一次區(qū)外故障導(dǎo)致主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作分析

王志剛

（廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 江門(mén)529228）

受雷雨天氣影響，某電廠220 k V某線路發(fā)生A、B兩相接地故障，線路三相跳閘未重合。保護(hù)的故障測(cè)距顯示故障點(diǎn)靠近電廠側(cè)2.6 k m附近。線路跳閘同時(shí)，1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致1號(hào)發(fā)變組跳閘。對(duì)于主變差動(dòng)保護(hù)范圍而言，本次線路兩相接地故障屬于區(qū)外故障，主變差動(dòng)不應(yīng)該動(dòng)作，那是什么原因?qū)е铝酥髯儾顒?dòng)保護(hù)的動(dòng)作呢？

2 原因分析

此電廠1號(hào)發(fā)電機(jī)—變壓器組采用單元制接線方式接入220 k V母線，220 k V母線為雙母線接線，1號(hào)主變中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行。事件發(fā)生后，檢查相關(guān)一次設(shè)備無(wú)異常，1號(hào)主變保護(hù)裝置M－3311“主變差動(dòng)保護(hù)87 T”動(dòng)作，動(dòng)作信息及故障錄波文件完整，經(jīng)校驗(yàn)，保護(hù)裝置定值整定正確，保護(hù)裝置采樣準(zhǔn)確，邏輯功能良好。

考慮到主變差動(dòng)保護(hù)使用的為5P級(jí)CT，此類(lèi)型CT剩磁系數(shù)相對(duì)較高，易飽和，且事件發(fā)生時(shí)為強(qiáng)雷雨天氣，線路故障點(diǎn)附近多個(gè)鐵塔上有多處不規(guī)則的雷電擊傷痕跡。結(jié)合故障錄波數(shù)據(jù)，從CT的工作性能方面進(jìn)行原因分析。

2.1 對(duì)故障錄波數(shù)據(jù)的分析

如圖1所示，線路故障發(fā)生后，58 ms故障切除（與線路錄波一致），第71 ms保護(hù)動(dòng)作出口；在此期間，第27 ms開(kāi)始出現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)端L相電流，并且持續(xù)增長(zhǎng)至第58 ms，然后L相電流開(kāi)始衰減。

圖1 發(fā)電機(jī)端電流波形圖

發(fā)變組故障錄波數(shù)據(jù)計(jì)算：以下為按差動(dòng)保護(hù)的計(jì)算方法，根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)計(jì)算的差動(dòng)保護(hù)各側(cè)電流和各相差流（折算到發(fā)電機(jī)側(cè)的二次電流）。圖2中：

高壓側(cè)電流IHa＝高壓側(cè)平衡系數(shù)×（高壓側(cè)IA－高壓側(cè)IB）／

低壓側(cè)電流ILa＝發(fā)電機(jī)IA－高廠變高壓側(cè)IA

差流Ida＝IHa－ILa

圖2 主變差動(dòng)電流波形圖

從圖2中可以看出，故障發(fā)生第28 ms時(shí)，低壓側(cè)A相電流開(kāi)始畸變，A相出現(xiàn)差流。低壓側(cè)A相電流呈負(fù)偏移，在負(fù)半波到達(dá)峰值前開(kāi)始畸變，在正半波過(guò)程恢復(fù)正常，這種現(xiàn)象符合CT飽和的特征。由于高廠變高壓側(cè)的電流非常小，可以認(rèn)為低壓側(cè)A相電流飽和畸變所反映的就是發(fā)電機(jī)側(cè)A相電流飽和畸變。

查看主變保護(hù)裝置M－3311錄波數(shù)據(jù)，故障發(fā)生后61 ms主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。在此期間，故障發(fā)生后約30 ms，發(fā)電機(jī)側(cè)二次電流中3I0開(kāi)始增長(zhǎng)，此現(xiàn)象與故障錄波裝置反映的一致。鑒于故障過(guò)程中主變各側(cè)電流的直流分量都非常明顯，且發(fā)電機(jī)側(cè)出現(xiàn)了理論上不應(yīng)有的零序電流，同時(shí)發(fā)電機(jī)側(cè)A相二次電流出現(xiàn)了明顯的飽和畸變特征，因此可以初步判定，本次主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作是由于在較強(qiáng)的直流分量作用下，發(fā)電機(jī)側(cè)CT飽和引起傳變誤差所致。

2.2 對(duì)發(fā)電機(jī)出線端保護(hù)用CT進(jìn)行暫態(tài)性能試驗(yàn)分析

2.2.1 進(jìn)行CT特性試驗(yàn)

CT銘牌參數(shù)：25 000／5，5P20，200 VA，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。伏安特性曲線如圖3所示。

表1 CT特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

二次負(fù)載：CT的二次負(fù)載沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)二次電纜的線徑及長(zhǎng)度，按0.8Ω估算。

2.2.2 區(qū)外短路故障時(shí)的機(jī)端CT暫態(tài)分析計(jì)算

設(shè)外部三相短路時(shí)，一次電流為：

圖3 CT伏安特性曲線圖

CT的基本關(guān)系式：

2.2.3 簡(jiǎn)化計(jì)算分析

2.2.3.1 系統(tǒng)參數(shù)

發(fā)電機(jī)直阻：相電阻R＝0.001 23Ω，換算至以發(fā)電機(jī)阻抗為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值：

式中，667為發(fā)電機(jī)額定視在功率（MVA）；20為發(fā)電機(jī)額定電壓（k V）。

發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗：

主變等值電阻：短路損耗1 157 k W（1.157 MW），換算至以發(fā)電機(jī)阻抗為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值：

主變等值電抗：短路電壓15.05%，換算至以發(fā)電機(jī)阻抗為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值：

式中，720為主變額定視在功率（MVA）。

按主變高壓側(cè)三相短路計(jì)算一次時(shí)間常數(shù)：

式中，f為頻率（Hz）。

2.2.3.2 C—100 ms—O循環(huán)

一次C—100 ms—O循環(huán)所需暫態(tài)面積系數(shù)：

高壓側(cè)短路流過(guò)發(fā)電機(jī)機(jī)端的電流為54.9 k A，約為2.2倍CT額定電流。

要求所選CT的準(zhǔn)確限值系數(shù)Kalf＞2.20 Ktd＝61。

按本次實(shí)測(cè)結(jié)果：在二次負(fù)載估算為0.8Ω的情況下，機(jī)端側(cè)CT的Kalf約為56，即實(shí)際Ktd＝25.5，經(jīng)估算如不考慮剩磁則約在90 ms時(shí)CT可能開(kāi)始飽和。

飽和時(shí)間的簡(jiǎn)化計(jì)算公式為：

2.2.3.3 C—100 ms—O—800 ms—C—100 ms—O循環(huán)

所需暫態(tài)面積系數(shù)：

與一次C—100 ms—O循環(huán)相比，CT在C—100 ms—O—800 ms—C—100 ms—O循環(huán)中的飽和情況會(huì)更嚴(yán)重，暫態(tài)性能不理想。

2.2.4 數(shù)值計(jì)算分析

由數(shù)值分析計(jì)算得出：主變高壓側(cè)故障時(shí)，在不考慮CT剩磁的情況下，機(jī)端側(cè)CT約120 ms開(kāi)始飽和；如考慮故障前CT剩磁為60%，則46 ms開(kāi)始飽和。B－t趨勢(shì)線如圖4所示。

圖4 CT B－t趨勢(shì)線

按照上述分析，發(fā)電機(jī)機(jī)端CT在不考慮剩磁的前提下，按主變高壓側(cè)短路且電流全偏移計(jì)算，開(kāi)始飽和的時(shí)間約為90～120 ms，基本滿足一次C—100 ms—O循環(huán)的暫態(tài)性能要求。在本次事件中，如果機(jī)端CT的飽和起始時(shí)間在100 ms后，則差動(dòng)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。但是，由于5P級(jí)CT的剩磁系數(shù)較高，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，機(jī)端CT的剩磁系數(shù)在80%以上。發(fā)生若干次區(qū)外故障后，在剩磁的積累作用下，CT的飽和時(shí)間會(huì)大大提前。本次區(qū)外故障時(shí)機(jī)端CT飽和應(yīng)該就是由剩磁過(guò)大引起的。

3 結(jié)論及措施

按上述分析，此發(fā)變組的一次時(shí)間常數(shù)非常大，外部故障時(shí)一次電流中直流分量衰減非常緩慢，機(jī)端CT的剩磁系數(shù)較高，在多次區(qū)外故障電流的剩磁積累作用下，CT的飽和時(shí)間會(huì)大大提前，不能保證良好的暫態(tài)性能，因此，本次區(qū)外故障時(shí)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作是由于機(jī)端CT剩磁過(guò)大、同時(shí)在故障電流作用下鐵芯迅速飽和引起的。可通過(guò)以下方法解決：（1）為防止剩磁過(guò)大引起CT飽和，可結(jié)合機(jī)組的大、小修試驗(yàn)，定期對(duì)差動(dòng)保護(hù)的CT作消磁處理。（2）CT的暫態(tài)性能不夠理想，可以從減小CT二次負(fù)載方面采取措施。（3）由于大型發(fā)電機(jī)—變壓器組的一次時(shí)間常數(shù)較大，暫態(tài)飽和問(wèn)題普遍嚴(yán)重，可考慮選用TP級(jí)CT。

［1］王維儉.電力主設(shè)備繼電保護(hù)原理及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1996

［2］國(guó)家能源局.大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2012