100MW電廠變壓器差動保護誤動作原因分析

王 野 姜萬東 沈克明 羅吉澤 遲玉國

（1. 麗水學(xué)院電子與電工技術(shù)創(chuàng)新重點實驗室，浙江 麗水 323000；2. 江蘇國網(wǎng)自控科技股份有限公司，江蘇 昆山 215311）

1 故障概述

某100MW電廠廠級10kV/0.4kV變壓器在低壓側(cè)#1饋出線發(fā)生三相短路故障時，變壓器微機保護裝置比率差動保護越級動作，致使該變壓器低壓側(cè)全部負荷停電。造成廠變低壓側(cè)的兩臺油泵電機跳閘停機，輸送兩臺 100MW 機組燃油供油停止，最終導(dǎo)致 100MW 機組停機。電廠比率差動保護動作記錄情況見表1，100MW電廠變壓器比率差動保護一次主接線如圖1所示。

表1 100MW電廠變壓器差動保護動作電流記錄

現(xiàn)場差動速斷保護裝置設(shè)置的參數(shù)及定值見表2。

圖1 100MW電廠變壓器差動保護主接線圖

表2 差動速斷保護動作設(shè)定參數(shù)值

（續(xù)）

2 故障情況初步分析

作為變壓器差動保護，低壓側(cè)饋出線故障屬于區(qū)外穿越性故障，比率差動保護動作屬于誤動作。該微機保護裝置比率差動保護采用三折線比率差動原理[1]，動作區(qū)如圖2所示。

式中，Ih、Il分別為變壓器高壓側(cè)、低壓側(cè)電流互感器二次側(cè)電流（根據(jù)變壓器接線方式矯正后的等效電流）。兩側(cè)電流互感器均按 Y型接線，且指向變壓器，通過整定低壓側(cè)平衡系數(shù)（kp）、接線方式，裝置可自動調(diào)節(jié)兩側(cè)電流幅值，相位。

圖2 比率差動動作曲線

比率差動保護能保證外部短路不動作，內(nèi)部故障時有較高的靈敏度。

根據(jù)裝置的動作記錄與式（1）和式（2），計算制動電流：

IresA=0.84A，IresB=8.5A，IresC=5.68A

從A相電流分析，制動電流IresA小于制動拐點Ikp1（見設(shè)定參數(shù)表），差動電流IdifA=7.04A，大于比率差動門檻電流Iopmin（見設(shè)定參數(shù)表），滿足動作方程條件，比率差動保護動作。

作為變壓器穿越性故障，從動作的記錄值來看，變壓器的高壓側(cè)故障電流明顯很小，接近于 0。而作為單電源供電網(wǎng)絡(luò)，變壓器低壓側(cè)的饋出線發(fā)生故障，而電源側(cè)電流理論上不可能很小，那么很有可能是微機保護交流采樣異常或變壓器高壓側(cè) CT飽和造成。故障后對微機保護進行了校驗，發(fā)現(xiàn)微機保護的交流采樣數(shù)據(jù)正常。

從上面的分析可以初步斷定，可能是由于保護裝置的電流變送器或電流互感器的暫態(tài)飽和，造成高壓側(cè)電流計算偏小，導(dǎo)致的微機比率差動保護誤動作。

3 故障分析

對于差動保護來說，與外部 CT的配合是至關(guān)重要的。由于短路時非周期分量的影響，即使短路電流不大，也可能產(chǎn)生嚴重的暫態(tài)飽和而形成很大的誤差，即使兩側(cè)CT特性相同，但如果剩磁不同，也可能飽和程度差別很大。因此不難解釋，動作報告中，高壓側(cè)電流近似為 0，而低壓側(cè)電流很大的原因。

從保護裝置的動作記錄上可以看出，低壓側(cè)的B相電流明顯大于 A，C兩相電流（IAl=11.04A，IBl=26.69A，ICl=15.74A）。根據(jù)短路理論，非周期分量在三相中有一相最大，而另外兩相較小，這就可以合理的解釋了為什么A，C電流明顯小于B相電流。從高壓側(cè)電流來看，高壓側(cè)非周期分量引起了CT暫態(tài)飽和，輸出電流為 0（或很小），引起差動保護動作。

對于非周期分量體現(xiàn)為直流分量和豐富的低頻分量，對于P級電流互感器，其傳變直流能力很差。因而，直流則傳變?yōu)閯畲烹娏鳎痣娏骰ジ衅鞯娘柡汀ｏ柡统潭炔煌?，對保護的影響也不同。對于輕微飽和，在短路瞬間不致馬上飽和，而在一個周波后波形有所畸變，但是由于非周期分量的衰減，影響也越來越小。對于快速保護（1～2周波內(nèi)動作），影響不大，而對于帶有延時的保護，由于非周期分量的衰減為0，也不會有太大影響。

對于比較嚴重的暫態(tài)飽和，體現(xiàn)在第一個半波內(nèi)就出現(xiàn)飽和情況。這對快速保護相當不利（利用1/4周波保護除外）。由于飽和后二次電流迅速的減小到幾乎為 0，對于半波傅氏算法將導(dǎo)致很嚴重的后果。如果兩側(cè)的 CT抗飽和能力有所差別，那么將導(dǎo)致比率差動保護誤動作。

圖3 非周期分量導(dǎo)致CT嚴重飽和時二次電流波形圖

從圖3可以看到非周期分量導(dǎo)致CT嚴重飽和時二次電流波形圖[2]，嚴重的暫態(tài)飽和引起了二次電流輸出有半個多周波小電流輸出。如果采用半波傅氏算法，當另一側(cè)保護 CT沒有飽和時，會出現(xiàn)一側(cè)電流為0（或很?。硪粋?cè)電流較大，引起比率差動或者差動速斷誤動作。即使采用全波算法，也很難防止誤動作。

考慮半波和全波傅氏算法對衰減直流分量的濾除情況，施加一信號x(t)，對于變壓器附近短路故障，由于變壓器的電抗較大，因此引起的非周期分量衰減時間較長，暫定為兩個周波，即40ms。

采用全波傅氏算法[3]，輸出的x(t)基波有效值為6.941，則計算誤差為。衰減直流分量已經(jīng)對全波傅氏算法的輸出造成一比較大的誤差。該情況為穩(wěn)態(tài)情況分析，如果在暫態(tài)情況下，可能造成的誤差更為嚴重。

而采用半波傅氏算法[3]，輸出的x(t)基波有效值為9.752，則計算誤差為。半波傅氏算法在短路開始的半個周波內(nèi)由于衰減直流分量所造成的誤差達到30%以上，因此可以看出在這種情況下，半波算法不適合用在直流分量很嚴重的場合。當然，如果對于嚴重的區(qū)內(nèi)故障，這樣情況下可以加快動作時間，但對于差動類型的保護，如果在非周期分量作用下，CT兩側(cè)特性有差別時，很可能導(dǎo)致區(qū)外誤動（近端故障）。

由此可以看出，全波傅氏算法對于衰減直流分量的抑制能力較差，而半波傅氏算法抑制非周期分量的能力被削弱了。

4 解決分析辦法

針對故障情況的初步分析，擬嘗試以下措施預(yù)防今后類似誤動問題，并進行了實驗。

1）增加判斷時間來避免誤動作。對于 110kV以下系統(tǒng)，一般非周期衰減時間常數(shù)都小于60ms，但對于變壓器或發(fā)電機出口處發(fā)生嚴重故障時，衰減時間將加長。為避免 CT暫態(tài)飽和而引起誤動，可放慢比率差動保護速度到 60ms以上，而差動速斷應(yīng)在定值上考慮上面問題，且動作速度也不應(yīng)太快。

2）差動保護用CT應(yīng)滿足抗飽和措施，可參照差動保護抗電流互感器飽和措施[2]，差動保護一般配的CT為TPY型。

3）軟件上盡量采用全波傅立葉算法，采用差分與傅立葉算法相結(jié)合。

5 結(jié)論

根據(jù)某 100MW 電廠變壓器微機差動速斷保護誤動作導(dǎo)致的兩臺 100MW 機組停機，對保護裝置進行了以下整改措施：

1）采用全波傅里葉算法配合前級差分輸入。

2）增加了對故障判別的次數(shù)，防止由于CT暫態(tài)飽和而導(dǎo)致一次電流很小，而另一側(cè)電流很大，而引起差動保護誤動作。

經(jīng)過對保護裝置的設(shè)計可靠性進行了升級，重新投入生產(chǎn)使用后，至發(fā)稿期間再無此類誤動作。這次誤動作分析和問題處理，也為今后微機保護在可靠性設(shè)計和軟件檢測硬件上提供一些值得借鑒的經(jīng)驗。

[1] 王維儉. 電氣主設(shè)備繼電保護原理及應(yīng)用[M]. 北京:中國電力出版社, 2002: 56-58.

[2] 袁季修, 盛和樂, 吳聚業(yè). 保護用電流互感器應(yīng)用指南[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004: 4-94.

[3] 李艷紅, 譚惠尹. 淺談全波傅里葉算法與半波傅里葉算法[J]. 電子世界, 2012(13): 97-98.