主變壓器零序過電壓保護動作分析與對策

肖俊先，王珂，李林山，董國琴，徐浩

(1. 湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南長沙410004；2. 國網湖南省電力有限公司岳陽供電分公司，湖南岳陽414000；3. 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

0 引言

零序電壓保護是針對所連接的系統單相接地故障同時又沒有中性點接地點或失去中性點接地點的情況設置, 防止故障產生的零序過電壓對系統電氣設備絕緣構成威脅, 是放電間隙的補充或近后備[1]。當零序過電壓保護采用自產零序電壓時,易受電壓二次寄生回路的干擾, 造成主變壓器零序過電壓保護誤動作。

通過對近幾年電網運行中發生的幾起主變壓器間隙零序保護動作事件的原因深入分析, 提出針對性的整改及預控措施, 讓電力系統更加安全穩定的運行。

1 零序過電壓保護原理及定值整定

零序電壓取母線自產零序電壓或者母線外接開口三角電壓, 當其值大于整定值并經整定延時后,零序電壓保護動作跳主變壓器各側開關, 判別邏輯如圖1 所示。當零序過電壓采用自產零序電壓時,零序電壓保護的定值3U0固為104 V, 當間隙過電壓采用外接零序電壓時, 零序電壓保護的定值3U0固定為180 V, 動作時間固定為0.5 s, 動作于跳開主變壓器三側斷路器。

圖1 零序過電壓保護原理圖

2 TV 二次回路異常造成保護誤動原因分析

電壓互感器在系統電壓下運行時, 其二次繞組的一端及回路在任何時候都與變電站接地網連接,是保證變電站中互感器二次繞組及所接回路與接入的繼電保護裝置、測量儀表等設備及人員安全的重要措施。《電力系統繼電保護及安全自動裝置反事故措施要點》 中對TV 二次電壓回路做了嚴格的要求。以下通過實例對電壓回路在運行維護中出現的兩種現象進行分析和論證。

2.1 TV 二次回路接入相間繼電器導致零序過電壓保護誤動

2.1.1 故障過程描述

2019 年 12 月, 某 220 kV 智能變電站 110 kV GIS 設備耐壓試驗結束后復電, 110 kV Ⅰ母與110 kV Ⅱ母均已帶電后, 依次合上110 kV Ⅰ母TV二次空開 A、B、C 相, 期間 1 號主變壓器 A 套保護裝置中壓側間隙過電壓保護動作, 延時0.5 s 后跳開1 號主變壓器三側斷路器, B 套保護裝置無動作記錄。

2.1.2 保護動作情況分析

現場主變壓器保護裝置均采用型號為PCS-978GE-D 的主變壓器保護裝置。

故障發生時, 110 kV Ⅰ母電壓互感器送1 號主變壓器中壓側合并單元B 套保護電壓空開未合,所以1 號主變壓器B 套保護裝置未動作, 故障波形如圖 2、圖 3 所示。

對故障錄波裝置故障時刻的波形分析結果如下:

1) 110 kV 母線A 套合并單元Ⅰ母A 相電壓空開合上后, B 相和C 相電壓空開分別于0.8 s、2.2 s 后先后合上。

2) A 相電壓空開合上后、B 相電壓空開合上前, B 相和C 相產生電壓約為33 V、28 V, 電壓相位與A 相電壓基本一致, 此時3U0約為120 V, 大于自產零序保護定值104 V。

3) B 相電壓空開合上后、C 相電壓空開合上前, 3U0減小至85 V 左右。

4) 故障波形與復電操作過程及主變壓器保護動作情況相符。

5) 分別查看220 kV 故障錄波裝置及110 kV故障錄波裝置故障時刻波形, 并進行對比分析, 兩套故障錄波裝置故障時刻波形基本一致。

圖2 220 kV 故障錄波圖

圖3 110 kV 故障錄波圖

2.1.3 故障原因分析

結合現場檢查情況可以確定零序間隙過電壓保護動作的原因為電壓二次回路上存在寄生回路。A相電壓二次空開合閘時, 在BC 相產生了與A 相電壓相位相同的感應電壓, 同時主變壓器零序間隙過電壓保護整定為自產零序, 從而導致主變壓器零序間隙過電壓保護動作。

經現場圖紙檢查, 110 kV 母線電壓切換與并列裝置采用型號為RCS-9663D 的電壓并列裝置,電壓并列柜保護用電壓回路AB 相、BC 相間存在電壓監視繼電器, 形成寄生回路。

在110 kV 母線A 套合并單元Ⅰ母A 相電壓空開合上時, B 相和C 相出現分壓, 導致1 號主變壓器中壓側間隙過電壓保護動作。電壓監視繼電器分壓如圖4 所示, 圖中,Zm為電壓并列柜電壓監視繼電器阻抗,Zn為合并單元采樣插件內部小TV 阻抗,Zl為二次電纜芯線阻抗。當A 相電壓空開合閘、B相和C 相電壓空開分閘時, A 相電壓可通過Zm、Zl、Zn分壓至 B 相、C 相。

圖4 電壓監視繼電器分壓原理圖

2.2 TV 二次回路并接電容器導致零序過電壓保護誤動

2.2.1 故障過程描述

2017 年 8 月, 某 220 kV 新擴建 2 號主變壓器投產送電時, 利用600 斷路器經Ⅱ母對2 號主變壓器進行第一次沖擊合閘試驗。600 斷路器合閘后不久, 2 號主變壓器兩套保護高后備零序過電壓保護均同時動作出口, 跳開620 斷路器。

2.2.2 保護動作情況分析

對二次設備檢查發現220 kVⅡ母二次電壓存在異常。現場220 kVⅡ母母線電壓端子箱內, 兩路保護電壓二次快分空氣開關均在斷開位置。2 號主變壓器母線電壓三相采樣應均為0 V, 而裝置內部高壓側三相電壓實際分別顯示為: 43.11 V、41.86 V、60.93 V, 3U0電壓顯示為 142 V。用萬用表實測發現, C 相電壓與Ⅰ母C 相電壓相同,A、B 相電壓與C 相同相位, 幅值約為其70%。

通過對電壓二次回路仔細檢查, 發現Ⅱ母母線電壓端子箱內, 兩路保護電壓快分開關C 相上均并聯電容, Ⅰ母母線電壓端子箱內也存在同樣問題。經分析, 由于該電容的存在, 將C 相交流電壓空開上下端直接導通, 因此C 相下端帶有額定電壓。當A、B 相空開斷開時, C 相電壓則可通過外部相間負載反饋至A、B 相, A、B 相也能感應到與C 相同相位的電壓, 因外部負載與裝置電壓采樣繞組的分壓作用, 電壓幅值會有所下降。分析結果與現場實測一致。

2 號主變壓器高后備零序過電壓保護電壓采用自產3U0, 保護定值: 120 V, 0.5 s。第一次沖擊合閘時, A、B、C 三相電壓幅值分別為43.11 V、41.86 V、60.93 V, 相位一致, 自產3U0電壓幅值達140 多伏, 故高后備零序過電壓保護會動作出口, 故障波形如圖5 所示。

圖5 故障時220 kVⅡ母母線電壓

2.2.3 故障原因分析

該站二次電壓回路仍采用晶體管保護時期的典型設計, 為防止電壓回路三相同時斷線時, 零序電壓閉鎖元件不啟動而造成距離保護誤動, 在220 kVⅠ母、Ⅱ母二次電壓快分開關C 相上并聯電容。在微機保護時代, 對于TV 斷線的判據相當完善,這種 “并聯電容” 的措施已失去意義, 而且由于該電容的存在, 當TV 空開跳閘后其殘余電壓可能會影響保護的正確動作。

3 零序過電壓保護存在的問題及應對措施

通過對兩起保護誤動作事件的分析, 總結出兩個問題, 同時說明問題整改原因, 提出有效的應對措施。

問題一: 保護用電壓回路上存在二次寄生回路, 比如母線電壓并列裝置內存在并聯電壓監視繼電器、保護用分相電壓空開接有并聯電容器。

整改原因: 《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》 中明確指出嚴格執行有關規程、規定及反事故措施, 防止二次寄生回路的形成。

應對措施:

1) 對于母線電壓并列裝置內存在并聯電壓監視繼電器的問題, 應組織廠家技術人員通過打開裝置面板, 拆除插件并封閉外部回路方式進行整改,確保該電壓繞組為保護單獨使用。若暫不具備條件, 應分析操作時可能的感應電壓大小, 并做好預案。

2) 對于保護用分相電壓空氣開關接有并聯電容器問題, 應結合母線停電拆除并聯電容器。

3) 對已退役保護裝置的電壓回路或多余的電壓回路, 應及時隔離并拆除, 防止形成二次寄生回路。

問題二: 主變壓器零序過電壓保護選擇自產零序電壓作為電壓判據。

整改原因: 在變電站中, 由于保護裝置的邏輯判據很少涉及需要外接開口三角電壓, 所以外接開口三角電壓接入的設備較少。然而幾乎所有的保護裝置均涉及需要采集母線電壓, 所以母線電壓接入的裝置設備很多。因此母線電壓回路比外接開口三角電壓回路產生二次寄生回路的概率相對要大很多。所以主變壓器零序過電壓保護選擇外接零序電壓時可以提高保護的可靠性。

應對措施:

1) 常規變電站主變壓器零序過電壓保護外接零序電壓外部二次回路不完善時, 建議母線停電條件時完善主變壓器零序過電壓保護外接零序電壓外部二次回路。待回路完善并試驗到位后, 將主變壓器間隙零序過電壓保護改為采用外接零序電壓。

2) 智能變電站外接零序電壓虛回路不完善時, 建議結合主變壓器停電, 完善母線合并單元、間隔合并單元及主變壓器保護之間的外接零序電壓虛回路配置, 主變壓器間隙零序過電壓保護改為采用外接零序電壓, 并保證試驗到位。若因模型文件、現場安全措施確不具備整改條件, 應分析操作時可能的感應電壓大小, 做好預案。

3) 在未完成整改措施之前, 為避免主變壓器間隙過電壓保護誤動, 在主變壓器送電時建議先合保護用電壓繞組二次分相空開, 后合三相空氣開關。

4 結論

在條件具備的情況下, 變壓器零序過電壓保護建議采用外接開口三角電壓3U0實現, 同時應加強電壓二次回路的維護與管理工作, 特別是要認真執行繼電保護反事故措施要求, 對于無用的二次回路應進行清查并拆除, 防止因二次回路異常造成的保護誤動。