關于600MW機組變壓器差動保護動作原因的探討

郭爽

摘要：某600MW機組C級檢修后起勵升壓過程中，由于變壓器勵磁涌流的存在導致高廠變保護動作跳閘，針對此次事故就繼電保護動作情況及引起保護動作的原因進行分析，并為以后避免此類異常發生提出了防范措施和整改意見。關鍵詞：差動保護;勵磁涌流;原因分析

中圖分類號：TM77

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）01-0041-04

0引言

繼電保護是電力系統的重要組成部分，保護正確動作是保證機組及電網安全穩定運行的重要技術手段。差動保護是用來切除變壓器繞組、套管及引出線上的故障的主保護。當變壓器發生正常勵磁涌流時變壓器差動保護應有躲過勵磁涌流的功能。但當變壓器由于某種原因導致鐵芯內剩磁過大引起快速起勵升壓時勵磁電流增大（但不超過額定電流），衰減時間延長，已不屬于正常的勵磁涌流。超過勵磁涌流檢測時間，此時若滿足差動定值，無論二次諧波分量是否滿足閉鎖定值，保護均會動作跳閘。[1]下面就某廠起機時發生的保護動作事件進行分析闡述。

1事故經過

1號機組正常運行，有功負荷600MW，無功負荷90MVar，2號機出口500kV開關5022、5023在分閘位置，2號機定速3000r/min，滅磁開關合位，在某年某月某日10時39分，運行人員在DCS畫面點起勵按鈕進行發電機自動升壓。5s后發變組保護A、B柜保護動作光字牌聲光報警，滅磁開關跳閘，汽輪機跳閘。檢修人員迅速到6.9m保護繼電器室進行檢查，發現2號機高廠變雙套差動保護C相動作信號燈亮，發變組故障錄波器起動，記錄A、B柜廠變差動保護動作。（見表1、表2、表3）

2原因分析2.1發變組保護動作分析

查看發變組保護事件記錄，自起勵至發變組保護跳閘時間，剛過5S，跳閘時高廠變差動保護C相差動電流為0.3IN（折算至一次值為495.75A，達到保護定值），二次諧波分量為54.3%。根據變壓器保護邏輯，上電時如果電流二次諧波分量大于15%，判斷為勵磁涌流，閉鎖差動保護5s，5s后開放保護出口。同時發現文件中有發變組差動保護，主變差動保護，高廠變差動保護數次勵磁涌流檢測記錄。[2]當起勵建壓后，大約在6s左右，高廠變首先達到差動保護定值，盡管二次諧波大于制動定值，這時保護裝置勵磁涌流檢測制動功能已退出（Inrushtime定義為變壓器上電或外部故障切除后恢復電壓時，勵磁涌流檢測功能起作用的時間，整定值為5s），保護不再受二次諧波制動，瞬時動作跳閘，保護動作。[3]

二次諧波制動原理：利用差動電流中的二次諧波分量電流作為制動量，區分差流是內部短路故障的短路電流還是勵磁涌流，實現勵磁涌流閉鎖。二次諧波制動比來衡量二次諧波電流的制動能力。[4]二次諧波制動比用二次諧波與基波分量的比值來表示，用于檢測勵磁涌流。一般整定為15%，當檢測到勵磁涌流中的二次諧波比大于15%時將保護制動，此功能僅激活5s，5s后保護開放。因正常的勵磁涌流往往出現在合閘瞬間，且這種沖擊電流存在的時間很短，保護閉鎖5s已足夠躲過勵磁涌流。[5]

該廠高廠變保護根據反措要求進行雙重化配置，采用雙套瑞士ABB生產的RET316*4型保護裝置，分別設置在發變組A、B柜中，兩套保護的交流電流、電壓回路，直流電源彼此獨立，分別取自不同的互感器及取自不同蓄電池組供電的直流母線段，且沒有任何電氣聯系。基本可以排除保護裝置異常的可能性。

故障錄波器記錄故障時高廠變高壓側A、B、C相電流分別為0.132A（一次值330A）、0.105A（一次值262.5A）、0.195A（一次值487.5A），而低壓側無電流，由此驗證高廠變高低壓側的差動電流為496A，與發變組保護記錄數據相吻合，保護屬正確動作。2.2保護動作時發電機電流去向分析

保護動作時，發變組檢測到發電機電流值最大達到7121A，勵磁變高壓側電流為130A，高廠變高側電流為496A，由于主變低壓側電流及脫硫變高壓側電流沒有引入故障錄波器，可根據計算算出發電機流向主變及脫硫變的電流之和為6494A（=7121-130-496）。主變差動保護動作定值0.3IN，折算至一次值為6495A（=0.3×0.5×25000×1.732），脫硫變差動保護動作定值0.3IN，折算至一次值為126A（=0.3×0.7×600），可計算出6495+126=6621A>6494A，主變差動與脫硫變差動保護均未達到保護動作值。

2.3勵磁涌流產生的原因

正常起勵升壓，各變壓器鐵芯建立穩態磁通，變壓器二次繞組空載，一次繞組中只流過很小的勵磁電流。當發電機起勵升壓，一側繞組受到外加電壓劇增時，基于磁鏈守恒定律，該繞組在磁路中產生單極性偏磁，若偏磁極性恰好與原來剩磁極性相同，同時變壓器鐵芯中已經存在很大剩磁時，就可能因偏磁與剩磁和穩態磁通疊加，導致鐵芯磁路極度飽和，從而大幅度降低變壓器勵磁電抗，引起勵磁涌流。[6]勵磁電流與磁通關系由磁化特性來決定，勵磁涌流的大小與鐵芯材料、合閘瞬間鐵芯剩磁，附加電壓的幅值和相位有關。[7]

起勵建壓開始到保護跳閘期間，錄波圖中分析出發電機機端電壓、電流，主變高側電壓，高廠變高側電流、勵磁變高側電流均有很大成分的二次諧波，且只存在于變壓器的一側，在同一時刻三相涌流之和近似于0，符合勵磁涌流的特征。如圖1所示，由高廠變高壓側電流波形可看出，三相電流均偏于時間軸的一側，存在很大的間斷角，且符合大于60o間斷角的涌流特點。

2.4本次起機異常狀態分析

與發電機連接的其它變壓器的繞組中為何也會出現電流呢？由于該廠發電機出口為單元接線方式，主變、高廠變、勵磁變、脫硫變均為封閉母線直接連接，當一臺變壓器發生勵磁涌流，一段時間后引起電流劇增的變壓器通過磁鏈的的相互耦合，會使封閉公共母線上的電壓產生非周期的波動，從而使與之并列連接的變壓器產生和應涌流，導致發電機發出7000多安培的電流，流向各變壓器有源側的繞組內。而和應涌流特點是隨時間逐步增大隨后又不斷衰減的，持續時間長，波形特征不是很明顯，遠遠不如勵磁涌流幅值大，增長速度快。因此從主變、脫硫變檢測出的電流可以看出，不等和應涌流電流增大到保護動作值，剩磁嚴重的變壓器差動保護就已首先動作了。

發電機正常軟起勵升壓時的勵磁電流為1500A左右，而此次故障時勵磁電流最大達到2670A，勵磁調節器通過調整發電機勵磁電流來調整發電機機端電壓。由于故障電流的存在，導致機端電壓建立不起來，引起勵磁電流輸出增大。[8]

另外，在正常情況下，空載變壓器的勵磁涌流曲線具有明顯的波頭特征，然后逐漸衰減，而本次涌流的波形與變壓器正常涌流波形有明顯不同。變壓器帶電并不是系統全電壓沖擊，而是由發電機帶變壓器自動升壓產生的類似勵磁涌流的涌流，且電流并沒有達到6～8倍的額定電流，該電流持續時間已遠遠大于勵磁涌流的持續時間。此次異常情況有待研究。

檢查一次及二次回路無異常后，進行零起升壓試驗，手動緩慢升壓，并等待幾分鐘，直至升到機端額定電壓，再反方向將電壓緩慢降至。此過程已將變壓器鐵芯內剩余的磁通完全消除掉。因此，再次將AVR改為自動升壓時，7s后發電機建壓到額定值，所有設備運行正常。

2.5并網前出現較大定子電流原因

變壓器檢修期間曾經做過相應的電氣一次直流耐壓試驗，若沒有進行去磁或去磁不完全，致使變壓器鐵芯存在比較嚴重的剩磁，這種剩磁不會自動消失，剩磁和起機升壓建立的發電機勵磁進行疊加，導致鐵芯勵磁在磁場方向一致的半波飽和，另一半波不飽和，動態地改變等效電路電感參數，變壓器工作磁密不斷升高直到飽和，鐵損急劇增加，漏磁增強也會在鐵芯表面和其他磁性材料中引起渦流損耗，導致發電機定子電流增加。在此情況下，若沒有保護動作，運行人員及時發現進行滅磁，不需處理，再次升壓即可恢復正常。[9]

3采取防范措施

3.1修改勵磁調節器自動升壓時間

發電機勵磁調節器自動升壓時間最長可設置為60s，該廠軟起勵時間設為7s，根據機組容量適當放長該時間，可避免升壓速度過快導致變壓器鐵芯中剩磁無法迅速消除。

3.2注意升壓操作

發電機轉速定速后，進行升壓操作時，運行人員應注意：

（1）手動升壓應緩慢進行，使定子電壓緩慢上升。

（2）升壓過程中，時刻監視轉子電壓、勵磁電流和定子電壓表指示是否均勻上升。定子電流應為零，若發現有電流，應立即切除勵磁，進行檢查定子回路是否有故障點。

3.3進行零起升壓試驗

建議每次機組檢修后，進行零起升壓試驗，使變壓器中的剩磁得以消除。

4結束語

利用二次諧波制動原理躲過變壓器正常空載合閘或外部故障切除后電壓恢復時出現的勵磁涌流的成熟技術，已在實際工程中得到應用。但針對此類類似勵磁涌流的情況，利用“躲避”策略并不是有效的方法。因此，需要我們在運行維護中將可能產生變壓器剩磁的因素消除，避免事故的再次發生，為機組電網安全穩定運行創作良好的環境。

參考文獻

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[2]袁宇波，李鵬，黃浩聲.變壓器差動保護誤動原因分析及對策綜述[J].江蘇電機工程，2013（6）：8-11，14.

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