一起主變壓器空投跳閘事件分析

鄒 進，李唐兵，熊華強

（國網江西省電力科學研究院，江西南昌 330096）

0 引言

傳統的比率差動保護是通過一個周波的采樣，再根據傅里葉算法算出一個周波內電流的有效值，通過這個有效值和比率制動特性來判斷是否該動作。而采樣值差動保護則是將傳統的向量轉變為各采樣點（瞬時值）。如果在一個周波的R點數據窗內至少有S點滿足采樣值差動動作特性，那么保護就會動作。和傳統比率差動保護相比，采樣值差動保護理論上具有抗TA飽和、躲勵磁涌流的能力，能在空投于變壓器內部輕微故障時快速出口。

和成熟的比率差動保護相比，采樣值差動保護其靈敏度會受到動作模糊區的影響，如果定值整定不當，可能反而會躲不過勵磁涌流。本文通過某電廠主變空投過程中采樣值差動保護誤動作的事件分析，說明了定值整定在采樣值差動保護中的重要性，并提出了采樣值差動門檻定值整定的原則，最后通過動模試驗證明了定值整定正確，完善了采樣值差動保護在具體實踐中的應用。

1 概況

2012年06月05日13時57分11秒，某水電廠5號主變220 kV側210開關消缺完畢，準備對主變進行空投。在第一次空充過程中，某型號主變保護采樣值差動保護動作并跳開主變高壓側210開關。

2 原因分析

2.1 現場動作報文及波形分析

5號主變采用某型號主變保護及許繼WFB-800A型主變保護。當5號主變第一次空投時，某型號主變保護采樣值差動保護動作，動作報文如圖1，而WFB-800A型主變保護正常未動作。

圖1 某型號主變保護動作報文

從圖1動作報文來分析，B相采樣值差動動作，跳開高壓側210開關。

從圖2裝置錄取的三相采樣值差流波形來看，三相差流呈現明顯的勵磁涌流特征：

圖2 某型號主變保護裝置三相采樣差流波形圖

從圖3裝置錄取的三相電壓波形來看，三相電壓未見降低等故障現象：

圖3 某型號主變保護裝置高壓側三相電壓波形圖

從故障錄波軟件分析得知其中二次諧波制動比分別為：A相76%，B相23%,C相29%，均大于二次諧波制動比定值16%。某型號主變保護裝置及WFB-800A型變壓器保護裝置比率差動保護受勵磁涌流閉鎖判據正確閉鎖均未動作。

高壓一次也做了變壓器繞組絕緣電阻和直流電阻的檢測，均未發現異常。從以上分析可以排除一次存在故障的可能性，推定是二次方面某型號主變保護裝置采樣值差動保護誤動導致的跳閘。

按照廠家的說法，某型號主變保護裝置要求在連續20個采樣點的數據窗內如果有17個采樣點滿足大于采樣值差動啟動門檻值這個條件，采樣值差動保護就會出口。從圖4的波形圖中可以看出隨著時間的推移波形中的間斷角逐漸往負方向側發生偏移（不再為0）。以動作相B相差流為例，波形紅線處的電流瞬時值已達到-3 A（大于2.51 A采差門檻值），使得原本的間斷點變為了滿足動作條件的點。

圖4 5號變壓器高壓側三相電流及三相差流波形

為了驗證廠家的說法，我們從波形圖中再仔細分析（如圖5），通過錄波軟件離散點的功能得到在距離故障初始時刻175 ms后B相差流連續20個采樣點的數據窗內的數據如下：[-2.738，-2.788，-2.788，-2.754，-2.738，-2.704，-2.6 54，-2.559，-1.419，0.201，1.855，3.151，4.537，5.833,6.570，6.721，6.235，5.157，4.123，3.051]。可以看出：在這20個連續的采樣點中只有三個點，分別是-1.419，0.201，1.855這三個點不滿足大于采樣值差動啟動門檻值2.51的條件，其余17個點均滿足要求，從而滿足了保護裝置采樣值差動對點數的要求，B相采樣值差動保護動作。與此同時，A、C兩相差流中的瞬時值相對較小且小于門檻，未滿足采差點數要求，因此A、C兩相未動作。而且可以看出在采樣點3.051這個時刻距離故障初始時刻有190 ms，此時采樣值差動動作出口，和圖1動作報文上的動作時刻188 ms吻合。

圖5 距故障初始175 ms后B相差流連續20個采樣點

2.2 關于采樣值差動保護

我們熟知的常規相量差動是通過計算動作量和制動量的有效值構成差動保護判據，因而在穩態過程中，保護制動特性不會因為采樣數據窗的移動而發生改變。但這種基于相量的差動保護也存在著如下不足：

1）容易受到變壓器空投和故障恢復時勵磁涌流的影響。目前常通過二次諧波閉鎖防止勵磁涌流引起保護誤動，但在空投于變壓器內部輕微故障時，需等到二次諧波充分衰減后才能出口，動作時間較長。

2）CT飽和也是造成常規相量差動保護不正確的動作原因之一，當引入差動回路的CT出現嚴重飽和時，將產生較大的差流有效值，在一定條件下就可能引起差動保護誤動；

3）基于相量的差動保護，其計算相量需要一定的數據窗，導致在一個周波后才能發出跳閘指令，這對于嚴重內部故障，動作時間略顯不夠快。

采樣值差動是一種新型的差動保護，它的設置主要是為主設備內部故障提供一個“速動段”，可快速切除絕大多數非輕微的主設備內部故障，對于變壓器保護還非常有助于消除二次諧波判據帶來的長延時影響。而且由于采樣值差動保護從原理上即具備抗TA飽和、躲勵磁涌流的能力，故變壓器采樣值差動保護也不經TA飽和判據和勵磁涌流判據的閉鎖，有點類似于差動速斷保護。

和差動速斷不同的是：差動速斷是通過一個周波的采樣，再根據傅里葉算法算出一個周波內電流的有效值，通過這個有效值和差動速斷動作定值比較來判斷是否該動作；而采樣值差動保護則是將傳統的向量轉變為各采樣點（瞬時值）。如果在一個周波的R（本裝置R=20）點數據窗內至少有S（本裝置S=17）點滿足采樣值差動動作特性，那么就會動作。

基于傅氏算法或曲線擬合的相量差動保護其動作特性是不受采樣初始時刻影響的。而采樣值差動保護是利用每一點的采樣值作判據，由于采樣初始時刻的隨機性會使得采樣值差動保護的動作邊界不固定且存在著模糊動作區。在這個模糊區內，有些工況能動，有些工況不能動。本裝置的模糊區為[1.414Iicdqd，1.848 Iicdqd]，Iicdqd為采樣值差動保護起動門檻值。模糊區的存在使采樣值差動保護的可靠性受到一定的影響。

2.3 采樣值差動保護起動門檻值的整定

由上分析，可認為變壓器（發變組）采樣值差動的差動起動門檻值Iicdqd應按躲過變壓器勵磁涌流時TA飽和引起的反向最大電流整定。廠家建議取為1～1.2 In（In為TA二次額定值）。按本案例來說，如按系數取1 In整定，其采樣值差動啟動電流應該整定為1×5=5 A。

在這里特別說明一下，本裝置對于Y型側的校正方程為： ， ， 。由于Y→△轉換的原因，Y側電流變換為兩相電流之差，放大了 倍，△側電流通過平衡系數的補償也放大倍，使得差動電流和制動電流都放大了 倍，因此，在定值整定計算時，所有的差動電流和制動電流定值都應乘以 。故上述定值取為5×1.732=8.66 A。

我們認為這個廠家推薦的整定定值偏大。如按本案例來說，在變壓器跳開前變壓器勵磁涌流造成TA飽和引起的反向最大電流可以達到-3.134 A，如圖6所示。

圖6 跳開前一個周波前的反向最大電流波形

可以推測，如果變壓器不跳開，按照反向電流逐漸增大的趨勢，再過幾十個周波即使達到-4 A，除以實際是4/1.732=2.31 A，是變壓器高壓側二次額定電流1.49 A的2.31/1.49=1.55倍。如果按照廠家推薦的定值則是變壓器二次額定電流的8.66/（1.732×1.49）=3.36倍，8.66這個定值只比差動速斷定值8.7略小一點而已，所以我們認為廠家的推薦值偏大。如果按照廠家這樣取值的話，那么這個采樣值差動保護和差動速斷保護相比并沒有優勢。但如果取太小的話又會引起誤動作，如本案例就是定值取小的緣故導致采差誤動。根據本案例的情況，建議整定范圍為1.8～2 I e（I e為變壓器的二次額定電流值），最后決定整定為1.8 I e，即1.8×1.49×1.732=4.6 A。通過動模試驗表明，在這個整定值下再未發生勵磁涌流導致的誤動情況，且能反映變壓器內部非輕微的故障。

3 動模仿真試驗

本次動模仿真是在基于RTDS仿真平臺Windows操作系統下的RSCAD軟件下進行的。首先，啟動Draft軟件模塊，創建用于仿真的電路圖。在Master和 User庫中把 SOURCE MODELS、TRANSFOMER MODELS、BREAKER、BUS、Dynamic Load等元件模塊拖到繪圖區。如圖7所示：

圖7 仿真電路圖

雙擊各元件模塊，打開其屬性窗口。根據柘林電廠提供的主變容量、阻抗電壓、空載損壞、鐵芯阻抗、拐點電壓等參數，把這些參數輸入到主變元件的屬性中去。其它元件也根據事故發生時的具體情況一一輸入到相應屬性中。元件圖繪制完畢并保存后進行編譯。編譯正確后，點擊RUNTIME，新建一個空白窗口。在窗口里添加FLOUT按鈕、PlOT、SLIDER等。用FLOUT按鈕控制斷路器的合/分位置；用SLIDER控制合閘角度；用PLOT顯示三相電壓電流等。然后保存layout，運行仿真。連接主變保護裝置進行閉環測試，觀察保護裝置的動作情況。仿真閉環測試連接圖如圖8所示。

圖8 RTDS仿真閉環測試連接圖

模擬事故時的情形，仿真圖如圖9所示。

圖9 模擬事故發生時的仿真圖

從仿真圖可以看出和事故時的波形基本吻合。改變合閘角度，重新設定定值，保護裝置再未發生誤動，證明定值的設定可以有效防止采樣值差動保護誤動情況的發生。

4 事件后續處理情況

某水電廠根據國網江西省電力科學院提出的整改建議，把定值重新修改為1.9 Ie。經過數次空投試驗，5號主變采樣值差動保護再未發生誤動作事故，說明重新修改后的采樣值差動啟動電流門檻值能夠躲開勵磁涌流而不導致誤動。但考慮到本裝置模糊區的存在將使采樣值差動保護的可靠性受到一定的影響，所以最后電廠根據調度的意見，暫時退出本裝置的采樣值差動保護。

5 結論和建議

1）本次主變空充跳閘是由于某型號主變保護裝置采樣值差動啟動電流門檻值設置偏小而未能躲開勵磁涌流導致采樣值差動保護誤動。

2）建議適當抬高某型號主變保護裝置采樣值差動啟動電流門檻值，能夠躲過比較嚴重的勵磁涌流，或者暫時退出此保護，采用我們熟知的更為成熟的比率差動保護和差動速斷保護來保證變壓器的運行。本文提出采樣值差動保護門檻值應按躲開勵磁涌流TA飽和時的反向最大電流整定，動模試驗表明，按本原則整定的定值能躲開勵磁涌流而不會誤動作，完善了該保護在具體實踐中的應用。而且根據電廠重新修改定值后5號主變采樣值差動保護再未發生誤動情況，證明了修改后的定值經受住了勵磁涌流的考驗。

3）本裝置的模糊區的存在將使采樣值差動保護的可靠性在實際運行中的可靠性受到一定的影響，所以下一步的工作就是進行對裝置模糊區的研究，進一步完善裝置在實際運行中的可靠性。

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