王 野 姜萬東 沈克明 遲玉國(guó)

（1.麗水學(xué)院電子與電工技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 麗水 323000 2.江蘇國(guó)網(wǎng)自控科技股份有限公司，江蘇 昆山 215311）

1 故障概述

某300MW 燃?xì)怆姀S于2008年4月17日變壓器在外界無任何電氣操作的情況下，微機(jī)差動(dòng)速斷保護(hù)突然動(dòng)作，致使該電廠下級(jí)廠變低壓側(cè)跳閘。同時(shí)，廠變低壓側(cè)的兩臺(tái)油泵電機(jī)跳閘停機(jī)，輸送300MW 機(jī)組燃油供油停止，最終導(dǎo)致300MW 機(jī)組停機(jī)。電廠差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作記錄情況見.。300MW 電廠變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)一次主接線如圖1所示。

表1 300MW 電廠變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流記錄

圖1 300MW 電廠變壓器差動(dòng)保護(hù)主接線圖

現(xiàn)場(chǎng)差動(dòng)速斷保護(hù)裝置設(shè)置的參數(shù)及定值見 表2。

表2 差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作設(shè)定參數(shù)值

2 故障情況初步分析

表1中動(dòng)作記錄為微機(jī)保護(hù)動(dòng)作記錄值，其中第一次動(dòng)作后跳開斷路器，切斷變壓器高低壓側(cè)開關(guān)，第二次動(dòng)作記錄為跳開主回路后，微機(jī)保護(hù)又一次動(dòng)作。根據(jù)故障記錄保護(hù)動(dòng)作記錄的電流，發(fā)現(xiàn)高壓側(cè)、低壓側(cè)電流都很接近，同時(shí)差電流和高壓側(cè)電流幾乎完全相同。說明不是主回路故障造成的保護(hù)動(dòng)作，因?yàn)槿绻娴氖亲儔浩鲀?nèi)部故障，應(yīng)該也為三相短路故障，故障電流主要由電源側(cè)提供，而負(fù)荷側(cè)電流應(yīng)接近為負(fù)荷電流，短路時(shí)不可能和電源側(cè)（高壓側(cè)）電流幅值大小相同（該變壓器回路為單電源回路）。

從上面的分析和對(duì)一次系統(tǒng)進(jìn)行檢查并做絕緣試驗(yàn)測(cè)試，已經(jīng)排除是變壓器主回路故障造成的保護(hù)動(dòng)作。應(yīng)從差動(dòng)速斷保護(hù)裝置是否存在硬件故障或者軟件設(shè)計(jì)漏洞問題上進(jìn)行分析。

3 故障的詳細(xì)分析及定位

對(duì)于該變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置，在對(duì)于DY/-11變壓器進(jìn)行計(jì)算差流是需要對(duì)Y 側(cè)進(jìn)行移相處理，計(jì)算的差流計(jì)算公式應(yīng)為[1]

式中，IdA、IdB、IdC為差流；IAh、IBh、ICh為高壓側(cè)電流；IAl、IBl、ICl為低壓側(cè)電流；k為平衡系數(shù)。

根據(jù)保護(hù)裝置動(dòng)作記錄，IdA≈IAh、IdB≈IBh、 IdC≈ICh，則有，IAl=IBl=ICl，同時(shí)觀察保護(hù)裝置記錄的故障時(shí)高壓側(cè)數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：高壓側(cè)電流和低壓側(cè)電流幅值相等，相位相同。對(duì)于正常的負(fù)荷電流，和短路情況下故障電流都是不可能的。

考慮到微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部進(jìn)行電流計(jì)算的算法采用的是全波傅里葉算法。全波傅里葉算法對(duì)整次諧波及恒定直流分量都有很好的濾除作用。但對(duì)于此次的故障記錄值分析來看，微機(jī)保護(hù)最大的保護(hù)電流測(cè)試值為100A（對(duì)于CT 為5A 額定時(shí)），故障記錄電流達(dá)到近50A，是負(fù)荷電流的10 倍，對(duì)于正常運(yùn)行的負(fù)荷電流來說，不能有如此大的非整數(shù)次諧波（更不可能有故障時(shí)的衰減直流分量），可能的一種情況就是采樣數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了異常的直流量化值。

為了定性的對(duì)問題進(jìn)行分析，假設(shè)直流量出現(xiàn)是以保護(hù)計(jì)算周期（此保護(hù)裝置5ms 進(jìn)行一次全波傅里葉計(jì)算，數(shù)據(jù)窗為最新采樣點(diǎn)前推的16 點(diǎn)）為間隔，依次進(jìn)入到傅里葉算法的計(jì)算序列的。

圖2所示直流量疊加到數(shù)據(jù)窗內(nèi)的示意圖。其中橫坐標(biāo)為采樣序列前進(jìn)的方向，設(shè)一個(gè)周波的采樣點(diǎn)為a0—a15，直流量疊加到采樣序列一次進(jìn)入方向是a15—a0?？v坐標(biāo)對(duì)應(yīng)為數(shù)據(jù)量化值得大小，由于裝置動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行于負(fù)荷電流（分析見章節(jié)2），負(fù)荷電流采樣值相對(duì)直流量很小，為方便計(jì)算，可認(rèn)為除直流量外，其他各采樣點(diǎn)為零。直流分量在16 個(gè)采樣點(diǎn)上出現(xiàn)的時(shí)刻在概率上是相同的，設(shè)直流量值為C，則根據(jù)直流出現(xiàn)在不同在采樣點(diǎn)，進(jìn)行傅里葉運(yùn)算（16 點(diǎn)），如下計(jì)算公式[2]：

圖2 直流量疊加到數(shù)據(jù)窗內(nèi)的示意圖

式中，F(xiàn)r為傅里葉計(jì)算的實(shí)部，F(xiàn)x為傅里葉計(jì)算的虛部，F(xiàn)為傅里葉計(jì)算的幅值。

根據(jù)式（2）至式（4）可得出數(shù)據(jù)窗內(nèi)含有直流分量對(duì)傅里葉輸出的影響，如圖3所示?？梢钥闯?，如果數(shù)據(jù)窗內(nèi)出現(xiàn)部分直流分量，理論上最大輸出為0.64C，其中C為直流量幅值。

圖3 數(shù)據(jù)窗內(nèi)含有直流量對(duì)傅里葉算法輸出值的影響

保護(hù)裝置對(duì)傅里葉算法輸出的計(jì)算值F序列進(jìn)行如下濾波處理

式中，F(xiàn)o為經(jīng)過濾波后得到的幅值，F(xiàn)max為F0～F4最大值，F(xiàn)min為F0～F4最小值。

保護(hù)裝置的計(jì)算傅里葉輸出的周期為5ms。計(jì)算輸出時(shí)，可按照下列次序計(jì)算：①直流未進(jìn)入采樣序列，則F0為0；②直流進(jìn)入序列1/4 周波則，F(xiàn)1=0.45C；③直流進(jìn)入序列1/2 周波則，F(xiàn)2=0.64C；④直流進(jìn)入序列3/4 周波則，F(xiàn)3=0.45C；⑤直流全進(jìn)入采樣序列，F(xiàn)5=0。按式（5）計(jì)算為

由式（6）和式（7）可得：Fo1=0.45C；Fo2=0.45C。

保護(hù)裝置的ADC 芯片為MAX125，為14 位ADC，最高位為符號(hào)位。ADC 的最大量化值為213=8192，模擬量量化系數(shù)為78，按最大量化值來考慮直流量C，則C=8192。此時(shí)保護(hù)裝置計(jì)算出的電流值Fo=0.45C/78=47.26A，從表1中，我們已經(jīng)知道保護(hù)裝置動(dòng)作記錄值都是47A 左右，因此我們推斷出，加入ADC 芯片采樣的直流值應(yīng)該為最大量程值。

分析MAX125 的芯片數(shù)據(jù)量化特性，如圖4所示。該ADC 芯片的量化數(shù)據(jù)范圍取決于內(nèi)部參考電壓的大小，同時(shí)，芯片的數(shù)據(jù)文檔也要求給出該內(nèi)部參考電壓的輸出管腳應(yīng)增加濾波電容。如果該電容出現(xiàn)了問題是否會(huì)導(dǎo)致采樣屬于異常呢？筆者對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

將保護(hù)裝置上電，處在運(yùn)行狀態(tài)。不施加任何模擬量，并將差動(dòng)速斷保護(hù)投入，定值不做任何修改。用短接線將ADC 的VREFOUT 輸出濾波電容在電路板上直接短接，發(fā)現(xiàn)每次短接，保護(hù)都動(dòng)作一次，保護(hù)裝置動(dòng)作記錄值均為43A 左右。

圖4 MAX125 芯片的量化特性圖

從實(shí)驗(yàn)和理論分析上得出結(jié)論，現(xiàn)場(chǎng)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，是由于現(xiàn)場(chǎng)差動(dòng)速斷保護(hù)用于采集兩側(cè)電流的A/D 內(nèi)部基準(zhǔn)電源的濾波電容出現(xiàn)了軟擊穿造成的誤動(dòng)作。

4 解決分析辦法

針對(duì)故障情況的初步分析，擬嘗試以下措施預(yù)防今后類似誤動(dòng)問題，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

1）將電容經(jīng)電阻串接后接GND。電阻預(yù)選了10kΩ，1kΩ，100Ω，50Ω發(fā)現(xiàn)串接10kΩ，1kΩ，100Ω，電流零飄值過大，不能接受。用50Ω實(shí)驗(yàn)，不加電流時(shí)，無飄動(dòng)。短接電容后，裝置不動(dòng)作。但短接電阻后，A/D 的基準(zhǔn)電壓由原來的 2.5V 變成了0.581V，由于基準(zhǔn)的改變，猜測(cè)可能造成正常采樣值被擴(kuò)大了2.5/0.581=4.3 倍。因此短接電容，帶50Ω后，保護(hù)電流施加5A，結(jié)果裝置測(cè)量成21A，與猜測(cè)吻合。因此，不能采用串接電阻的方式。

2）兩個(gè)電容串聯(lián)，考慮兩個(gè)電容同時(shí)擊穿的概率很低。所以認(rèn)為是一個(gè)好的辦法。原電容是10μF，Verfout電容范圍為4.7～22μF，采用兩個(gè)10μF 串聯(lián)后容值為20μF，如果一個(gè)被擊穿后，則會(huì)變?yōu)?0μF，都在允許范圍內(nèi)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證一個(gè)電容短路，不會(huì)造成誤動(dòng)作，測(cè)量電流也不會(huì)有變化。

3）采用A/D 檢測(cè)。通過選取一路A/D 通道，測(cè)量2.5V（將5V 分壓成2.5V），如果該采樣值連續(xù)出現(xiàn)幾次異常，則認(rèn)為A/D 采樣異常，快速閉鎖保護(hù)，也可避免上述誤動(dòng)作。

5 結(jié)論

根據(jù)某300MW 電廠于2008年4月17日變壓器在外界無任何電氣操作的情況下，微機(jī)差動(dòng)速斷保護(hù)誤動(dòng)作導(dǎo)致的300MW 機(jī)組停機(jī)?；诖舜伪Ｗo(hù)動(dòng)作的分析，對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行了以下整改措施：

1）將保護(hù)裝置的ADC 芯片的VREFOUT 管腳的濾波電容由一個(gè)更改設(shè)計(jì)為兩個(gè)濾波電容串聯(lián)。其容值為原來電容容值的兩倍，耐壓值不變。

2）在ADC 采樣回路中增加一路自檢測(cè)回路。自檢測(cè)回路采集一固定電平（本措施設(shè)定為2.5V），保護(hù)裝置在采集保護(hù)電流的同時(shí)，也對(duì)自檢測(cè)回路進(jìn)行采集，裝置始終進(jìn)行ADC 的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí) 時(shí)檢測(cè)，一發(fā)現(xiàn)異常立即閉鎖保護(hù)出口，防止誤動(dòng)作。

經(jīng)過對(duì)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)可靠性進(jìn)行了升級(jí)今后，該保護(hù)裝置2008年5月重新投入生產(chǎn)使用至今，再無此類誤動(dòng)作。這次誤動(dòng)作分析和問題處理，也為今后微機(jī)保護(hù)在可靠性設(shè)計(jì)和軟件檢測(cè)硬件上提供一些值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 肖平,向奇.正負(fù)電流對(duì)Y/△-11 主變差動(dòng)保護(hù)相位補(bǔ)償?shù)挠绊慬J].電工技術(shù).2012,6: 10-16.

[2] 蔡昱華.非工頻交流電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的研究[D].湖南: 湖南大學(xué),2009.