劉志仁，殷　志，鮑有理

（國(guó)網(wǎng)無(wú)錫供電公司，江蘇無(wú)錫214061）

故障分析

一起主變后備保護(hù)拒動(dòng)事故分析及改進(jìn)措施

劉志仁，殷志，鮑有理

（國(guó)網(wǎng)無(wú)錫供電公司，江蘇無(wú)錫214061）

針對(duì)一起變壓器后備保護(hù)越級(jí)跳閘事件，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作信息、故障錄波數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)整定值，分析了事故發(fā)生的原因，即線路保護(hù)損壞以及母線電壓過(guò)高造成主變低后備保護(hù)復(fù)壓閉鎖拒動(dòng)最終導(dǎo)致主變高后備保護(hù)越級(jí)跳閘。為預(yù)防此類(lèi)事故，提出了修改現(xiàn)有主變后備保護(hù)邏輯，新增基于時(shí)間的低電壓元件的改進(jìn)措施，并給出了基于時(shí)間的低電壓元件的建議動(dòng)作方程。

主變保護(hù)；保護(hù)拒動(dòng)；復(fù)壓閉鎖；基于時(shí)間的低電壓元件

為了提高主變后備過(guò)流保護(hù)靈敏度，防止變壓器過(guò)載時(shí)引起保護(hù)裝置誤動(dòng)，通常變電站主變各側(cè)均配置經(jīng)復(fù)合電壓閉鎖的過(guò)電流保護(hù)［1-3］，由復(fù)合電壓元件、過(guò)電流元件以及時(shí)間元件構(gòu)成，作為被保護(hù)設(shè)備及相鄰設(shè)備相間短路故障的后備保護(hù)。復(fù)合電壓元件包含低電壓元件以及負(fù)序電壓元件。對(duì)于電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)故障，可以由低電壓元件或者負(fù)序電壓元件開(kāi)放；對(duì)于電網(wǎng)三相短路對(duì)稱(chēng)故障，只能由低電壓元件開(kāi)放。文中結(jié)合一起事故分析，說(shuō)明在電網(wǎng)經(jīng)高阻三相接地對(duì)稱(chēng)故障下，由于變電站母線電壓較高，可能不滿(mǎn)足低電壓元件動(dòng)作條件導(dǎo)致主變后備保護(hù)閉鎖，無(wú)法切除故障，最終造成故障范圍擴(kuò)大，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。

1　事故過(guò)程

某110 kV變電站2臺(tái)主變各自帶10 kV兩段母線分列運(yùn)行，10 kV分段120開(kāi)關(guān)為分位，運(yùn)行方式如圖1所示。

圖1　變電站事故前運(yùn)行方式

2016年某日，該110 kV變電站10 kV系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)發(fā)出單相接地信號(hào)，選線裝置選線結(jié)果為134線路接地，隨后2號(hào)主變低后備乙開(kāi)關(guān)（103開(kāi)關(guān)）保護(hù)啟動(dòng)，2號(hào)主變高后備保護(hù)啟動(dòng)，約1.8 s后，2號(hào)主變高后備保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)2號(hào)主變兩側(cè)開(kāi)關(guān)。

運(yùn)維人員至現(xiàn)場(chǎng)后檢查保護(hù)裝置，發(fā)現(xiàn)所有線路保護(hù)、2號(hào)主變低后備保護(hù)動(dòng)作燈均未點(diǎn)亮，2號(hào)主變高后備保護(hù)動(dòng)作燈亮。檢查結(jié)果表明，134線開(kāi)關(guān)柜外觀、電流互感器診斷性試驗(yàn)、開(kāi)關(guān)柜診斷性試驗(yàn)、開(kāi)關(guān)分合試驗(yàn)、低電壓動(dòng)作特性試驗(yàn)、機(jī)械特性試驗(yàn)、電流互感器二次回路試驗(yàn)均未發(fā)生異常；134線保護(hù)裝置采樣板損壞，經(jīng)更換采樣板后保護(hù)裝置134線各項(xiàng)功能及帶開(kāi)關(guān)整組試驗(yàn)均恢復(fù)正常。

2號(hào)主變高、低后備定值如表1所示。依據(jù)定值設(shè)置，若2號(hào)主變低壓側(cè)發(fā)生故障，則故障后0.9 s低后備保護(hù)過(guò)流I段動(dòng)作，跳開(kāi)低壓側(cè)分段120開(kāi)關(guān)；若故障未切除，則故障后1.2 s低后備過(guò)流保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作，跳開(kāi)2號(hào)主變次總102、103開(kāi)關(guān)；若故障仍未切除，則故障后1.8 s2號(hào)主變高后備過(guò)流保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作，跳開(kāi)主變各側(cè)開(kāi)關(guān)。其中2號(hào)主變低后備保護(hù)為經(jīng)復(fù)壓元件閉鎖的過(guò)流保護(hù)，由于2號(hào)主變高壓側(cè)沒(méi)有電壓互感器，高后備保護(hù)為純過(guò)流保護(hù)，不經(jīng)復(fù)壓元件閉鎖。

表1　2號(hào)主變高低后備保護(hù)定值

根據(jù)檢查情況確認(rèn)，由于134線發(fā)生故障，線路保護(hù)裝置損壞導(dǎo)致2號(hào)主變?cè)郊?jí)跳閘。依據(jù)定值設(shè)置在線路保護(hù)拒動(dòng)下應(yīng)該由2號(hào)主變低后備保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)2號(hào)主變低壓側(cè)103開(kāi)關(guān)，但現(xiàn)場(chǎng)2號(hào)主變低后備保護(hù)未動(dòng)作，而直接由2號(hào)主變高后備保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)2號(hào)主變兩側(cè)開(kāi)關(guān)，需要進(jìn)一步調(diào)查分析。

現(xiàn)場(chǎng)決定通過(guò)分段120開(kāi)關(guān)對(duì)10 kVⅡ段母線恢復(fù)供電，將2號(hào)主變申請(qǐng)檢修后對(duì)相關(guān)二次設(shè)備及回路進(jìn)行檢查分析。

2　事故原因分析

2.1主變低后備保護(hù)動(dòng)作分析

此次故障點(diǎn)位于10 kV線路134，故障后2號(hào)主變低后備103保護(hù)正常啟動(dòng)，由于134線路保護(hù)采樣板損壞導(dǎo)致線路保護(hù)拒動(dòng)，2號(hào)主變低后備103保護(hù)應(yīng)動(dòng)作跳開(kāi)2號(hào)主變低壓側(cè)103開(kāi)關(guān)，但事實(shí)上2號(hào)主變低后備103保護(hù)始終處于啟動(dòng)狀態(tài)，并未動(dòng)作。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)閱2號(hào)主變低后備103保護(hù)故障錄波，如圖2所示。從錄波圖中可以看出，故障在3個(gè)周波后發(fā)展為三相故障，負(fù)序電壓消失，主變低后備保護(hù)復(fù)壓閉鎖中的負(fù)序電壓判據(jù)不滿(mǎn)足。另外由于故障電流較小，僅為主變額定值的2.2倍左右，導(dǎo)致正序電壓下降有限，正序電壓最小值在76 V左右，不滿(mǎn)足主變低后備保護(hù)復(fù)壓閉鎖中的低電壓判據(jù)（定值為60 V），因此主變低后備103保護(hù)的復(fù)壓閉鎖元件未能開(kāi)放保護(hù)，導(dǎo)致2號(hào)主變低后備103保護(hù)啟動(dòng)后未能動(dòng)作跳閘。

圖2　2號(hào)主變低后備103保護(hù)故障錄波圖

2.2主變高后備保護(hù)動(dòng)作分析

2號(hào)主變低后備103保護(hù)拒動(dòng)后，最終由2號(hào)主變高后備保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)主變各側(cè)開(kāi)關(guān)切除故障。該站主變高壓側(cè)無(wú)電壓互感器，因此現(xiàn)場(chǎng)將2號(hào)主變低壓側(cè)電壓接入主變高后備保護(hù)，同時(shí)停用2號(hào)主變高后備復(fù)壓閉鎖功能，將過(guò)流保護(hù)定值適當(dāng)調(diào)高。2號(hào)主變高后備保護(hù)錄波圖如圖3所示，從錄波圖可以看出，故障電流為5.25A，1.84 s后2號(hào)主變高后備保護(hù)動(dòng)作。

圖3　2號(hào)主變高后備保護(hù)故障錄波圖

若2號(hào)主變高壓側(cè)配置電壓互感器，其電壓接入2號(hào)主變高后備保護(hù)，同時(shí)保護(hù)啟用復(fù)壓閉鎖功能。該次故障下2號(hào)主變低壓側(cè)二次電壓最低值為76V，由于主變較大阻抗的存在，2號(hào)主變高壓側(cè)二次電壓必定高于76V，按照主變后備保護(hù)低電壓定值60～70V整定［4］，2號(hào)主變高后備、低后備保護(hù)均會(huì)拒動(dòng)，最終導(dǎo)致故障無(wú)法切除，嚴(yán)重影響電網(wǎng)及設(shè)備安全。

3　改進(jìn)措施

為解決當(dāng)主變中、低壓側(cè)母線及相鄰設(shè)備發(fā)生經(jīng)高阻三相對(duì)稱(chēng)短路故障，母線電壓殘壓較高，造成主變各側(cè)后備保護(hù)拒動(dòng)的問(wèn)題，文中不更改主變保護(hù)裝置硬件，通過(guò)修改裝置程序邏輯達(dá)到防止主變后備保護(hù)拒動(dòng)的目的。主變后備保護(hù)在保留原有保護(hù)邏輯功能的基礎(chǔ)上新增一段基于時(shí)間的復(fù)壓閉鎖過(guò)電流保護(hù)，該電流保護(hù)經(jīng)基于時(shí)間的低電壓判據(jù)閉鎖，即當(dāng)被保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障，保護(hù)采集電流顯著增大造成過(guò)流元件動(dòng)作后，需要滿(mǎn)足基于時(shí)間的低電壓判據(jù)方可動(dòng)作切除故障。其中對(duì)于基于時(shí)間的低電壓元件，其動(dòng)作方程應(yīng)滿(mǎn)足以下要求。

（1）設(shè)置一個(gè)電壓定值UFXzd及一個(gè)時(shí)間定值tFX1，其中tFX1為基于時(shí)間的復(fù)壓過(guò)流保護(hù)起始動(dòng)作時(shí)間，其整定值應(yīng)躲開(kāi)各類(lèi)涌流造成的電壓暫降，可與后備保護(hù)最末段復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間相一致；UFXzd為tFX1時(shí)刻的最大動(dòng)作電壓，低于此電壓即可開(kāi)放復(fù)壓閉鎖。

（2）設(shè)置一個(gè)時(shí)間定值tFX2，為基于時(shí)間的復(fù)壓過(guò)流保護(hù)最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間，可以按照一次設(shè)備最大故障耐受時(shí)間取值，此時(shí)刻的最大動(dòng)作電壓UFX為：

式中：KFX為可靠系數(shù)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際取0.9～0.95，Umin為系統(tǒng)最低運(yùn)行電壓。

（3）基于時(shí)間的低電壓繼電器的最大動(dòng)作電壓隨著時(shí)間變化逐漸升高，呈現(xiàn)基于時(shí)間變化的特性。基于時(shí)間的低電壓繼電器的動(dòng)作特性如4圖所示。

圖4　基于時(shí)間的低電壓元件動(dòng)作特性圖

新增基于時(shí)間的低電壓元件后主變復(fù)合電壓閉鎖過(guò)電流保護(hù)邏輯如圖5所示。從圖中可以看出，在保留復(fù)壓過(guò)流保護(hù)原有邏輯的基礎(chǔ)上新增一段基于時(shí)間的復(fù)壓過(guò)流保護(hù)，方向正確指的是保護(hù)裝置判別故障方向?yàn)檎ㄕ较?，滿(mǎn)足基于時(shí)間的低電壓判據(jù)指的是滿(mǎn)足基于時(shí)間的低電壓元件的動(dòng)作方程要求。

圖5　修改后的主變復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)邏輯

對(duì)于基于時(shí)間的低電壓元件，其動(dòng)作電壓取所在母線相間電壓，隨故障時(shí)間t呈基于時(shí)間變化的特性，動(dòng)作特性需與如圖4所示相一致。

建議選取自然指數(shù)形式方程作為低電壓元件的動(dòng)作方程，在tFX1時(shí)刻動(dòng)作電壓應(yīng)為UFXzd，在tFX2時(shí)刻動(dòng)作電壓為UFX，由此可以推導(dǎo)得出動(dòng)作方程如下：

式中：Uφφ為相間電壓，公式內(nèi)變量含義如上文所述。該動(dòng)作方程的動(dòng)作特性與上文及圖4所述相一致，呈現(xiàn)基于時(shí)間變化的特性。

對(duì)于文中所述案例，2號(hào)主變低后備保護(hù)，可以按照式（2）選取電壓動(dòng)作方程，其中Umin取90 V，KFX取0.95，UFXzd按2號(hào)主變低后備保護(hù)低電壓整定值取60 V，tFX1按2號(hào)主變低后備保護(hù)跳低壓側(cè)開(kāi)關(guān)時(shí)限取1.2 s，tFX2按主變最長(zhǎng)抗短路電流時(shí)間取2 s，則有：

該故障發(fā)生后2號(hào)主變低后備103保護(hù)二次電壓為76 V，若采用式（3）基于時(shí)間的低電壓元件，則1.4 s后2號(hào)主變低后備103保護(hù)可以滿(mǎn)足基于時(shí)間的低電壓判據(jù)，開(kāi)放保護(hù)跳開(kāi)2號(hào)主變103開(kāi)關(guān)，解決了故障后母線殘壓過(guò)高造成后備保護(hù)拒動(dòng)的問(wèn)題。

4　結(jié)束語(yǔ)

在電網(wǎng)發(fā)生三相經(jīng)高阻接地故障下，由于變電站母線電壓三相對(duì)稱(chēng)且殘壓較高，可能因復(fù)壓元件閉鎖造成主變后備保護(hù)拒動(dòng)，最終造成事故持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，事故范圍擴(kuò)大，文中所述主變高后備保護(hù)越級(jí)跳閘正是由于以上原因造成。為解決上述問(wèn)題，提出一種解決方案，在不更改主變保護(hù)裝置硬件的前提下，僅通過(guò)修改裝置程序邏輯，新增一段基于時(shí)間的復(fù)壓過(guò)流保護(hù)，既可以躲開(kāi)各類(lèi)涌流造成的電壓暫降，又可以提高低電壓元件的動(dòng)作電壓，滿(mǎn)足三相故障下主變后備保護(hù)復(fù)壓閉鎖低電壓元件靈敏度的要求。

［1］江蘇省電力公司.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006：442-449.

［2］國(guó)家電力調(diào)度通信中心.國(guó)家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)教材［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009：522-528.

［3］劉滬平，陳恒祥，田輝，等.復(fù)壓閉鎖引起的變壓器后備保護(hù)死區(qū)分析［J］.江蘇電機(jī)工程，2010，29（6）：47-50.

［4］鄒圣權(quán)，張振，魏寶林.變壓器復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)整定探討［J］.湖北電力，2012，36（5）：30-31.

A M al-function Failure Analysis and Im provement of the Backup Protection of a Transformer

LIU Zhiren，YIN Zhi，BAO Youli
（State Grid Yancheng Power Supply Com pany，Wuxi214061，China）

Taking use of the equipment act information，fault record data and setting values of protection equipment，the reason for the override trip of the transformer's backup protection is found.The paper has described the accident process. Becauseof damaged line protection and extortionatebusvoltage，the compound voltage locking unitof the backup protection of themain transformer low voltage side refused to act，and the override trip of the backup protection of themain transformer high voltage side took place.In order to preventaccidents like this，improvements of the existingmain transformer backup protection were proposed，that is revising action logic and adding time-based low voltage unitwhose action equations had been given in the paper.

main transformer protection；mal-function of protection；compound voltage locking；time-based low voltage unit

TM 772

B

1009-0665（2016）05-0080-03

劉志仁（1984），男，江蘇無(wú)錫人，工程師，從事變電站二次技術(shù)工作；

殷志（1986），女，江蘇常州人，工程師，從事變電站運(yùn)維工作；

鮑有理（1966），男，安徽安慶人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)管理工作。

2016-04-12；

2016-06-15