相為18.9%，B相為15.2%，均小于20%。A、B相滿足差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作條件，保護(hù)動(dòng)作跳開變壓器兩側(cè)開關(guān)。

一次系統(tǒng)非周期直流分量對(duì)電流互感器的特性影響以及二次波形畸變對(duì)變壓器保護(hù)的影響：

2.1 非周期分量產(chǎn)生的機(jī)理

一次系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，設(shè)一次系統(tǒng)空載，短路阻抗角φ=90°，則一次系統(tǒng)可用RL等值電路描述[1]。故障電流i(t)=iL(t)，一次時(shí)間常數(shù)τ=L/R，U（t）=sin (wt+θ)，為電源電動(dòng)勢(shì)。

對(duì)上圖等值電路列方程有：

利用任意激勵(lì)下一階電路的三要素法解方程[2]，得流過互感器的歸算到二次側(cè)的一次電流為：

其中Ipm=Um/Z為歸算至二次側(cè)的一次側(cè)穩(wěn)態(tài)短路電流幅值，τ1為一次系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，對(duì)大型發(fā)電機(jī)變壓器支路通常為80～100 ms。θ為短路初相角。顯然一次電流中按指數(shù)衰減的非周期分量是導(dǎo)致暫態(tài)變化的原因，θ越接近0，非周期分量越大；τ1越大，非周期分量的衰減越慢。短路發(fā)生瞬間，θ=0即電壓過零點(diǎn)時(shí)，一次系統(tǒng)出現(xiàn)最大的非周期直流分量，一次短路電流全偏移。

本次故障中，205線路第一次故障時(shí)其故障初發(fā)角較大（63.7°），最大非周期分量約為穩(wěn)態(tài)電流幅值的44%；而重合于故障時(shí)故障初發(fā)角較小（31.6°），其最大非周期分量約為穩(wěn)態(tài)電流幅值的85.2%，且因?yàn)橐淮蜗到y(tǒng)時(shí)間常數(shù)較大、衰減較慢，對(duì)TA暫態(tài)特性造成了嚴(yán)重影響。由以上分析可知：一次系統(tǒng)產(chǎn)生的非周期直流分量與故障初發(fā)角θ相關(guān)。θ越接近0，即越接近電壓過零點(diǎn)，非周期分量越大；τ1越大，非周期分量的衰減越慢。

2.2 非周期分量對(duì)TA暫態(tài)特性的影響

電流互感器的暫態(tài)特性是指一次系統(tǒng)短路時(shí)，其一、二次側(cè)電流及勵(lì)磁電流、鐵芯磁密和暫態(tài)誤差的變化特性。

作如下假設(shè)：

(1)不計(jì)電流互感器鐵芯飽和，在短路暫態(tài)過程中電流互感器工作在磁化曲線的直線部分，勵(lì)磁支路的勵(lì)磁電感Le為常數(shù)。

(2)不計(jì)電流互感器鐵損，勵(lì)磁支路中的勵(lì)磁電阻為零，鐵芯合成磁通正比于勵(lì)磁電流ie.

電流互感器的等值電路如圖5：

根據(jù)等值電路，不計(jì)電流互感器二次繞組的漏抗和鐵芯損失，當(dāng)二次負(fù)載為純電阻時(shí)，在一次電流作用下有：

式中Le為勵(lì)磁電感，Rb為二次總電阻。可解得：

式中τ2為二次側(cè)時(shí)間常數(shù)。根據(jù)0號(hào)變高壓側(cè)TA伏安特性測(cè)試曲線可估算二次側(cè)時(shí)間常數(shù)τ2=1.18 s，因此arctan(шτ2)接近90°，勵(lì)磁電流ie很小。

當(dāng)傳變非周期電流（ ，τ1為一次側(cè)時(shí)間常數(shù)）時(shí)，代入式(3)解得：

將τ1=0.1，τ2=1.18，t=0.02，Im=2 580×1.414/120=30.4代入由（3）式得=0.281 5 A，既使不計(jì)穩(wěn)態(tài)量引起的勵(lì)磁電流，已超過0號(hào)變高壓側(cè)TA拐點(diǎn)值0.236 A進(jìn)入飽和區(qū)，而進(jìn)入飽和區(qū)后，TA勵(lì)磁電抗大幅下降，二次時(shí)間常數(shù)減小，將使勵(lì)磁電流ie進(jìn)一步增大，進(jìn)入深度飽和區(qū)。由以上計(jì)算可知，電流互感器傳變非周期分量時(shí)所需的勵(lì)磁電流幅值遠(yuǎn)大于傳變周期分量電流時(shí)所需的勵(lì)磁電流幅值，這是引起鐵芯飽和的主要部分。當(dāng)非周期分量為正時(shí)，勵(lì)磁電流也為正，當(dāng)非周期分量為負(fù)時(shí)，決定了所產(chǎn)生的勵(lì)磁電流為負(fù)。因此，短路電流所含非周期直流電流決定了電流互感器的飽和方向，從而影響其飽和時(shí)間。

電流互感器一次電流、二次電流和鐵芯磁通密度的關(guān)系如圖6所示，（a）為無非周期分量時(shí)；（b）為非周期分量為周期分量100%時(shí)。

圖6 電流互感器一次電流與磁密及二次電流的關(guān)系[3]

由該圖可以看出：1）一次電流僅取決于系統(tǒng)狀況，與互感器的剩磁和飽和程度無關(guān)；2）磁通密度與一次電流的幅值和所含直流分量有關(guān)，二次電流則取決于磁通密度剩磁和飽和程度，剩磁與非周期分量方向一致時(shí)，TA將加速進(jìn)入飽和區(qū)，產(chǎn)生很大的暫態(tài)勵(lì)磁電流。所以，二次電流不僅與一次電流，而且與鐵芯特性有關(guān)。

經(jīng)以上分析可以看出，重合于故障時(shí)由于故障初發(fā)角較小，一次系統(tǒng)故障電流中含有很大的非周期直流分量，造成了0號(hào)變壓器高壓側(cè)TA暫態(tài)飽和，使其二次電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，其波形（見圖3b）具有明顯的飽和特征。

綜上分析：在205線路重合于近區(qū)B相永久性故障時(shí)，因非周期直流分量較大，0號(hào)變壓器高壓側(cè)TA運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，使0號(hào)變高壓側(cè)故障電流在傳變過程中波形畸變引起差流，且電流中二次諧波分量未達(dá)到整定閉鎖值，從而造成A套差動(dòng)保護(hù)跳閘。

3 采取的措施及建議

（1）差動(dòng)保護(hù)的可靠性與啟動(dòng)電流、拐點(diǎn)電流、斜率有關(guān)，同時(shí)也與二次設(shè)備的電氣性能有很大關(guān)系，保護(hù)的安全性并非只與保護(hù)裝置的性能有關(guān)，它是一個(gè)一次和二次部分的系統(tǒng)工程，如果TA的暫態(tài)傳變特性與一致性都很好，就不存在TA飽和造成的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的問題，為提高TA的傳變特性，減小TA暫態(tài)飽和對(duì)二次電流波形引起的畸變，將0號(hào)變高壓側(cè)保護(hù)用 TA變比由 600/5改為 1 200/5；

同時(shí)烏江老廠0號(hào)主變高壓側(cè)GIS設(shè)備運(yùn)行30余年，TA繞組配置不足，只有4組，TA回路串聯(lián)負(fù)載較多，TA額定容量為50 VA，對(duì)應(yīng)二次負(fù)荷電阻為2 Ω，實(shí)際測(cè)試二次負(fù)載阻抗為2.7Ω左右，二次負(fù)載阻抗略為偏大，建議GIS改造時(shí)更換TA，選擇具有抗飽和能力的TPY型TA，TA二次負(fù)載應(yīng)留有足夠的余度。

（2）為保證主變帶負(fù)荷重合時(shí)，主變?nèi)嗖顒?dòng)電流中的二次諧波分量能達(dá)到二次諧波制動(dòng)系數(shù)的要求，有效的閉鎖差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng)，在二次諧波制動(dòng)系數(shù)0.15～0.2中將0號(hào)變差動(dòng)保護(hù)定值整定低值0.15；

4 結(jié)論

本文針對(duì)一起220 kV線路故障跳閘后在重合閘過程中引起變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的情況，通過對(duì)非周期分量產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)TA暫態(tài)特性的影響進(jìn)行了定性分析和理論推導(dǎo)，揭示出在非周期分量作用下TA可能出現(xiàn)暫態(tài)飽和，從而導(dǎo)致故障電流在傳變過程中出現(xiàn)波形畸變引起變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。為了避免變壓器差動(dòng)保護(hù)電流互感器在區(qū)外故障時(shí)因非周期分量影響出現(xiàn)飽和而導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，除了在設(shè)備選型上要確保選用容量足夠的保護(hù)級(jí)電流互感器外，盡可能減小二次負(fù)載的阻抗，還應(yīng)采用具有抗飽和能力的TPY型電流互感器，并將二次諧波制動(dòng)系數(shù)整定低值。

[1]邱關(guān)源.電路[M].第四版.北京：高等教育出版社，1999.

[2]劉偉,潘偉,黃守鵬,等.任意激勵(lì)下一階電路的三要素法[A].西南交通大學(xué)，2006-2007.

[3]白忠敏.電力用互感器和電能計(jì)量裝置設(shè)計(jì)選型與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2004.

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TM774

B

1672-5387（2010）04-0020-03

2010-05-18

陳啟萍（1982-），女，工程師，工學(xué)學(xué)士，從事繼電保護(hù)檢修管理工作。