王建成，張 濤，張建成，劉崇都，王 欣，吳軍軼

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

500 kV主變差動保護TA問題分析及改進

王建成，張 濤，張建成，劉崇都，王 欣，吳軍軼

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

差動保護“抗飽和”軟件抓住1/5周波內(nèi)TA（電流互感器）線性傳變完成程序鑒別，這對采用高漏磁TPY級TA的主變差動保護防誤動無疑上了一道“雙保險”。但500 kV重合閘擾動下的無剩磁限制5P25級TA很難提供出大于1/5周波的線性傳變，極易造成500 kV主變差動保護鑒別區(qū)內(nèi)外故障出錯而引發(fā)誤動。分析了秦山核電廠4臺主變差動保護所用20個5P級TA存在的問題，依據(jù)相關(guān)規(guī)范進行計算校核，優(yōu)化調(diào)整TA特征參數(shù)，拓寬瞬態(tài)下TA線性傳變時限，滿足“抗飽和”軟件鑒別區(qū)內(nèi)外故障的判別條件。

電流互感器；差動保護；越級誤動；額定二次極限電動勢；保護二次等效電動勢；暫態(tài)系數(shù)；比例制動特性

0 引言

GB/T 14285-2004《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》及DL/T 684-2012《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則》等規(guī)范均建議500 kV主變差動保護采用TPY級TA（電流互感器）。設(shè)計水平年相對靠前的電源工程均遵循了這一技術(shù)原則，設(shè)計水平年相對滯后的500 kV主變差動保護所用TA暫態(tài)特性則相對薄弱。從根本上講，任何差動保護的可靠性、選擇性都要依賴TA初始階段的線性傳變，因此，從根源上來拓寬區(qū)內(nèi)外瞬態(tài)下TA線性傳變區(qū)域是治本的方法。

1 問題的提出

1.1 5P級TA存在的問題

秦二廠4臺機組通過0.6 km的電纜接入開關(guān)站第1—4串，1—4號主變差動保護采用P級TA，秦三廠2臺機組通過3.5 km的500 kV線路接入開關(guān)站第5—6串，6條500 kV輸電線路光纖電流差動保護均采用TPY級TA[1]，如圖1所示。

圖1 秦山500 kV開關(guān)站差動保護所用TA組態(tài)

TPY級TA帶有高強度間隙絕緣層，控制剩磁能力不低于80%，遇到區(qū)外重合閘C-t1-O或C-t1-O-C-t2-O擾動，仍能保持線性傳變區(qū)域不少于40 ms，如圖2所示，這給差動保護“抗飽和”軟件鑒別并躲過區(qū)外故障創(chuàng)造了足夠的時間。2000年之后新建的500 kV開關(guān)站及變電站除了斷路器失靈保護之外，其它保護均基本配置TPY級TA，如圖1所示。

圖2 500 kV重合閘擾動下的TPY級TA暫態(tài)特性

5P25級TA穩(wěn)態(tài)運行時能夠滿足精度要求，由于鐵芯截面無間隙，控制剩磁能力小于等于20%，一旦遇區(qū)外500 kV重合閘C-t1-O擾動，5P級TA在4 ms內(nèi)快速飽和，給主變差動保護“抗飽和”軟件鑒別區(qū)外故障帶來很大難度，如圖3所示。如果高阻抗母差及短引線等保護采用5P級TA，由于動作時限不低于0.1 s，依賴“抗飽和”鑒別軟件是可以識別并躲過區(qū)外重合閘擾動的。但500 kV主變差動保護的速動性、靈敏性要比母差及短引線保護更快、更高，TA線性傳變低于4 ms將導(dǎo)致保護來不及有效識別并閉鎖保護出口[2]。而500 kV主變差動保護所用5P級TA是否必須更換為TPY級的關(guān)鍵，是要看現(xiàn)有TA是否還有拓寬線性傳變區(qū)域的空間。

1.2 采用5P級TA的風(fēng)險

2008年秦山核電500 kV開關(guān)站曾發(fā)生因第5串秦由5415線重合閘C-t1-O擾動，第5串內(nèi)TPY級TA組成的差動保護準(zhǔn)確鑒別出了這一區(qū)外故障未發(fā)生誤動。但鄰近第4串內(nèi)5P25級TA組成的2號主變分相差動保護未能正確識別出這一區(qū)外故障而發(fā)生越級誤動，導(dǎo)致快速停機跳堆?？梢姡谥睾祥l擾動下，采用5P級TA的主變差動保護存在誤動風(fēng)險。

圖3 500 kV重合閘擾動下的5P級TA暫態(tài)特性

2 1號、2號主變差動保護所用TA的問題分析、計算校核及優(yōu)化改進

2.1 問題分析

圖4 1號、2號主變“大差動”方式

1號、2號主變采用“大差動”方式，即：發(fā)電機差動保護87G與主變差動保護87T（含主變差動、主變分相差動、廠變差動）以串聯(lián)方式共用500 kV側(cè)01TA—04TA，如圖4所示。該方式的保護范圍交叉層疊較多，TA二次負(fù)載較大，二次電纜串接盤柜較多，其特點是過于追求保護的靈敏性和速動性，相對削弱了保護的可靠性和選擇性。由于TA鐵芯飽和速率與一次短路電流對稱倍數(shù)、一次系統(tǒng)時間常數(shù)、二次實際負(fù)載的大小密切相關(guān)，因此這種“大差動”方式對500 kV側(cè)01TA—04TA勵磁特性要求較高。單從電力系統(tǒng)暫態(tài)分析，TA的準(zhǔn)確限制系數(shù)Kalf與一次額定電流Ie的乘積遠(yuǎn)小于500 kV系統(tǒng)最大對稱短路電流，無法適應(yīng)電力系統(tǒng)熱/動穩(wěn)定的要求。

2.2 優(yōu)化改進

通過倒換500 kV側(cè)01TA—04TA二次線端子，將TA變比由原1 250/1調(diào)整至2 500/1，將1號、2號主變原“大差動”方式調(diào)整為“五側(cè)制”差動，如圖5所示。切斷發(fā)電機差動保護延伸到500 kV側(cè)的行為，甩掉主變差動尾隨的負(fù)載，以提高原有TA給定暫態(tài)系數(shù)K。區(qū)外重合閘C-t1-O擾動時，可降低差動保護等效二次感應(yīng)電動勢，為“抗飽和”軟件鑒別區(qū)外故障贏得部分線性傳變時間。

2.3 計算校核

2.3.1 穩(wěn)態(tài)性能驗算

根據(jù)DL/T 866-2004中6.5相關(guān)要求，對TA進行穩(wěn)態(tài)性能驗算。查閱設(shè)備出廠型式試驗報告知，01TA和02TA額定負(fù)載電阻Rbn=15 Ω；準(zhǔn)確限值系數(shù)Kalf=25；變比1 250/1和2 500/1的TA二次繞組電阻Rct分別為5.2 Ω和10.3 Ω；“大差動”方式或“五側(cè)制”差動方式實際二次負(fù)載電阻Rb分別為7.5 Ω和4 Ω；區(qū)外最大短路電流Idmax為63 kA。

根據(jù)DL/T 866-2004相關(guān)公式，經(jīng)計算，若要滿足TA的額定二次極限電動勢ES1大于保護校驗要求的二次感應(yīng)電動勢ES，則優(yōu)化改進前后的01TA—04TA拐點給定暫態(tài)系數(shù)應(yīng)分別滿足K≤0.788 9，K1≤1.755 1。

2.3.2 TA暫態(tài)特性驗算

區(qū)外重合閘C-t1-O擾動下的短路電流全偏移，t毫秒內(nèi)TA保持線性傳變特性的暫態(tài)系數(shù)Ktf[3]為：

式中：TP為500 kV一次時間常數(shù)，假設(shè)取0.1 s；TS為TA額定二次時間常數(shù)，假設(shè)取0.8 s。

當(dāng)Ktf為0.78時，t=2.6 ms，即：重合閘C-t1-O擾動下5P級01TA—04TA保持線性的時間為2.6 ms，無法滿足“抗飽和”軟件所需1/5周波內(nèi)線性傳變的鑒別條件，這也是前文所述2號主變差動保護越級誤動的根本原因。

當(dāng)Ktf1為1.75時，t=5.8 ms，即：重合閘C-t1-O擾動下5P級01TA—04TA保持線性的時間為5.8 ms，滿足“抗飽和”軟件所需1/5周波內(nèi)線性傳變的鑒別條件。

根據(jù)DL/T 866-2004相關(guān)要求，TA的準(zhǔn)確限值系數(shù)應(yīng)符合式（2）：

式中：Kalf為準(zhǔn)確限值系數(shù)；Rct為TA二次繞組電阻；Rb為TA實際二次負(fù)荷；Kpcf為校驗系數(shù)；K為給定暫態(tài)系數(shù)；Rbn為TA額定負(fù)荷。

代入相關(guān)數(shù)值計算知，Kalf滿足式（2），可見通過增大變比、優(yōu)化差動方式，拓寬了TA線性傳變區(qū)域，按差動保護“抗飽和”軟件機理，1號、2號主變差動所用的TA適應(yīng)區(qū)外重合閘C-t1-O擾動。

圖5 3號、4號主變“五側(cè)制”差動方式

3 3號、4號主變差動所用TA的問題分析、計算校核及優(yōu)化改進

3.1 問題分析

3號、4號發(fā)變組采用“五側(cè)制”差動方式，即：發(fā)電機差動保護87G與主變差動保護87T（含主變差動、主變分相差動、廠變差動）所用TA按各自保護范圍進行組態(tài)，主變分相差動TA及二次線不再獨立生成，如圖5所示。“五側(cè)制”差動方式要比“大差動”方式少用2組TA，縮小了保護重疊范圍及二次線的接觸電阻，其可靠性、選擇性相對較高。

3.2 優(yōu)化改進

第1，2串TA有調(diào)整冗余度，原設(shè)計將短引線保護掛在TPY級TA上，如圖6所示。而短引線保護在機組正常運行期間是退出的，當(dāng)停電檢修接地刀閘合閘才投入運行。為此，有必要將第1，2串短引線保護所用TPY級（3TA，4TA）及（5TA，6TA）繞組與主變差動保護所用5P25級（1TA，2TA）及（7TA，8TA）繞組實施二次線上的對等交換，同時將串外3號、4號主變中性點套管03TA和04TA更換為TPY級（圖5）。若有條件，首先最大限度保證主變差動500 kV側(cè)01TA—04TA不飽和。需驗證調(diào)整后的TPY級TA的500 kV側(cè)主變差動保護能否經(jīng)得起區(qū)外重合閘C-t1-O-tfr-C-t2-O二次循環(huán)擾動。

3.3 計算校核

3.3.1 穩(wěn)態(tài)性能驗算

根據(jù)DL/T 866-2004相關(guān)要求，對TA進行穩(wěn)態(tài)性能驗算。具體參數(shù)通過查閱設(shè)備出廠型式試驗報告可知：變比為4 000/1的TPY級01TA和02TA的額定電阻Rbn為15Ω；二次繞組電阻Rct為9.2 Ω；“五側(cè)制”差動實際二次負(fù)載電阻Rb為4 Ω；額定對稱短路電流倍數(shù)KSSC為15.75；循環(huán)周期為C-0.1 s-O-0.3 s-C-0.04 s-O；500 kV額定一次時間常數(shù)TP取值0.1 s；額定二次時間常數(shù)Tsn取值0.8 s。

代入相關(guān)數(shù)值計算知，TA額定二次極限電動勢ES1大于差動保護等效二次感應(yīng)電動勢ES，滿足保護校驗條件。

3.3.2 TA誤差限值

DL/T 866-2004要求實際循環(huán)過程TA暫態(tài)誤差滿足式（3）：

式中：Ktd為暫態(tài)面積系數(shù)；TS為二次回路時間常數(shù)。代入相關(guān)數(shù)值，經(jīng)計算可知滿足誤差限值。

優(yōu)化調(diào)整后的 3號、4號主變差動所用01TA—04TA適應(yīng)區(qū)外重合閘C-t1-O-tfr-C-t2-O的擾動。

圖6 3號、4號主變差動TA調(diào)整方案

4 計算校核3號、4號主變差動保護不平衡差流及制動電流

4.1 問題分析

DL/T 866-2004中 7.4.2.2要求：高壓側(cè)為330～500 kV的降壓變壓器的差動回路各側(cè)均宜選用TPY級TA，高、中壓側(cè)宜按單相接地重合閘C-t1-O-tfr-C-t2-O二次工作循環(huán)校驗暫態(tài)特性。低壓側(cè)為三角接線時，可按外部三相短路重合閘C-t1-O一次工作循環(huán)校驗。已知3號、4號降壓變（雙卷）低壓側(cè)為三角形接線，故按后者校驗。

導(dǎo)則建議主變差動各側(cè)宜選用TPY級TA，主要是基于最大限度減少差動回路不平衡差流方面的考量。隨著差動保護“抗飽和”軟件日趨完善，應(yīng)理解為在規(guī)定時間內(nèi)主變差動高低壓兩側(cè)TA不飽和，且不平衡差流在差動保護比例制動特性可控范圍內(nèi)，只要差動保護區(qū)外故障不誤動、區(qū)內(nèi)故障不拒動，即可認(rèn)為差動保護兩側(cè)TA特性符合要求，而不能簡單地理解為差動各側(cè)TA型號及參數(shù)必須保持一致。為此，用差動保護比例制動固有特性來校核現(xiàn)有07TA，08TA及19TA，20TA是否滿足區(qū)外重合閘C-t1-O暫態(tài)特性，這是對規(guī)范最好的詮釋。

4.2 低壓側(cè)TA暫態(tài)飽和時間計算

DL/T 866-2004規(guī)定，TA的額定二次極限電動勢ES1應(yīng)大于保護校驗要求的二次感應(yīng)電動勢ES。同時考慮TA的暫態(tài)系數(shù)Ktf應(yīng)符合公式（1），其中TP為降壓變時間常數(shù)，取0.28 s；Ts為20 kV側(cè)5P20級TA時間常數(shù)，取5 s（考慮重合閘+斷路器單相失靈）。

代入相關(guān)數(shù)值，經(jīng)計算知，當(dāng)暫態(tài)系數(shù)ktf=15時，t=54 ms，即：重合閘C-t1-O擾動下主變低壓側(cè)TA保持線性傳變54 ms。滿足“抗飽和”軟件鑒別區(qū)內(nèi)外故障所要求的線性傳變大于等于4 ms的條件。

上述TA在主變差動動作時限內(nèi)不可能出現(xiàn)飽和，但不足以說明該差動保護不會發(fā)生誤動。由于兩側(cè)TA特性不一致，差動回路不平衡差流大小與高低壓側(cè)TA時間常數(shù)差值有關(guān)，差值越大，瞬態(tài)時不平衡電流越大，至于是否會引起誤動，關(guān)鍵還要看最小動作電流Iopmin及最小制動電流Iref.min的整定值是否在比例制動特性所允許的范圍內(nèi)，其靈敏度系數(shù)是否滿足繼電保護技術(shù)規(guī)范要求[6]。

4.3 區(qū)外故障時主變差動不平衡電流計算

由于兩側(cè)TA暫態(tài)特性不一致，區(qū)外重合閘C-t1-O擾動時，差動回路暫態(tài)不平衡電流為：

式中：Tp為500 kV側(cè)TPY級TA時間常數(shù)，取0.1 s；Tb為20 kV側(cè)5P20級TA時間常數(shù)，取5 s；T1為廠變20 kV/6 kV系統(tǒng)時間常數(shù)，取4 s；Im為短路電流非周期分量，取0.717Ie。代入式（4）不平衡差流可簡化為：

主變差動保護整定值采用的是標(biāo)幺值，即：最小動作電流Iopmin整定值范圍為（0.3～0.8）Ie，保護動作整定值為0.5Ie。由表1可知；0.5～0.7 s的差流瞬時值大于等于保護動作整定值0.5Ie。至于差動保護是否誤動則取決于制動電流的大小。

表1 區(qū)外故障時主變低壓側(cè)TA不飽和時段不平衡差流IOP

4.4 區(qū)外故障時主變差動制動電流計算

式中：Tb為5P20級TA時間常數(shù)，取5 s；制動電流取主變低壓側(cè)二次電流；T1為廠用電時間常數(shù)，取4 s。

相關(guān)數(shù)值代入式（5），則制動電流可簡化為：

表2 區(qū)外故障時主變低壓側(cè)TA不飽和時段制動電流 Ires

由表2可知，制動電流最大值0.717Ie≤0.8Ie，滿足DL/T 684-2004關(guān)于制動電流Ires整定范圍為（0.3～0.8）Ie的規(guī)定。

由于07TA，08TA及19TA，20TA參數(shù)保持一致,變比倍率較高，TA的二次繞組電阻Rct較大。原設(shè)計已經(jīng)充分儲備了區(qū)內(nèi)故障07TA，08TA及19TA，20TA的抗飽和能力，即使在區(qū)外故障穿越性短路電流作用下也不會發(fā)生飽和，因此主變低壓側(cè)07TA，08TA及19TA，20TA滿足熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定要求[7]。

5 結(jié)論

針對秦山核電廠500 kV主變差動保護用TA存在的問題，在更換GIS串內(nèi)TA難以落實的情況下，盡可能挖掘現(xiàn)有設(shè)備潛能，要求電廠在役TA能適應(yīng)重合閘的勵磁暫態(tài)特性。優(yōu)化調(diào)整現(xiàn)有的TA特征參數(shù)，拓寬瞬態(tài)下TA線性傳變時限，依據(jù)差動保護“抗飽和”軟件機理，可最大限度地規(guī)避重合閘擾動下的跳機行為，不失為一個“動軟不動硬”且事半功倍的糾正性行為。

[1]王建成.秦山核電500 kV輸電系統(tǒng)風(fēng)險點及預(yù)控[J].浙江電力，2014，33（12）∶15-21.

[2]王維儉，侯炳蘊.大型機組繼電保護理論基礎(chǔ)[M].北京：水利電力出版社，1989.

[3]DL/T 864-2012大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2012.

[4]DL/T 866-2004電流互感器和電壓互感器選擇及計算導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2004.

[5]王建成，王欣，劉光明，等.秦山核電基地大電機試驗平臺技術(shù)方案分析、計算及論證[J].中國電業(yè)，2015（4）∶46-51.

[6]王建成.500 kV增容導(dǎo)線在核電機群出線段的應(yīng)用[J].電力建設(shè)，2012，11（33）∶23-27.

[7]王建成.秦山第二核電廠水壓試驗、非核蒸氣沖轉(zhuǎn)電源容量校核運行方式的論證及實施[J].繼電器，2007，12（35）∶420-424.

（本文編輯：方明霞）

Problem Analysis and Improvement of TA for 500 kV Main Transformer Differential Protection

WANG Jiancheng，ZHANG Tao，ZHANG Jiancheng，LIU Chongdu，WANG Xin，WU Junyi
（CNNC Nuclear Power Operation Management Co.，Ltd.，Haiyan Zhejiang 314300，China）

Saturation-resistance software for differential protection caught TA（current transformer）linear transfer in one-fifth of the cycle to finish the verification of programme，which undoubtedly gives double insurance to"anti-maloperation"of main transformer differential protection that adopts high flux leakage TA of TPY class.But no-limited-leakage-flux TA with 5P25 class under the distortion of 500 kV auto-closure is difficult to provide linear transfer with its cycle not larger than 1/5，resulting in faults in and out of 500 kV main transformer differential protection region and maloperation.Problems in twenty 5P-class TAs for differential protection of four main transformers in Qinshan Second Nuclear Power Plant are analyzed and characteristic parameters of TA are optimized through calculation and verification in line with relevant regulations；time limit of TA linear transfer in transient state is expanded to meet the judgment requirements that saturation-resistance software needs to identify internal and external faults.

TA；differential protection；over-reach maloperation；rated secondary limiting electromotive force；protection secondary electromotive force；transient factor；ratio brake characteristic

TM733+.4

B

1007-1881（2015）10-0012-05

2015-07-22

王建成（1954），男，高級工程師，從事核電廠繼電保護工作。