陳啟萍，柳海波，陸 健

（烏江渡發(fā)電廠,貴州 遵義 563104）

220 kV線路重合閘中變壓器差動保護動作的原因分析

陳啟萍，柳海波，陸 健

（烏江渡發(fā)電廠,貴州 遵義 563104）

通過對一起220 kV線路重合閘過程中變壓器差動保護動作的原因分析，揭示出在非周期分量作用下TA(電流互感器)暫態(tài)飽和對變壓器差動保護的影響，并針對該變壓器差動保護動作情況提出了解決方法和防范措施。

非周期分量；暫態(tài)飽和；差動保護；重合閘

烏江渡發(fā)電廠位于貴州省遵義縣烏江鎮(zhèn)境內(nèi)，是貴州省主力調(diào)峰調(diào)頻廠，烏江老廠0號變壓器采用PST-1202型數(shù)字式變壓器保護，其中A套采用諧波制動原理，B套采用波形對稱原理。

1 故障概況

2009年07月14日16時03分，烏江老廠220kV江陽Ⅰ回205線路B相發(fā)生近區(qū)永久性接地故障，在205線路開關(guān)重合于故障時，0號變壓器A套差動保護動作出口，跳0號變壓器高壓側(cè)200開關(guān)及中壓側(cè)100開關(guān)，當(dāng)時系統(tǒng)運行方式見圖1。

保護動作信息：

0號變壓器A套差動保護：0 ms后備保護啟動，1 144 ms差動保護啟動，1 171 ms差動保護出口跳0號主變，A相差流5.5 A，制動電流7.4 A，B相差流5.4 A，制動電流6.9 A，C相差流0.2 A，制動電流0.6 A。

0號變壓器B套差動保護：0 ms后備保護啟動，1 144 ms差動保護啟動。

保護動作及開關(guān)跳閘時序如圖2：

從205線路B相第一次故障及重合過程中0號變壓器錄波圖（圖3a）可以看出，0號變壓器高壓側(cè)Ib和中壓側(cè)Ib相位一致，0號變壓器流過的電流為穿越性故障電流，但在205線路重合過程中高壓側(cè)電流波形有畸變（圖3b）。

圖3 205線路故障0號變高、中壓側(cè)B相電流波形

2 變壓器差動保護動作原因分析

0號變壓器B套差動保護采用波形對稱原理，當(dāng)高壓側(cè)電流波形畸變、產(chǎn)生較大差電流時，該保護判斷電流波形不對稱，閉鎖差動保護，因此B套差動保護僅啟動而未出口。

0號變壓器A套差動保護采用諧波制動原理，差動保護動作條件為：（差流-差流啟動值）＞比例制動系數(shù)×（制動電流-拐點電流），整定值為差流啟動值1.07 A，拐點電流3.5 A，比例制動系數(shù)0.5，二次諧波制動系數(shù)整定為0.2。當(dāng)205線路第一次故障時0號變壓器高壓側(cè)及中壓側(cè)后備保護均啟動，0號變保護檢測到高壓側(cè)和中壓側(cè)B相電流均為正弦波，且為幅值相同相位相反的穿越性電流，三相差電流均接近0，0號變壓器200開關(guān)一次電流有效值約1 842 A，其中直流分量約占總電流的21.1%。從B相電壓錄波圖可以看出，短路初相角為63.7°，經(jīng)理論計算，一次電流中非周期分量占穩(wěn)態(tài)分量幅值的44%。當(dāng)205開關(guān)重合過程中，0號變壓器200開關(guān)一次電流有效值約2 582 A，其中直流分量約占總電流的51.7%，直流分量所占比例很大，合閘角很小，短路初相角為31.6°，一次電流中非周期分量將達穩(wěn)態(tài)電流幅值的85.2%，電流波形大部偏移，使0號變壓器高壓側(cè)電流互感器產(chǎn)生了嚴(yán)重的暫態(tài)飽和，從而引起二次側(cè)的電流波形發(fā)生畸變，變壓器差動保護A套檢測到較大差流，其中A相差流5.5 A，制動電流7.4 A，B相差流5.4 A，制動電流6.9 A，C相差流及制動電流都接近0，而二次諧波含量A相為18.9%，B相為15.2%，均小于20%。A、B相滿足差動保護動作條件，保護動作跳開變壓器兩側(cè)開關(guān)。

一次系統(tǒng)非周期直流分量對電流互感器的特性影響以及二次波形畸變對變壓器保護的影響：

2.1 非周期分量產(chǎn)生的機理

一次系統(tǒng)發(fā)生故障時，設(shè)一次系統(tǒng)空載，短路阻抗角φ=90°，則一次系統(tǒng)可用RL等值電路描述[1]。故障電流i(t)=iL(t)，一次時間常數(shù)τ=L/R，U（t）=sin (wt+θ)，為電源電動勢。

對上圖等值電路列方程有：

利用任意激勵下一階電路的三要素法解方程[2]，得流過互感器的歸算到二次側(cè)的一次電流為：

其中Ipm=Um/Z為歸算至二次側(cè)的一次側(cè)穩(wěn)態(tài)短路電流幅值，τ1為一次系統(tǒng)時間常數(shù)，對大型發(fā)電機變壓器支路通常為80～100 ms。θ為短路初相角。顯然一次電流中按指數(shù)衰減的非周期分量是導(dǎo)致暫態(tài)變化的原因，θ越接近0，非周期分量越大；τ1越大，非周期分量的衰減越慢。短路發(fā)生瞬間，θ=0即電壓過零點時，一次系統(tǒng)出現(xiàn)最大的非周期直流分量，一次短路電流全偏移。

本次故障中，205線路第一次故障時其故障初發(fā)角較大（63.7°），最大非周期分量約為穩(wěn)態(tài)電流幅值的44%；而重合于故障時故障初發(fā)角較?。?1.6°），其最大非周期分量約為穩(wěn)態(tài)電流幅值的85.2%，且因為一次系統(tǒng)時間常數(shù)較大、衰減較慢，對TA暫態(tài)特性造成了嚴(yán)重影響。由以上分析可知：一次系統(tǒng)產(chǎn)生的非周期直流分量與故障初發(fā)角θ相關(guān)。θ越接近0，即越接近電壓過零點，非周期分量越大；τ1越大，非周期分量的衰減越慢。

2.2 非周期分量對TA暫態(tài)特性的影響

電流互感器的暫態(tài)特性是指一次系統(tǒng)短路時，其一、二次側(cè)電流及勵磁電流、鐵芯磁密和暫態(tài)誤差的變化特性。

作如下假設(shè)：

(1)不計電流互感器鐵芯飽和，在短路暫態(tài)過程中電流互感器工作在磁化曲線的直線部分，勵磁支路的勵磁電感Le為常數(shù)。

(2)不計電流互感器鐵損，勵磁支路中的勵磁電阻為零，鐵芯合成磁通正比于勵磁電流ie.

電流互感器的等值電路如圖5：

根據(jù)等值電路，不計電流互感器二次繞組的漏抗和鐵芯損失，當(dāng)二次負載為純電阻時，在一次電流作用下有：

式中Le為勵磁電感，Rb為二次總電阻。可解得：

式中τ2為二次側(cè)時間常數(shù)。根據(jù)0號變高壓側(cè)TA伏安特性測試曲線可估算二次側(cè)時間常數(shù)τ2=1.18 s，因此arctan(шτ2)接近90°，勵磁電流ie很小。

當(dāng)傳變非周期電流（ ，τ1為一次側(cè)時間常數(shù)）時，代入式(3)解得：

將τ1=0.1，τ2=1.18，t=0.02，Im=2 580×1.414/120=30.4代入由（3）式得=0.281 5 A，既使不計穩(wěn)態(tài)量引起的勵磁電流，已超過0號變高壓側(cè)TA拐點值0.236 A進入飽和區(qū)，而進入飽和區(qū)后，TA勵磁電抗大幅下降，二次時間常數(shù)減小，將使勵磁電流ie進一步增大，進入深度飽和區(qū)。由以上計算可知，電流互感器傳變非周期分量時所需的勵磁電流幅值遠大于傳變周期分量電流時所需的勵磁電流幅值，這是引起鐵芯飽和的主要部分。當(dāng)非周期分量為正時，勵磁電流也為正，當(dāng)非周期分量為負時，決定了所產(chǎn)生的勵磁電流為負。因此，短路電流所含非周期直流電流決定了電流互感器的飽和方向，從而影響其飽和時間。

電流互感器一次電流、二次電流和鐵芯磁通密度的關(guān)系如圖6所示，（a）為無非周期分量時；（b）為非周期分量為周期分量100%時。

圖6 電流互感器一次電流與磁密及二次電流的關(guān)系[3]

由該圖可以看出：1）一次電流僅取決于系統(tǒng)狀況，與互感器的剩磁和飽和程度無關(guān)；2）磁通密度與一次電流的幅值和所含直流分量有關(guān)，二次電流則取決于磁通密度剩磁和飽和程度，剩磁與非周期分量方向一致時，TA將加速進入飽和區(qū)，產(chǎn)生很大的暫態(tài)勵磁電流。所以，二次電流不僅與一次電流，而且與鐵芯特性有關(guān)。

經(jīng)以上分析可以看出，重合于故障時由于故障初發(fā)角較小，一次系統(tǒng)故障電流中含有很大的非周期直流分量，造成了0號變壓器高壓側(cè)TA暫態(tài)飽和，使其二次電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，其波形（見圖3b）具有明顯的飽和特征。

綜上分析：在205線路重合于近區(qū)B相永久性故障時，因非周期直流分量較大，0號變壓器高壓側(cè)TA運行時間長，使0號變高壓側(cè)故障電流在傳變過程中波形畸變引起差流，且電流中二次諧波分量未達到整定閉鎖值，從而造成A套差動保護跳閘。

3 采取的措施及建議

（1）差動保護的可靠性與啟動電流、拐點電流、斜率有關(guān)，同時也與二次設(shè)備的電氣性能有很大關(guān)系，保護的安全性并非只與保護裝置的性能有關(guān)，它是一個一次和二次部分的系統(tǒng)工程，如果TA的暫態(tài)傳變特性與一致性都很好，就不存在TA飽和造成的差動保護誤動的問題，為提高TA的傳變特性，減小TA暫態(tài)飽和對二次電流波形引起的畸變，將0號變高壓側(cè)保護用 TA變比由 600/5改為 1 200/5；

同時烏江老廠0號主變高壓側(cè)GIS設(shè)備運行30余年，TA繞組配置不足，只有4組，TA回路串聯(lián)負載較多，TA額定容量為50 VA，對應(yīng)二次負荷電阻為2 Ω，實際測試二次負載阻抗為2.7Ω左右，二次負載阻抗略為偏大，建議GIS改造時更換TA，選擇具有抗飽和能力的TPY型TA，TA二次負載應(yīng)留有足夠的余度。

（2）為保證主變帶負荷重合時，主變?nèi)嗖顒与娏髦械亩沃C波分量能達到二次諧波制動系數(shù)的要求，有效的閉鎖差動保護不誤動，在二次諧波制動系數(shù)0.15～0.2中將0號變差動保護定值整定低值0.15；

4 結(jié)論

本文針對一起220 kV線路故障跳閘后在重合閘過程中引起變壓器差動保護動作的情況，通過對非周期分量產(chǎn)生機理及其對TA暫態(tài)特性的影響進行了定性分析和理論推導(dǎo)，揭示出在非周期分量作用下TA可能出現(xiàn)暫態(tài)飽和，從而導(dǎo)致故障電流在傳變過程中出現(xiàn)波形畸變引起變壓器差動保護動作。為了避免變壓器差動保護電流互感器在區(qū)外故障時因非周期分量影響出現(xiàn)飽和而導(dǎo)致差動保護誤動作，除了在設(shè)備選型上要確保選用容量足夠的保護級電流互感器外，盡可能減小二次負載的阻抗，還應(yīng)采用具有抗飽和能力的TPY型電流互感器，并將二次諧波制動系數(shù)整定低值。

[1]邱關(guān)源.電路[M].第四版.北京：高等教育出版社，1999.

[2]劉偉,潘偉,黃守鵬,等.任意激勵下一階電路的三要素法[A].西南交通大學(xué)，2006-2007.

[3]白忠敏.電力用互感器和電能計量裝置設(shè)計選型與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2004.

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TM774

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1672-5387（2010）04-0020-03

2010-05-18

陳啟萍（1982-），女，工程師，工學(xué)學(xué)士，從事繼電保護檢修管理工作。