引風機差動保護誤動作事件分析

駢建清，王夏洋

(晉能控股山西電力股份有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

某電廠1 號機組引風機型號為YXKS710-6W，額定功率3 700 kW，額定電壓6 kV，額定電流427 A；引風機電機中性點和開關本體處電流互感器變比為500/5，容量為30 VA，準確等級為5P20；中性點和開關本體處電流互感器二次導線線徑均為2.5 mm2，中性點互感器二次電纜導線為單股銅線；差動保護和保護測控裝置均安裝在開關本體處，額定電流均為5 A，電機中性點電流互感器距離保護裝置約500 m。

2019 年7 月，引風機所在母線某間隔發生相間短路故障，故障電流約21 kA，在故障切除后引風機電機自啟動過程中，引風機差動保護因電機中性點電流互感器額定輸出不足，二次電流波形畸變造成差動保護誤動作。下面具體分析造成此次差動保護誤動作的原因。

1 原因分析

1.1 故障波形分析

從引風機差動保護跳閘錄波圖可以看出，引風機機端和中性點二次電流波形在電機自啟動期間均有不同程度畸變，中性點側畸變尤為明顯。查閱引風機電流互感器伏安特性試驗報告(見表1)，發現中性點電流互感器伏安特性拐點電壓低于開關本體處電流互感器。鑒于中性點兩相電流波形均發生了畸變，進一步查閱了引風機以往啟動電流波形，發現每次啟動中性點電流波形均存在畸變現象，且相別不同。

表1 機端和中性點電流互感器伏安特性

在穩態對稱短路電流(無非周期分量)下，影響互感器飽和的主要因素是短路電流幅值和二次回路(包括互感器二次繞組)阻抗、電流互感器的工頻勵磁阻抗、電流互感器的匝數比和剩磁等。考慮到本次事件發生在電動機啟動和自啟動期間，啟動電流最大值為5 kA，遠未超過互感器的準確限值一次電流值。因此，判斷中性點電流波形畸變是由于二次回路負荷超標所致。為進一步查清問題的原因，從設計規范和現場試驗兩個方面對波形畸變的現象進行了分析。

1.2 中性點電流互感器二次回路負載分析

根據《DL/T 866—2015 電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》[1]第10.2 條款“P 級及PR級電流互感器穩態性能計算”，電流互感器二次回路導線負荷阻抗(忽略電抗)R=L/(γ·A)，式中L為電纜長度，m；γ為電導系數，m/(Ω·mm2)，銅取57；A為導線截面積，mm2。引風機電機至開關柜距離約500 m，二次電纜截面為2.5 mm2，由此可以算出導線的實際二次負荷為3.5 Ω。互感器允許的額定二次負荷Z=S/I2，由此可以算出其允許額定負荷約為1.2 Ω，實際二次負荷值遠大于互感器額定負荷值。

為進一步驗證計算結果，機組檢修時對引風機中性點電流互感器及其二次回路進行了試驗。通過實測得出，準確限值系數下中性點電流互感器二次允許負載阻抗為1.33 Ω，中性點電流互感器至保護裝置的二次回路實際負載阻抗為3.18 Ω，在未計及互感器自有負荷的情況下，回路的實測負載已遠大于允許負載阻抗，這也印證了計算結果。

由此可以看出，設備設計選型不合理，致使中性點電流互感器二次回路負載遠大于允許負載，是中性點二次電流波形畸變、差動保護誤動作的主要原因。

2 解決思路

解決電流互感器帶載能力不足的方法主要有增大二次電纜截面積；串接備用電流互感器，使允許負載增大1 倍；改用伏安特性較高的二次繞組；提高電流互感器變比。下面對以上幾種解決方案的可行性進行分析。

2.1 增大二次電纜截面積

根據電流互感器二次負荷計算公式R=L/(γ·A)，要使二次負載由3.18 Ω 降至1.3 Ω 以下，導線的截面積至少應為6 mm2。考慮到電纜及其敷設成本、安裝接線可靠性等因素，該方案不作為首選方案。

2.2 串接備用二次繞組

一方面，中性點電流互感器原設計有兩個二次繞組，且參數完全一致，兩個二次繞組串接后互感器的允許負載可以提高至2.66 Ω，仍然無法滿足實際負載要求。另一方面，考慮到兩個二次繞組串聯后，與開關本體側電流互感器的伏安特性將存在差異性，不同程度會對差動保護產生影響。因此，鑒于這個原因，二次繞組串接同時提高電纜截面積的方案也不作為首選方案。

2.3 更換電流互感器

同時更換機端和中性點的電流互感器，選用伏安特性參數高、變比大的電流互感器可以解決互感器額定輸出不足的問題，也可以避免兩側互感器勵磁特性不一致對差動保護的影響。同時，由于二次電纜不需用更換，節省了電纜和電纜敷設的經濟成本和安全成本，是解決該問題的首選方案。

3 方案實施及效果

3.1 設備選型

按照DL/T 866—2015《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》，綜合考慮保護裝置對動作可靠性、電流互感器帶載能力等方面的要求，差動保護選用如下參數的電流互感器：型號LZZBJ9-10K2，變比600/1，額定輸出為15 VA，準確等級為5P20，短時熱電流為63 kA，1 s，動穩定電流為130 kA。

對新選型的互感器進行了交接試驗，試驗結果如下：二次繞組電阻4.74 Ω，伏安特性拐點電壓327.3 V，在20 倍額定電流下，允許阻抗為17.17 Ω 時的復合誤差為5.02 %。由此可以看出，新互感器拐點電壓是原互感器的近3 倍、允許負荷遠大于二次回路負荷。同時，互感器的動、熱穩定電流也遠大于6 kV 系統最大運行方式下的故障電流值。因此，新互感器安裝后可以解決差動保護誤動作的問題。

互感器選型改造的同時更換了差動保護裝置，保護裝置額定電流由5 A 變為1 A。由于互感器測量繞組和綜合保護繞組仍沿用了原有的參數，因此保護測控裝置不做變更。

3.2 運行效果

互感器更換后，錄取了引風機電機空載和負載啟動狀態時的波形圖，再未出現波形畸變的現象，消除了該問題。

4 意見和建議

按照DL/T 866—2015《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》第8.2 條款“參數選擇”要求，新建電氣設備的電流互感器，二次額定電流宜使用1 A，以便提高互感器變比，提高互感器的帶載能力；鑒于機組容量不斷增大，系統短路電流增大，當互感器準確限值系數無法滿足系統短路電流時，宜按照保護裝置最大動作電流整定值的2 倍選取準確限值系數，保證保護裝置的選擇性。同時，為防止二次回路負荷超標對互感器產生影響，應采用計算或實測二次回路負荷的方式，選取互感器的額定容量。

5 結束語

發電廠電氣設備在投產后，由于工藝流程的變化，電氣設備會歷經多次技術改造。在技術改造過程中，應始終堅持審慎的原則，嚴格對照各類標準規范，對設備的設計選型、施工驗收進行把關，確保各類技術改造的合規性，防范因技改派生的問題或隱患。