一起CT飽和引起的主變分側(cè)差動保護動作情況分析

趙 磊

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司調(diào)控中心，寧夏 銀川 750001）

1 事故簡述

2014年1月23 日，某330 kV變電站110 kV線路122彩二風線送電時發(fā)生線路近端接地故障。由于故障電流大，變壓器產(chǎn)生了較大的穿越電流，公共繞組CT飽和，導(dǎo)致2#主變發(fā)生分側(cè)差動保護越級動作。該主變配置某繼電保護公司的雙套保護裝置，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，A套分側(cè)啟動差動保護動作，B套僅啟動保護，未動作。該變電站的主接線圖如圖1所示。

2 故障分析

對于該分側(cè)差動保護越級動作事故，分別從故障錄波、比率差動曲線以及諧波制動驗算3個方面分析事故發(fā)生的原因。

2.1 故障錄波波形分析

圖1中2#主變高中壓側(cè)額定容量為240 MVA，高壓側(cè)額定電壓Uh為345 kV，高壓側(cè)的CT變比為1 000:1，差動保護定值單如表1所示。將其他側(cè)電流折算至高壓側(cè)，計算出高壓側(cè)二次額定電流In為0.402 A，則分側(cè)差動啟動電流定值為0.5×0.402 A=0.201 A。

圖1 變電站主接線圖

表1 差動保護定值單

由故障記錄數(shù)據(jù)可知，動作時的A套保護裝置C相分側(cè)差動差流達到3.139 A。A套保護裝置動作時的中壓側(cè)電流波形、B套保護裝置啟動時的中壓側(cè)電流波形以及故障錄波器的中壓側(cè)電流錄波波形分別如圖2（a）、圖2（b）以及圖2（c）所示。

圖2 故障變壓器中壓側(cè)波形

對比圖2（a）、圖2（b）以及圖2（c）發(fā)現(xiàn)。故障時，兩套主變護裝置波形和故障錄波器波形基本上一致，因此排除裝置采樣問題。

2.2 比率差動曲線驗算

保護裝置采樣準確，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)進行比率差動曲線驗算，可進一步確認事故發(fā)生原因。根據(jù)故障波形的標志集來計算，由于C相差流值遠遠大于A、B相差流值，故以C相來計算。又由于該越級動作事故為A套保護裝置發(fā)生分側(cè)差動保護動作，因此本文重點分析A套保護。分側(cè)差動保護將變壓器的各級繞組作為被保護對象，然后在各側(cè)繞組的首末端設(shè)置CT。本裝置中的分側(cè)差動保護由自耦變壓器高、中壓側(cè)外附CT和公共繞組套管CT構(gòu)成。分側(cè)差動各側(cè)平衡系數(shù)與各側(cè)的CT變比有關(guān)。

高壓側(cè)平衡系數(shù)為：

中壓側(cè)平衡系數(shù)為：

公共繞組側(cè)平衡系數(shù)為：

其中，na.h，na.m，na.cw分別為高壓側(cè)、中壓側(cè)和公共繞組側(cè)的CT變比。計算分側(cè)差動時各側(cè)電流均折算至高壓側(cè)。此外，分側(cè)差動保護采用相電流計算，不需要作移相處理，且電流互感器各側(cè)的極性都以母線側(cè)為極性端。折算后各側(cè)相電流矢量值的計算如下：

差動電流為：

制動電流為：

保護裝置的比率差動曲線如圖3所示。

圖3 保護裝置比率差動曲線圖

根據(jù)故障波形采樣值以及以上原理，計算出A套保護裝置的分側(cè)差動曲線數(shù)據(jù)（只對C相做計算驗算），如表2所示。

表2 比率差動曲線數(shù)據(jù)

根據(jù)圖3保護裝置的比率差動曲線和表2的比率差動曲線數(shù)據(jù)，可以得到A套保護裝置動作時刻的比率制動曲線，如圖4所示。

圖4 A套保護裝置比率制動曲線

由圖4可知，制動電流是3.875 A時，差動動作電流門檻值是2.471 3 A，當產(chǎn)生的差流為3.151 A大于2.471 3 A時，比率差動動作，其余點的計算量也滿足動作條件。由于A套和B套采樣數(shù)據(jù)接近，故B套的比率差動也滿足動作條件。

2.3 差動保護裝置諧波制動作用

該變壓器保護的分側(cè)差動保護具備CT飽和檢測功能，通過判別差流二次諧波、三次諧波的含量及差流連續(xù)性判別元件。二次諧波和三次諧波判別取或后，與差流連續(xù)性判別元件取與邏輯，當滿足飽和判別后提高差動門檻及比率制動曲線[1]。

A套保護裝置的錄波開關(guān)量曲線如圖5所示。該保護分側(cè)差動保護啟動后，二次諧波和三次諧波一直在判別門檻附近，在分側(cè)差動動作時刻，差流的二次諧波和三次諧波元件均開放，因此A套保護分側(cè)差動保護動作。

圖5 A套保護錄波開關(guān)量曲線

B套保護錄波開關(guān)量曲表如圖6所示，分側(cè)差動啟動后，與A套相同時刻時的二次諧波和三次諧波未同時滿足開放條件，因此B套保護分側(cè)差動未動作。

綜上所述，在轉(zhuǎn)換性故障之后，中壓側(cè)C相電流出現(xiàn)深度飽和故不能正確傳變電流，導(dǎo)致分產(chǎn)生差差流，且滿足比率差動動作條件。B套未動作的原因在于CT飽和檢測滿足后，差動保護門檻及比率制動曲線均有所提高，差動電流未達到動作條件。

圖6 B套保護錄波開關(guān)量曲線

3 CT飽和原因分析及其對保護的影響

現(xiàn)場使用的CT型號是10P30，通過現(xiàn)場故障過程的波形記錄，可以看出其CT特性相對較差[2]。理論證明，當發(fā)生區(qū)外短路故障時CT不會立即飽和，外部短路后的暫態(tài)不平衡電流不會立即出現(xiàn)，但是P級CT在故障時容易出現(xiàn)飽和，其飽和與以下幾個原因有關(guān)[3-5]。

3.1 與CT剩磁的大小和方向有關(guān)

系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障電流由直流分量、非周期分量以及穩(wěn)態(tài)分量組成。P級CT的誤差只考慮穩(wěn)態(tài)電流的影響，當變壓器發(fā)生區(qū)外故障或者線路重合于永久故障時，CT鐵芯中包含交流穩(wěn)態(tài)磁通，直流分量引起的非周期磁通以及鐵芯中的剩磁。這3種磁通相互疊加后，將加劇CT的飽和程度。

3.2 受CT二次負載和故障電流影響

在同樣電流下，感應(yīng)電動勢與二次負載阻抗成正比，而在同樣負載阻抗下，CT二次回路線感應(yīng)電動勢與二次電流成正比。當故障發(fā)生在被保護設(shè)備近端時，將會產(chǎn)生很大的短路電流，如果CT二次所帶負載較多導(dǎo)致二次阻抗過大，或額定準確極限選擇不當，將會引起CT鐵芯磁通密度增大，從而造成CT飽和。

3.3 保護用CT變比對繼電保護的影響

當選擇的保護CT匝數(shù)很小時，二次匝數(shù)必定不多。如要同時兼顧額定準確極限電流的倍數(shù)不降低，即具有一定的抗飽和能力和帶負載能力，則必須要求硅鋼片具有良好的導(dǎo)磁性能，而且需要增加鐵芯截面。因而，考慮到保護CT生產(chǎn)過程中的技術(shù)性能和經(jīng)濟指標，應(yīng)盡量選擇較大變比的保護CT，特別低壓饋線保護CT不宜選用100/5及以下的變比，除非實際一次短路電流特別小。

當變壓器發(fā)生區(qū)外近端故障時，將產(chǎn)生很大的穿越電流，使CT一次電流超過其實際準確限值電流倍數(shù)，鐵芯在一次電流過零點前后時刻達到飽和狀態(tài)。在一次電流上升或下降階段，由于鐵芯飽和，磁通不再發(fā)生變化，二次感應(yīng)電動勢為零。而在一次電流過零點前后時刻，磁通急劇變化，使CT二次感應(yīng)出短暫的電動勢，形成時間間隔很長的尖頂波，如圖7所示。尖頂波在一周期內(nèi)的有效值很小，因而在回路電抗上產(chǎn)生的電流很微弱。如果接入差動保護兩側(cè)的CT產(chǎn)生不同程度的飽和，則會形成差流，在滿足制動電流的條件下促使差動保護誤動。

圖7 CT飽和時二次感應(yīng)電動勢

根據(jù)國標Q／GDW175-2013《變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設(shè)計規(guī)范》要求，對于330 kV及以上電壓等級變壓器，包括公共繞組CT和低壓側(cè)三角內(nèi)部套管（繞組）CT在內(nèi)的全部保護用CT均應(yīng)采用TPY型CT。而該事故現(xiàn)場由于使用P級CT，從而導(dǎo)致差動保護裝置誤動事故。

4 結(jié) 論

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴張和電壓等級的不斷提升，系統(tǒng)短路電流的數(shù)值也在不斷攀升，因此對CT的要求越來越高，P級CT難以滿足高電壓等級系統(tǒng)的要求。本文排查分析一次差動保護誤動事故的原因，確定事故起源，最后分析P級CT的飽和原因以及對保護電流的影響，結(jié)合國標規(guī)范，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，建議330 kV及以上電壓等級變壓器使用TPY型的CT。