邱立偉，李嘉敏，汪運(yùn)律，吳玉鵬，魏彥勛

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

外部故障切除后主變分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的分析

邱立偉，李嘉敏，汪運(yùn)律，吳玉鵬，魏彥勛

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

針對某核電廠外部故障切除后發(fā)生主變分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的事件，分析了CT局部暫態(tài)飽和的物理特征及對差動(dòng)保護(hù)的影響，提出了防止主變分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)對策，并通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了“時(shí)差法+虛擬制動(dòng)”抗CT飽和判據(jù)及其他組合措施可有效防止分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

外部故障切除；分側(cè)差動(dòng)保護(hù)； 誤動(dòng)

0 引言

近年來，曾發(fā)生多起變壓器差動(dòng)保護(hù)在區(qū)外故障切除時(shí)誤動(dòng)的事件。某核電廠在迎峰度夏期間，某500kV出線線路單相瞬時(shí)接地重合閘過程中發(fā)生主變分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，造成2號機(jī)停機(jī)停堆事故。檢查一、二次設(shè)備均未發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，分析引起保護(hù)誤動(dòng)的原因是：在500kV線路單相接地故障切除過程中分側(cè)差動(dòng)保護(hù)開關(guān)站側(cè)CT出現(xiàn)波形畸變，中性點(diǎn)側(cè)CT響應(yīng)正常，差動(dòng)電流滿足分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作門檻，從而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。

本文對該核電廠外部故障切除過程中分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出一些防止主變壓器分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的對策，并通過實(shí)時(shí)數(shù)字仿真裝置(RTDS)驗(yàn)證了防范措施的有效性。

1 CT局部暫態(tài)飽和對差動(dòng)保護(hù)的影響

通常，差動(dòng)保護(hù)采用的電流互感器為保護(hù)級(P級)，其誤差只考慮一次電流為穩(wěn)態(tài)電流，不考慮暫態(tài)過程中非周期分量的影響。因此，P級電流互感器在暫態(tài)過程中不能保證誤差要求；但在實(shí)際應(yīng)用中，故障發(fā)生的暫態(tài)過程正是需要保護(hù)裝置準(zhǔn)確響應(yīng)的時(shí)段。在變壓器外部故障過程中，工頻短路電流和暫態(tài)非周分量會造成CT積累剩磁較大，故障切除恢復(fù)成負(fù)荷電流后CT將仍工作在飽和點(diǎn)附件的局部磁滯回環(huán)中。雖然負(fù)荷電流中反向電流有去磁作用，但仍難以使CT完全退出飽和，只能使CT在飽和點(diǎn)附近做小范圍的波動(dòng)(見圖1)，導(dǎo)致CT二次傳變電流有一定的相位偏移。而外部故障切除后保護(hù)裝置的制動(dòng)電流很小，幾乎處于無制動(dòng)區(qū)，差動(dòng)保護(hù)異常靈敏，此時(shí)如果一側(cè)CT二次電流有相位偏移而另一側(cè)CT能正確傳變，則由于兩側(cè)CT傳變特性不一致所產(chǎn)生的很小差動(dòng)電流就可能引起保護(hù)誤動(dòng)。

圖1 CT在各種工況下勵(lì)磁特性的工作區(qū)域

2 外部故障切除后分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)分析

2008-07-11T16:31，某開關(guān)站某出線線路發(fā)生C相單相接地故障，45 ms后線路主保護(hù)動(dòng)作將故障切除，52 ms后該核電廠2號機(jī)主變分側(cè)差動(dòng)保護(hù)B相誤動(dòng)，2號機(jī)停機(jī)停堆。該核電廠2號機(jī)送出電氣接線如圖2所示。事發(fā)后，變壓器、充油電纜等一次設(shè)備均未發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，二次回路及保護(hù)裝置也未發(fā)現(xiàn)絕緣損壞或保護(hù)元器件損壞，判定一次設(shè)備正常，保護(hù)誤動(dòng)是因?yàn)镃T傳變有畸變。從故障錄波圖(見圖3)可以看出，開關(guān)站側(cè)B相CT發(fā)生較大相移，導(dǎo)致分側(cè)差動(dòng)保護(hù)存在差流，差流超過保護(hù)動(dòng)作門檻，分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。需要說明的是，這種CT局部暫態(tài)飽和產(chǎn)生的相位差并不一定在外部故障切除過程中才出現(xiàn)，在其他情況下也有可能發(fā)生，如CT長期在非周期分量的作用下工作點(diǎn)逐步進(jìn)入飽和區(qū)域，兩側(cè)出現(xiàn)的差動(dòng)電流主要也表現(xiàn)為相位差。分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的根本原因是由于CT局部暫態(tài)飽和引起的相位偏移。

圖2 2號機(jī)送出電氣接線示意

圖3 故障錄波示意

3 防止分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的措施

分側(cè)差動(dòng)保護(hù)作為主變高壓側(cè)繞組內(nèi)部單相接地故障和相間故障的主保護(hù)，也是主變差動(dòng)保護(hù)對接地故障靈敏度不滿足時(shí)的補(bǔ)充，能提高主變高壓繞組中性點(diǎn)附近接地故障時(shí)的保護(hù)動(dòng)作靈敏度。該保護(hù)原理類似發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)，理論上不受變壓器勵(lì)磁涌流的影響，可靠性較高，但實(shí)際運(yùn)行情況卻比發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)復(fù)雜。在主變空載合閘勵(lì)磁涌流、區(qū)外故障切除電壓恢復(fù)過程中，勵(lì)磁涌流對不同的電流互感器造成的影響并不相同，這是產(chǎn)生CT二次暫態(tài)不一致的根源，因而調(diào)整定值不能采用與發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)相同的方法。此外，分側(cè)差動(dòng)保護(hù)GIS側(cè)的CT一般隨GIS廠自帶，而變壓器側(cè)的CT則由變壓器廠提供，兩側(cè)CT的容量、等級等特性都不盡一致，特別是采用P級互感器的兩側(cè)CT在故障暫態(tài)過程中反映一次側(cè)電流的能力有所不同，可能引起保護(hù)誤動(dòng)。因此，應(yīng)將大容量變壓器保護(hù)用CT改為TPY級，但對部分一次設(shè)備改造確實(shí)存在困難的，應(yīng)在兩側(cè)CT容量、等級、勵(lì)磁特性盡量改成一致的基礎(chǔ)上為保護(hù)裝置增加CT抗飽和判據(jù)。該核電廠采用許繼電氣公司時(shí)差法與自適應(yīng)虛擬制動(dòng)法配合的抗CT飽和判據(jù)措施，并配合保護(hù)整定值優(yōu)化、改造CT等措施，解決了分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的問題。

3.1 優(yōu)化調(diào)整定值

按整定計(jì)算導(dǎo)則，分側(cè)差動(dòng)保護(hù)比率制動(dòng)系數(shù)S一般可取0.2-0.3，該核電廠分側(cè)差動(dòng)保護(hù)改造前取值略高，為0.35。改造時(shí)，由于分側(cè)差動(dòng)保護(hù)所用CT為P級，且兩側(cè)CT的容量、等級不一致，在暫態(tài)條件下曾發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)，現(xiàn)將制動(dòng)系數(shù)S適當(dāng)提高，取0.5。

分側(cè)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)軌跡如圖4所示。其中，點(diǎn)劃線為改造前的制動(dòng)曲線，其上部為動(dòng)作區(qū)，下部為制動(dòng)區(qū)，制動(dòng)電流Ires(標(biāo)幺值，下同)取0.7，動(dòng)作電流Iop(標(biāo)幺值，下同)取0.25，制動(dòng)系數(shù)S取0.35；虛線為改造后的制動(dòng)曲線，Ires仍取0.7，Iop取0.35，S取0.5；細(xì)實(shí)線為保護(hù)動(dòng)作曲線。由此可見，即使優(yōu)化了定值，縮小了保護(hù)動(dòng)作區(qū)，保護(hù)動(dòng)作曲線仍可能落在上部動(dòng)作區(qū)，無法有效避免保護(hù)誤動(dòng)，因此單一調(diào)整定值無法解決此問題。

3.2 更換匹配性更好的電流互感器

分側(cè)差動(dòng)保護(hù)用的電流互感器差異較大，GIS側(cè)采用1 250/1，15 VA，5P25的電流互感器，而主變中性點(diǎn)側(cè)采用1 250/1，25VA，5P30的電流互感器。而且GIS側(cè)互感器為日本三菱產(chǎn)品，主變中性點(diǎn)側(cè)互感器為保定變壓器廠采購的國內(nèi)產(chǎn)品，兩側(cè)電流互感器勵(lì)磁特性差異也較大。該核電廠3，4號機(jī)參考GIS側(cè)CT的容量、等級及勵(lì)磁曲線定做了CT，對主變中性點(diǎn)側(cè)CT進(jìn)行了替換，在一定程度上改善了分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的可靠性。該核電廠1，2號機(jī)受主變檢修時(shí)機(jī)的限制，主變中性點(diǎn)CT還未列入改造計(jì)劃。

圖4 分側(cè)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)軌跡

3.3 抗CT飽和新判據(jù)

該核電廠于1999年投產(chǎn)500kV GIS，以目前技術(shù)手段無法將GIS的CT改造為TPY級。在這種情況下，考慮從保護(hù)角度引入抗飽和判據(jù)，提高保護(hù)動(dòng)作的正確性。國內(nèi)外針對電流互感器飽和問題提出多種識別方法，如時(shí)差法、異步法、差分法、諧波比法、小波法、虛擬制動(dòng)等。該核電廠3，4號機(jī)及改造后的1，2號機(jī)發(fā)變組保護(hù)均采用許繼電氣公司的WFB-800A分側(cè)差動(dòng)保護(hù)，利用“時(shí)差法+虛擬制動(dòng)”抗CT飽和判據(jù)，解決了CT飽和引起的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)問題。

3.3.1 時(shí)差法判據(jù)

在差動(dòng)保護(hù)滿足動(dòng)作條件后首先進(jìn)行該判別，采用后推1個(gè)采樣周期(以1周波采樣24點(diǎn)為例)的方法確定故障起始點(diǎn)，判別方程如下：

式中：ik為第k個(gè)采樣點(diǎn)的電流；Ie為額定電流。

如果連續(xù)有3個(gè)采樣點(diǎn)滿足此方程，確定此時(shí)故障開始。從故障起始點(diǎn)開始，3個(gè)采樣點(diǎn)中至少有2個(gè)采樣點(diǎn)滿足以下方程：

式中：id為差動(dòng)電流；if為制動(dòng)電流。

該方程認(rèn)為差流和制動(dòng)電流同時(shí)出現(xiàn)，判為區(qū)內(nèi)故障，則保護(hù)取消飽和判據(jù)；否則判為區(qū)外故障(CT飽和需要時(shí)間，在故障發(fā)生瞬間CT保持線性傳變特性，理論上差流為零)，保護(hù)自動(dòng)投入飽和判據(jù)。

3.3.2 虛擬制動(dòng)判據(jù)

利用差動(dòng)電流信息，虛擬1個(gè)制動(dòng)電流idmax(虛擬差動(dòng)電流)，該值為1個(gè)采樣周期內(nèi)最大采樣點(diǎn)值，然后統(tǒng)計(jì)1個(gè)周波內(nèi)｜id｜＞0.2×｜idmax｜的點(diǎn)數(shù)N，如果N>M(M為設(shè)定的定值)則開放差動(dòng)保護(hù)，否則閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

4 動(dòng)模仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新型保護(hù)裝置對于CT不同程度、不同時(shí)刻飽和時(shí)對分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的影響，2011年5月利用國家繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心實(shí)時(shí)數(shù)字仿真裝置，對變壓器各種故障配合CT飽和進(jìn)行仿真試驗(yàn)(試驗(yàn)系統(tǒng)見圖5)。分別對區(qū)外故障、區(qū)內(nèi)故障、區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)、系統(tǒng)振蕩及振蕩中故障、匝間短路、空投試驗(yàn)、手合故障等進(jìn)行仿真，分側(cè)差動(dòng)保護(hù)均可以正確動(dòng)作。針對該核電廠分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的故障波形進(jìn)行回放，新型保護(hù)裝置也能夠正確響應(yīng)。

圖5 變壓器故障仿真試驗(yàn)系統(tǒng)示意

最后通過動(dòng)模試驗(yàn)對該核電廠主變高壓側(cè)單相接地故障時(shí)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)與主變差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性進(jìn)行對比分析，在最小運(yùn)行方式、最大運(yùn)行方式、孤島運(yùn)行方式、主變倒送運(yùn)行方式下，分側(cè)差動(dòng)保護(hù)均比主變差動(dòng)保護(hù)靈敏度高(見圖6)。對于主變高壓側(cè)繞組在接近中性點(diǎn)處發(fā)生金屬性接地故障，主變差動(dòng)保護(hù)存在保護(hù)死區(qū)，而分側(cè)差動(dòng)保護(hù)無死區(qū)。對于高壓繞組經(jīng)高阻接地故障分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的靈敏度高于縱差保護(hù)，分側(cè)差動(dòng)保護(hù)對于發(fā)現(xiàn)高壓繞組輕微故障或初期故障檢測具有優(yōu)勢。分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的功能不能由主變差動(dòng)保護(hù)替代，故仍需要投運(yùn)分側(cè)差動(dòng)保護(hù)。

圖6 主變差動(dòng)與分側(cè)差動(dòng)保護(hù)反映高壓繞組故障的靈敏度對比

5 結(jié)束語

本文結(jié)合具體案例分析了變壓器外部故障切除后主變分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的機(jī)理，提出利用優(yōu)化定值、改造電流互感器及采用抗CT飽和措施的新判據(jù)來防止分側(cè)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的方案。通過仿真實(shí)驗(yàn)，證明該方案不僅能保證分側(cè)差動(dòng)保護(hù)在內(nèi)部故障時(shí)靈敏動(dòng)作，也可以保證外部故障時(shí)可靠不誤動(dòng)。

變壓器外部故障切除后產(chǎn)生的電壓恢復(fù)性涌流可能使CT傳變特性發(fā)生變化，造成波形畸變和偏移增大，從而導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。保護(hù)正確動(dòng)作并非只與保護(hù)裝置本身的性能有關(guān)，還與一次、二次設(shè)備全局系統(tǒng)工作有關(guān)，應(yīng)引起電氣相關(guān)專業(yè)人員的注意。

1 林湘寧．復(fù)雜電磁暫態(tài)下變壓器差動(dòng)保護(hù)異常動(dòng)作行為分析與對策[J]．電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(3)：32-42.

2 周云波，曹 良．一起主變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)事故及防止對策[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(12)：71-74.

3 彭 鵬，梁 衛(wèi)，殷 琮，等．線路故障重合時(shí)對變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響分析[J]．華電技術(shù)，2010，32(5)：47-54.

4 袁宇波，陸于平，許 揚(yáng)，等．切除外部故障時(shí)電流互感器局部暫態(tài)飽和對變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響及對策[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(10)：12-17.

5 畢大強(qiáng)，馮存亮，葛寶明，等．電流互感器局部暫態(tài)飽和識別的研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(31)：84-90.

6 高春如．大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定計(jì)算與運(yùn)行技術(shù)(第二版)[M]．中國電力出版社，2010.

7 楊恢宏，謝百煌，畢大強(qiáng)，等．基于虛擬制動(dòng)電流采樣點(diǎn)差動(dòng)的CT飽和識別方法[J]．繼電器，2006，34(13)：50-53.

2015-04-23；修改日期：2015-06-28。

邱立偉(1983-)，男，工程師，主要從事繼電保護(hù)維護(hù)和管理工作，email：qiulw@cnnp.com.cn。

李嘉敏(1980-)，男，高級工程師，主要從事電氣管理工作。

汪運(yùn)律(1984-)，男，工程師，主要從事電氣技術(shù)管理工作。

吳玉鵬(1985-)，男，工程師，主要從事電氣維修工作。

魏彥勛(1986-)，男，助理工程師，主要從事電氣維修工作。