微機型變壓器差動保護動作原因分析與對策

本文通過對一起微機型變壓器差動保護誤動作的原因分析，揭示了變壓器的暫態飽和對差動保護的影響。提出了利用制動電流的二次諧波比進行閉鎖的新方法，該方法可提高微機型變壓器差動保護的可靠性。
　　關鍵詞：差動保護; 暫態飽和

Analysis and solving action reason of the microprocessor based transformer differential protection?

LI De-jia

( Nuclear Power QINSHAN Join Venture CO.,LTD Zhejiang Haiyan,China 314300)

　　Abstract: This paper via once to the microprocessor based transformer differential the reason the to analyze, announce the transformer transient saturation influence to differential protection. Putting forward the new method that exploiting the second harmonic current ratio to lock protection mistake action, the method can increase the differential protection dependable.
　　Key words: differential protection transient saturation


一、 引言
　　差動保護廣泛作為發電機、電動機、變壓器、母線等電氣主設備內部短路故障的主保護。從動作原理上講是最好的。在外部故障的選擇性決定于CT對短路電流的正確變換和差動繼電器的優良性能。歷年主保護動作統計表明差動保護正確動作率偏低。主要原因:①、維護及運行不良。②、CT暫態誤差的影響。變壓器差動保護不僅有電路問題，還存在磁路問題。由于大型變壓器的磁路正常運行于微飽和工況下。所以，變壓器在帶非線性負載，如空充負載變壓器時就會發生暫態飽和，勵磁電流增大，導致差動保護的不平衡電流過大而誤動。舉例如下：
　　①、 二灘電廠從首臺機發電運行到現在，廠高變差動保護誤動過三次，每次動作都是在廠高變的下級廠用電切換時動作，動作后檢查一次設備無故障，保護裝置和回路沒問題。
　　結論：是由于廠高變CT配置不合理，多次切換廠用電引起誤動作。
　　現階段的解決辦法：提高廠高變差動保護定值。
　　②、 秦山二期輔助變差動保護在調試的一年時間內誤動過五次，每次都是在電鍋爐變空充時發生誤動作。帶大容量電動機及其它工況下，保護裝置運行良好。動作后檢查一次設備無故障，保護裝置及回路良好，保護裝置帶負荷檢查差電流也很小。
　　當時的結論：CT飽和及定值不合理。
　　現階段的解決方法：提高輔助變差動保護定值和采用三取二循環閉鎖。
　　下面通過分析秦山二期輔助變差動保護錄波圖，來說明變壓器暫態飽和對差動保護的影響，并探討解決該問題的方法和對策。

二、 保護動作原因分析
1、 設備情況簡介：
　　①、設備用途
　　 輔助變壓器作為核電廠的廠外第二路電源，在第一路電源故障且孤島運行不成功的條件下，將由慢切換裝置使廠用中壓電源倒至由輔助變壓器供電。這路電源同時帶有電鍋爐負荷。
　　②、設備參數
　　 輔助變壓器：額定容量31500KVA；電壓比220KV/6KV；接線組別Y0/Y；220KV側電流互感器參數：625/5， 5P20， 40VA， 50HZ，6KV側電流互感器參數：3000/5， 5P20， 25VA， 50HZ。
　　 電鍋爐變壓器：額定容量26000 KVA；電壓比6.3KV/13.8KV；接線組別d/Y0；
　　③、繼電保護配置及整定值
　　 保護配置采用完全雙重化，既從直流控制電源、跳閘線圈、電流互感器、保護類型等均實現了獨立。保護配置采用的是許繼廠生產的WBH-100型微機保護。差動保護配置為帶有二次諧波制動的比率式差動保護。
　　 整定值：差動最小動作電流為35%×(變壓器220KV側額定電流),Icd,min.op=35%×0.66=0.23A；二次諧波制動系數為20%；最小制動電流為變壓器220KV側額定電流 Izd=0.66A；斜率S為0.5.
　　④、一次主接線及差動保護接線方式
　　如圖2所示。

2、保護動作情況簡介
　　2001年8月26日在電鍋爐變調試過程中，當合3DL空充電鍋爐變時，輔助變差動保護動作，跳開變壓器兩側開關（1DL、2DL）。
　　現場檢查情況如下：
　　1) 輔助變差動保護動作信號燈點亮。
　　2) 電鍋爐變保護均未動作。
　　3) 發變組故障錄波器啟動，但一次系統無故障。
3、保護動作原因初步分析：

　　1）、錄波圖初步分析：從微機保護錄波圖的初步分析，發現如下情況：
　　①、輔助變差動保護誤動是由于電鍋爐變空充產生的勵磁涌流導致的，而對于輔助變這種情況下流過的電流為穿越性負荷電流，此情況下動作是不正確的。
　　②、在涌流的前3個周波，輔助變兩側電流在數值及相位關系均正確。但過了3個周波后輔助變兩側電流在數值及相位關系均發生了變化。變化規律為輔助變低壓側（6KV側）相對于高壓側（220KV側）電流減小了。
　　③、保護誤動時間為空充電鍋爐變0.3秒之后。
　　2）、從錄波圖選取4個特征點進行詳細分析如下：
　　從輔助變微機保護錄波圖（圖2）選取特征點為:
　　第1特征點：空充電鍋爐變前；第2特征點：空充電鍋爐變產生的勵磁涌流第一個波峰點；第3特征點：電流波形突變點；第4特征點：跳閘時刻。
　　錄波分析軟件分析的數據如表1：

　　通過計算所得數據如表2：

　　通過表2分析可見：當差動電流大于最小啟動電流時（微機型差動保護只有當差動電流大于最小啟動電流時，才進行二次諧波制動判斷。），差動電流中基波分量遞減；二次諧波分量與基波分量的比例遞減；五次諧波與基波比例遞增。制動電流中基波分量遞減，二次諧波分量與基波分量的比例遞增。
　　3） 、實際準確限值系數（ALF）的計算:
　　高壓側、低壓側CT至輔助變保護屏距離相同，兩側CT二次負擔是匹配的。
　　實測參數：CT二次負擔的各相最大值為0.5歐姆（包括：繼電器和電纜的阻抗），CT內阻Rin=0.1歐姆。由于國內保護廠家尚無差動保護所用CT的使用要求。因此，下面計算是采用ABB公司《SPAD346C差動保護用CT的使用建議》的要求進行的。
　　Fa=Fn×(Sin+Sn)/(Sin+Sa) （1）?
式中：Fa －實際負荷下CT準確限值系數；Fn－額定負荷下CT準確限值系數；Sin－CT內部負荷； Sa －實際負荷；Sn－額定負荷。
　　要求：Fa>40 （2）
　　這主要是考慮到區外故障切除后CT會產生剩磁，在重合于故障時，防止差動保護誤動作。
　　高壓側CT實際的準確限值系數：∵Sin＝5×5×0.1；Sn＝40；Sa＝5×5×0.5；Fn＝20；∴Fa=56.67。低壓側CT實際的準確限值系數：∵Sin＝5×5×0.1；Sn＝25；Sa＝5×5×0.5；Fn＝20；∴Fa=43.33。
　　高、低壓側CT均滿足要求。
　　4） 、通過上述分析和計算，筆者認為變壓器的暫態飽和是引起輔助變差動保護誤動的一個重要原因。據有關資料介紹，變壓器穩態飽和勵磁電流最大可達額定電流的50％左右。從表2可見，變壓器暫態飽和勵磁電流最大已達到額定電流的146％。如不采取新的措施，僅靠提高差動保護定值的方法是不可行的。通過提高差動保護定值的方法，不僅降低了變壓器匝間短路時保護的靈敏度，而且將失去比例制動式差動保護能保護變壓器匝間短路的優點，這是不可取得。

三、 采取的對策探討：
　　變壓器的穩態飽和是由于電源電壓過高、頻率過低引起的，用五次諧波制動的方法來處理是完全可行的。從表2可見，跳閘時刻的五次諧波比例很小，不到基波電流的10％。因此，變壓器的暫態飽和用五次諧波制動的方法是不可行的。差動電流的基波和二次諧波比都在衰減，利用差動電流中二次諧波比制動的方法也不能避免這種情況下的誤動作。筆者提出利用制動電流中的二次諧波比來制動的方法，能解決微機型差動保護在變壓器暫態飽和時的誤動作。即當差動電流與制動電流均大于差動最小動作電流時，進行二次諧波比制動的判別。
　　對于微機型變壓器保護，由于其具有強大的數值處理能力，故在二次諧波制動比計算方法的選擇上具有較大的靈活性，目前常用的有以下幾種方法：
　　①、諧波比最大相制動：
　
　　即利用滿足差動動作條件的差流中二次諧波與基波比的最大值來制動。

　　②、 按相制動：
　
　　即利用差流中最大相的二次諧波與基波比值來制動。
　　③、 綜合相制動：
　
　　即利用三相差流中二次諧波的最大值與基波的最大值之比來制動。
　　④、 筆者提出的方法，制動電流的諧波比最大相制動：
　
　　即利用滿足差動動作條件的制動電流中二次諧波與基波比的最大值來制動。
　　制動電流的選取有以下三種方式：
　
式中：Ih1，Il1－變壓器高、低壓側基波電流 ;Ih2，Il2－變壓器高、低壓側二次諧波電流。
　　下面列表對上述四種方法二次諧波比進行比較（僅比較第4特征點）

　　從表3分析可得如下結論：
　　1、方法④實際是利用負載變壓器勵磁涌流中的二次諧波來進行制動的，因此二次諧波比比較高。
　　2、應采用單相制動三相的制動方式。方法④在被保護變壓器空充及區內故障時的影響與方法①相同。采用該閉鎖方式只能提高微機型變壓器差動保護的可靠性，而且能更好的發揮比例制動式差動保護能保護變壓器匝間短路的優點。

四、 結論
　　本文通過一起微機型變壓器差動保護誤動原因的分析，揭示了大型變壓器暫態飽和對差動保護的影響。這也是比例式變壓器差動保護誤動頻繁的一個重要原因。并提出了解決該問題的新辦法。望繼電保護專家與變壓器專家共同研究大型變壓器暫態飽和的特點及現象，這對提高變壓器差動保護的正確動作率大有好處。