一起主變及電抗器差動速斷保護(hù)誤動事故的分析

毛愛民

(張家港保稅區(qū)長源熱電有限公司，江蘇 蘇州 215634)

微機(jī)差動保護(hù)作為電力變壓器等設(shè)備的主保護(hù)，通常動作時間小于25 ms。為加快在區(qū)內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重故障時保護(hù)的動作速度，同時為避免因電流互感器鐵芯飽和出現(xiàn)大量高次諧波可能誤將比率制動原理的差動保護(hù)閉瑣，因而設(shè)置了差動速斷保護(hù)作為差動保護(hù)的輔助保護(hù)，一般動作時間不大于15 ms[1]。差動速斷保護(hù)是差動電流過電流瞬時速動保護(hù)，反應(yīng)區(qū)內(nèi)嚴(yán)重故障時動作，區(qū)外故障不動作。但實際生產(chǎn)中，時常出現(xiàn)區(qū)外故障時差動速斷保護(hù)誤動作，擴(kuò)大了故障范圍，給用戶安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。本文結(jié)合一起10 kV電動機(jī)短路故障造成上級電抗器和主變跳閘的實際案例，分析差動速斷保護(hù)誤動原因，并提出改進(jìn)意見。

1 故障概況

1.1 運行方式

某發(fā)電企業(yè)2臺30 MW汽輪發(fā)電機(jī)，額定機(jī)端電壓為10.5 kV，分別通過2臺主變升壓至110 kV，110 kV母線采用單母線分段方式接入電網(wǎng)。10 kV廠用系統(tǒng)共分4段，其中，從1號發(fā)電機(jī)出口支接一路廠用分支，經(jīng)過1號電抗器(并聯(lián)1號大容量高速開關(guān))作為10 kV一、二段母線工作電源；從2號發(fā)電機(jī)出口支接一路廠用分支，經(jīng)過2號電抗器(并聯(lián)2號大容量高速開關(guān))作為10 kV三、四段母線工作電源。10 kV一、二、三、四段母線備用電源均取自10 kV備用段母線，通過備自投裝置實現(xiàn)自動切換。10 kV一段母線接有1、2號給水泵，10 kV二、三、四段母線分別接3、4、5號給水泵。電氣主接線見圖1。故障前2臺汽輪發(fā)電機(jī)組運行，2、3、4號給水泵運行。

圖1 電氣主接線示意圖

1.2 故障過程

某日10:07，4號給水泵開關(guān)跳閘，10 kV三段工作進(jìn)線開關(guān)103、10 kV四段工作進(jìn)線開關(guān)104跳閘，2號電抗器上側(cè)開關(guān)112A跳閘，2號發(fā)電機(jī)開關(guān)112跳閘，2號主變高側(cè)開關(guān)1102跳閘；10 kV四段備自投動作成功，10 kV四段備用電源開關(guān)114合閘；2號大容量高速開關(guān)動作告警。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，故障為4號給水泵電動機(jī)引出線三相短路。

1.3 繼電保護(hù)動作情況

經(jīng)檢查，確認(rèn)4號給水泵電流速斷保護(hù)動作，2號電抗器差動速斷保護(hù)動作，2號主變差動速斷保護(hù)動作。主要繼電保護(hù)動作情況見表1。

表1 繼電保護(hù)動作情況

2 故障分析

2.1 大容量高速開關(guān)動作情況

大容量高速開關(guān)原理接線見圖2，實物見圖3。高速開關(guān)動作過程：正常運行時，電流幾乎全部流過高速隔離器QSB(橋體)，發(fā)生短路故障時，暫態(tài)電流互感器TA將實時檢測的電流信號送到控制器WK，WK通過分析處理，故障電流達(dá)到整定值時，發(fā)出點火信號使橋體在50 μm內(nèi)斷開，短路電流隨即轉(zhuǎn)移至特種熔斷器FU，F(xiàn)U在0.5 ms內(nèi)熔斷，短路電流轉(zhuǎn)移至電抗器，同時在限壓器RV兩端建立弧壓，將過電壓限制在允許范圍內(nèi)。從短路開始，開斷截流時間為5 ms。

圖2 高速開關(guān)接線原理圖

圖3 大容量高速開關(guān)實物圖

2號大容量高速開關(guān)與2號電抗器并聯(lián)，正常運行時，電抗器僅流過微小的負(fù)載電流，因而可以減少損耗；下側(cè)發(fā)生短路故障時，大容量高速開關(guān)快速熔斷，通過電抗器限制故障電流。該高速開關(guān)整定值為17 kA，經(jīng)檢查，2號大容量高速開關(guān)有動作告警，控制器WK發(fā)出了點火指令，而橋體QSB并未斷開，因而2號電抗器并未起到限制短路電流的作用，巨大的短路電流經(jīng)大容量高速開關(guān)流過(故障電流通過2號電抗器兩側(cè)差動TA)，并穿越2號主變。

2.2 故障錄波分析

保護(hù)TA安裝位置見圖4。通過裝置自帶故障錄波功能查看故障波形，2號主變低后備故障電流見圖5，2號電抗器差動兩側(cè)分支故障電流波形分別見圖6和圖7。

圖4 TA安裝位置示意圖

圖5 2號主變低后備故障電流波形

圖6 2號電抗器差動Ⅰ側(cè)分支電流波形

圖7 2號電抗器差動Ⅱ側(cè)分支電流波形

分析以上故障錄波電流波形如下。

a.2號主變低側(cè)后備保護(hù)故障電流波形正常，基本為正弦波形；而電抗器兩側(cè)差動電流波形均發(fā)生較嚴(yán)重畸變和波形丟失，這是短路電流中非周期分量導(dǎo)致TA鐵芯嚴(yán)重飽和的典型現(xiàn)象。

b.短路故障發(fā)生后，非周期分量電流經(jīng)過2～3個周波衰減，TA逐漸恢復(fù)正常電流傳變，電流波形趨于正常。

c.通過2號主變低側(cè)電流波形數(shù)據(jù)估算通過2號主變的故障電流(取偏移時間軸最小的B相電流)為

再加上近端的2號發(fā)電機(jī)提供的故障電流，實際通過2號電抗器差動TA的短路電流將更大。

2.3 TA負(fù)載阻抗校驗

2號主變采用三側(cè)差動保護(hù)，分別取主變高側(cè)、發(fā)電機(jī)側(cè)和廠用分支側(cè)電流，保護(hù)裝置安裝于升壓站保護(hù)間，距離主變高側(cè)TA距離較近；而其他兩側(cè)差動TA(均為AS12，3000/5，10P20，30 VA)安裝位置距離保護(hù)裝置較遠(yuǎn)。根據(jù)阻抗公式[2]:

式中：Z為電流互感器允許的負(fù)載阻抗，Ω；S為電流互感器容量，VA；I為電流互感器的二次額定電流，A。

計算出2號主變發(fā)電機(jī)側(cè)和廠用分支側(cè)的差動TA允許負(fù)載阻抗為1.2 Ω。實測TA負(fù)載交流阻抗見表2，可見差動保護(hù)廠用分支側(cè)的TA負(fù)載阻抗已接近TA允許最大負(fù)載阻抗，基本無裕量。

表2 主變差動TA阻抗試驗結(jié)果

2號電抗器采用雙側(cè)差動，下側(cè)2個分支電流并聯(lián)作為II側(cè)電流接入保護(hù)裝置。上下兩側(cè)TA均為AS12，1000/5，10P20，30 VA，計算TA允許負(fù)載阻抗為1.2 Ω。實測負(fù)載交流阻抗見表3(下側(cè)為10 kV三段側(cè)TA)。可見下側(cè)TA負(fù)載阻抗已達(dá)到TA允許最大負(fù)載阻抗。值得注意的是，根據(jù)以上公式計算的TA允許負(fù)載阻抗，僅保證穩(wěn)態(tài)情況下的10%誤差，并不保證暫態(tài)誤差。

表3 電抗器差動TA阻抗試驗結(jié)果

2.4 互感器傳變分析

通過ETAP建立仿真模型[3]，并采用實際電氣參數(shù)，計算出10 kV電動機(jī)三相短路故障時流過2號電抗器差動TA的短路電流為37.067 kA；流過2號主變的短路電流為19.672 kA。由故障錄波數(shù)據(jù)計算流過2號主變B相短路電流為17.904 kA(最大C相為19.567 kA)，錄波與仿真計算結(jié)果基本吻合。

結(jié)合電抗器差動TA的10%誤差曲線(見圖8)，取短路電流35 kA估算，此時允許二次負(fù)荷約為12 VA，折算阻抗為0.48 Ω。而根據(jù)TA負(fù)載阻抗校驗結(jié)果，交流負(fù)載阻抗分別達(dá)到1.0 Ω和1.2 Ω(見表3)。電流互感器實際負(fù)載阻抗超過保證10%誤差的允許負(fù)載阻抗2倍以上，這是故障波形畸變的主要原因。

圖8 電抗器差動TA10%誤差曲線

2.5 保護(hù)動作過程及原因分析

結(jié)合前述分析及現(xiàn)場排查情況，2號電抗器和2號主變差動速斷保護(hù)動作過程為10 kV電動機(jī)(4號給水泵電機(jī))發(fā)生三相短路故障后，電流速斷保護(hù)動作，70 ms內(nèi)切斷故障(綜保整組動作時間小于35 ms，真空斷路器分閘時間25～35 ms)；同時，2號大容量高速開關(guān)檢測到故障，控制器發(fā)出信號驅(qū)動高速隔離器熔斷(正常開斷截流時間5 ms內(nèi))，但實際高速隔離器并未熔斷；故障電流經(jīng)2號電抗器差動TA，并穿越2號主變，因TA深度飽和，出現(xiàn)差流引起2號電抗器差動速斷保護(hù)動作(動作差流23.03 A，整定差流20 A)，跳2號電抗器上側(cè)開關(guān)112 A、10 kV三段工作進(jìn)線開關(guān)103和10 kV四段工作進(jìn)線開關(guān)104；2號主變差動速斷保護(hù)動作(動作差流23.56 A，整定差流19.74 A)，跳2號主變高壓側(cè)開關(guān)1102、2號發(fā)電機(jī)開關(guān)112、2號電抗器上側(cè)開關(guān)112 A。

對2號電抗器和2號主變差動保護(hù)而言，4號給水泵電動機(jī)三相短路屬區(qū)外故障，差動速斷保護(hù)本不應(yīng)動作。2號大容量高速開關(guān)動作后未正常熔斷橋體，致使2號電抗器未起到限制短路電流的作用，巨大的短路電流致使2號電抗器差動上下側(cè)TA及2號主變差動廠用分支側(cè)TA深度飽和，這是造成2號電抗器和2號主變差動速斷保護(hù)動作的根本原因。

3 解決方案

3.1 拆除大容量高速開關(guān)

大容量高速開關(guān)雖然能夠減少正常運行時的電能損耗，但是，如果其不能正確可靠動作，短路電流將超出設(shè)計預(yù)期，擴(kuò)大故障范圍，甚至可能造成設(shè)備損壞。采用爆炸橋式的大容量高速開關(guān)，其火工系統(tǒng)可靠性有待提高，需要定期停運設(shè)備更換瞬發(fā)電子管，也給現(xiàn)場運行帶來不便。文獻(xiàn)[4]對基于電磁斥力機(jī)構(gòu)的高速真空斷路器和基于改進(jìn)型永磁操作機(jī)構(gòu)的快速真空斷路器從原理、技術(shù)參數(shù)和性能等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，對基于快速真空斷路器的深度限流裝置進(jìn)行了風(fēng)險評價分析并持謹(jǐn)慎態(tài)度。針對該型大容量高速開關(guān)在該發(fā)電企業(yè)的運行情況(除發(fā)生不止一次拒動情況外，也曾發(fā)生充電時誤動作情況)，考慮到即使采用快速真空斷路器依然存在較大風(fēng)險，建議采取如下解決方案：拆除該型大容量高速開關(guān)，將1000 A鋁芯電抗器更換為1500 A銅芯電抗器，短路阻抗的選擇要保證短路電流滿足現(xiàn)有10 kV真空斷路器開斷能力為25 kA的要求。

3.2 更換電抗器差動TA二次電纜

根據(jù)差動TA負(fù)載阻抗校驗結(jié)果，當(dāng)控制短路水平到25 kA以下時，文獻(xiàn)[5]推薦應(yīng)根據(jù)所用保護(hù)裝置的特性和可能引起的后果等因素，慎重確定互感器暫態(tài)影響的對策，必要時應(yīng)選擇能適應(yīng)暫態(tài)要求的TP類電流互感器。而文獻(xiàn)[6]在其條文說明中明確，110 kV及以下系統(tǒng)和小機(jī)組因回路時間常數(shù)較小，選擇滿足穩(wěn)態(tài)要求的P類電流互感器即可。實際工程中，對采用繼電器的差動保護(hù)TA，考慮可靠系數(shù)1.3～2.0，對微機(jī)差動保護(hù)TA，也應(yīng)留有一定裕量[2]。如果考慮更換滿足暫態(tài)特性的TP型電流互感器，必須將各側(cè)TA均更換為TP型，以保證“同型”；如果僅更換單側(cè)，將增加不平衡電流，更易造成保護(hù)誤動[7]。結(jié)合現(xiàn)場情況，建議將截面積為4 mm2的TA二次電纜更換為6 mm2電纜，以減小負(fù)載阻抗。下面核算二次電纜更換后是否滿足要求，根據(jù)計算公式[8]：

式中：Rl為導(dǎo)線電阻，Ω；L為電纜長度，m；A為銅導(dǎo)線截面，mm2；γ為電導(dǎo)系數(shù)，銅取57，m/(Ω·mm2)。

實際電纜長度約250 m，計算6 mm2導(dǎo)線電阻為0.73 Ω。全星型電流互感器接線方式下，發(fā)生三相或兩相短路時的阻抗換算系數(shù)為1，考慮接觸電阻取0.1 Ω，忽略綜保裝置差動繼電器阻抗，則TA負(fù)載阻抗為0.83 Ω,滿足要求并有裕量。

4 結(jié)語

差動速斷保護(hù)作為差動保護(hù)的輔助，為快速切除區(qū)內(nèi)嚴(yán)重故障提供了保障。電流互感器鐵芯飽和致使傳變電流波形發(fā)生畸變是保護(hù)誤動的常見原因。為了防止區(qū)外故障時差動速斷保護(hù)誤動作，必須可靠地將短路電流限制在設(shè)計水平以下；優(yōu)先選用帶小氣隙的TPY型電流互感器；校核互感器容量及二次負(fù)載阻抗?jié)M足誤差曲線要求；對于互感器和保護(hù)裝置安裝距離較遠(yuǎn)的情況，優(yōu)先考慮次級額定電流為1 A的互感器。如果過流倍數(shù)不大，也可選用保證穩(wěn)態(tài)特性的P級電流互感器(5P20)，但應(yīng)根據(jù)短路電流水平并考慮足夠的可靠系數(shù)來確定其容量大小。