梁曉東

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

基于電力系統(tǒng)運(yùn)行分析可知，無論是發(fā)電、輸電，還是最終配電環(huán)節(jié)，均離不開變壓器的可靠運(yùn)行。根據(jù)相關(guān)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析可知，為保證變壓器安全運(yùn)行，差動(dòng)保護(hù)不可或缺，其可最大限度減少各類故障對(duì)變壓器運(yùn)行的影響，及早發(fā)現(xiàn)故障，恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。對(duì)此，本文主要圍繞水電站變壓器差動(dòng)保護(hù)展開分析。

1 水電站變壓器差動(dòng)保護(hù)概述

近年，隨著我國電力事業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，水電站的修建規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年底我國水電站裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到3.56億千瓦時(shí)，近年我國水電裝機(jī)容量發(fā)展情況如圖1所示。這意味著不少大容量變壓器投入使用，如何保證其運(yùn)行穩(wěn)定性是一個(gè)關(guān)鍵問題。

圖1 2014—2019 年中國水電裝機(jī)容量情況

在水電站運(yùn)行中，變壓器是重要的電氣設(shè)備，其主要基于電磁感應(yīng)原理承擔(dān)不同電壓等級(jí)互聯(lián)作用，屬于一次設(shè)備。為保證電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行，減少故障影響范圍，必須針對(duì)各種故障情況設(shè)計(jì)保護(hù)裝置，電力變壓器保護(hù)類型如圖2所示，其分為主保護(hù)和后備保護(hù)兩大類。本文主要圍繞主保護(hù)中的差動(dòng)保護(hù)展開分析，其對(duì)變壓器運(yùn)行安全具有重要意義。

變壓器差動(dòng)保護(hù)主要反映的故障見表1，結(jié)合變壓器差動(dòng)保護(hù)實(shí)際運(yùn)行情況分析可知，其較難反映變壓器內(nèi)部短路故障，必須配合瓦斯保護(hù)等有效解決保護(hù)死區(qū)問題。

圖2 電力變壓器保護(hù)類型

2 水電站變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原理及其影響因素

2.1 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原理

差動(dòng)保護(hù)是基于基爾霍夫電流定律實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)，可靈敏檢測(cè)保護(hù)區(qū)內(nèi)故障。根據(jù)變壓器實(shí)際運(yùn)行情況分析可知，變壓器差動(dòng)保護(hù)具有帶制動(dòng)特性，變壓器外部短路電流越大，制動(dòng)電流越大，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。然而實(shí)際運(yùn)行中也會(huì)遇到一些特殊情況，出現(xiàn)誤動(dòng)問題。必須準(zhǔn)確分析變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原因，查明是否存在誤動(dòng)，明確故障原因和位置，制定處理措施，切實(shí)保證變壓器可靠運(yùn)行。

表1 變壓器差動(dòng)保護(hù)主要反映的故障

2.2 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作影響因素

基于變壓器差動(dòng)保護(hù)運(yùn)行可靠性要求，必須要分析容易造成誤動(dòng)問題的主要影響因素，保證差動(dòng)保護(hù)的靈敏性與可靠性，具體分析如下：

（1）不平衡電流方面。變壓器運(yùn)行中，不平衡電流的存在直接影響差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作正確性，歸納導(dǎo)致不平衡電流的原因：①計(jì)算變比與實(shí)際變比不一致；②變壓器擋位變化影響；③CT傳變誤差；④勵(lì)磁電流影響。

（2）電流互感器局部暫態(tài)飽和方面。電流互感器剩磁電流較大、負(fù)荷電流較小，則二次電流數(shù)值、相位偏差較大，引發(fā)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

（3）勵(lì)磁涌流方面。變壓器空載合閘時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的空載電流，即勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流屬于正常情況下產(chǎn)生的電流，不應(yīng)引起差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，但是其又屬于差電流，這也是導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的重要原因。

（4）接線錯(cuò)誤方面。接線錯(cuò)誤引發(fā)的變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)問題，主要有2種：①變壓器一次、二次接線極性接反；②差動(dòng)保護(hù)元件極性接反。根據(jù)某水電站主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)，10年間共發(fā)生18次誤動(dòng)，其中，接線錯(cuò)誤、電流互感器二次端子接觸不良與斷線各發(fā)生2次。由此不難發(fā)現(xiàn)，變壓器差動(dòng)誤動(dòng)中，人為因素影響不容小覷，必須規(guī)范進(jìn)行相關(guān)安裝作業(yè)，落實(shí)日常檢查與管理工作，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

（5）電流互感器二次端子接觸不良方面。電流互感器二次側(cè)端子往往年限較長，很可能出現(xiàn)CT接線松動(dòng)的情況，一旦出現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)等問題，極易引發(fā)斷開問題，或是二次側(cè)連接導(dǎo)線由于過度磨損出現(xiàn)斷線問題。水電站變壓器實(shí)際運(yùn)行中，一旦產(chǎn)生接觸不良、短線問題，差動(dòng)電流將轉(zhuǎn)變?yōu)檎＿\(yùn)行單相電流值，這也就導(dǎo)致差動(dòng)電流高出整定值，引發(fā)誤動(dòng)。同時(shí)，若是變壓器內(nèi)部故障，差動(dòng)電流為零，無法準(zhǔn)確判斷故障，引發(fā)拒動(dòng)問題。

2.3 提高差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作可靠性的措施

（1）通過減小不平衡電流可有效降低變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)率，主要方法有：①差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)前采取補(bǔ)償措施；②統(tǒng)一電流互感器的廠家、型號(hào)等，保證兩側(cè)電流互感器磁化曲線基本一致；③優(yōu)化電流互感器接線方法。

（2）減少勵(lì)磁涌流引起的誤動(dòng)，主要方法：①設(shè)速飽和中間變流器；②二次諧波制動(dòng)；③間斷角檢測(cè)，及時(shí)閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

（3）水電站運(yùn)行、檢修人員必須落實(shí)日常檢修管理等工作，快速識(shí)別接線錯(cuò)誤、二次端子接觸不良等故障，迅速解決問題，穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行。

3 水電站變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作及其處理方法實(shí)例

水電站運(yùn)行中，一旦出現(xiàn)變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，必須立刻落實(shí)相關(guān)運(yùn)行檢查工作，判斷是否存在故障，并對(duì)故障情況進(jìn)行分析，合理制定處理方案，及時(shí)恢復(fù)水電站正常運(yùn)行。

3.1 項(xiàng)目背景

以某水電站廠高變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作為例，展開分析。該水電站采用200 MW水輪發(fā)電機(jī)組、三繞組廠高變，為保證變壓器可靠運(yùn)行，配置WFB-800型微機(jī)保護(hù)裝置，機(jī)組帶152 MW負(fù)荷正常運(yùn)行時(shí)，廠高變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組全停。

3.2 運(yùn)行檢查情況

本次差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作發(fā)生后，第一時(shí)間組織落實(shí)相關(guān)檢查工作，具體檢查情況如下。

（1）發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作情況根據(jù)本次初步檢查結(jié)果顯示，發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作情況：①無信號(hào)，發(fā)變組保護(hù)A屏、非電量保護(hù)C屏；②有信號(hào)，B屏WFB-803保護(hù)裝置“啟動(dòng)”“信號(hào)”“跳閘”信號(hào)亮起。本次具體動(dòng)作報(bào)告見表2，其中，K是電流平衡系數(shù)，以高壓側(cè)電流為基準(zhǔn)。

（2）差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作行為分析。本項(xiàng)目中，廠高變差動(dòng)保護(hù)采用比率差動(dòng)原理，具體為：IOP＞IOP.0，Ires≤Ires.0，IOP＞IOP.0+S（Ires-Ires.0），Ires＞Ires.0。其中，IOP是差動(dòng)電流，Ires是制動(dòng)電流，IOP.0是差動(dòng)最小動(dòng)作電流，Ires.0是制動(dòng)電流整定值，S是比率制動(dòng)特性斜率。由此可得，IOP=｜I1+I2+…+In｜，Ires=max{｜I1｜，｜I2｜，…，｜In｜}。

表2 13：36：55：312廠高變差流越限動(dòng)作時(shí)采樣數(shù)據(jù)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析可得，A相三側(cè)電流幅值、相位正常，差動(dòng)保護(hù)無動(dòng)作。

廠高變B相比率差動(dòng)動(dòng)作時(shí)的采樣數(shù)據(jù)見表3，其中，K是電流平衡系數(shù)，以高壓側(cè)電流為基準(zhǔn)。

表3 13：36：59：946廠高變B相比率差動(dòng)動(dòng)作時(shí)的采樣數(shù)據(jù)

根據(jù)表3數(shù)據(jù)情況，具體分析：IopB=｜IHB+KILa.B+KILb.B｜=｜2.51∠351°+1.38∠126°+1.23∠124°｜=2.0 A，IresB=max {｜IHB｜，｜KILa.B｜，｜KILb.B｜}=2.51 A，IopB＞IOP.0=1.15 A，IresB＜Ires.0=3.82 A。據(jù)此分析，可得B相比率差動(dòng)動(dòng)作。

同時(shí)，對(duì)表3中的C相進(jìn)行分析：IopC=0.5 A＜Iop.0=1.15 A。據(jù)此分析，可得C相比率差動(dòng)不動(dòng)作。

此外，還可對(duì)IopB、IopC進(jìn)行計(jì)算，所得數(shù)值分別為0.65 A、0.67 A，超過差流越限定值（0.6 A），產(chǎn)生“廠高變差流越限動(dòng)作”報(bào)警。綜上分析，本次保護(hù)動(dòng)作情況：①B、C相差流越限動(dòng)作；②4624 ms后，B相比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組全停。

3.3 故障判斷情況

結(jié)合檢查結(jié)果與相關(guān)分析，針對(duì)本次差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況，初步排除電氣一次設(shè)備區(qū)內(nèi)故障，主要分析如下：

（1）高壓側(cè)B、C相故障電流幅值下降，相位變化大，低壓側(cè)無變化，三相正序?qū)ΨQ。

（2）發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)未動(dòng)作，表明高壓側(cè)未故障。

（3）引發(fā)B相比率差動(dòng)動(dòng)作的故障電流不具有區(qū)內(nèi)故障特征，具體：①任一側(cè)負(fù)序電壓＞5 V；②啟動(dòng)后任一側(cè)、任一相電流增加；③啟動(dòng)后最大相電流＞（1.2×額定電流），結(jié)合表3分析顯示，未超過額定電流（3.82 A）；④與啟動(dòng)前相比，三路電流減少。綜合上述分析情況，初步判斷廠高壓側(cè)B、C相電流二次回路出現(xiàn)問題。

3.4 二次回路檢查分析

結(jié)合上述分析結(jié)果，進(jìn)一步開展二次回路檢查工作，廠高變就地端子箱檢查結(jié)果如下：

（1）端子箱密封圈老化。

（2）電流接線端子質(zhì)量較差。

（3）連接三相電流互感器二次繞組尾的連線燒斷。

CT二次電流接線如圖3所示，根據(jù)實(shí)際檢查情況發(fā)現(xiàn)，端子a點(diǎn)存在燒黑跡象，N581線完好、B/C相尾與端子a點(diǎn)相連的線燒斷。檢查中區(qū)下燒斷導(dǎo)線，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線絕緣層膨脹且分布有大量銅綠。對(duì)比燒斷的導(dǎo)線與N581線發(fā)現(xiàn)，線徑相差較大，分別為1.5 mm2、2.5 mm2。綜合上述分析結(jié)果判斷，端子a未松動(dòng)，但是由于燒斷的導(dǎo)線線徑較小，端子處接觸不良。端子箱密封不良，容易加劇氧化。線路運(yùn)行的是相電流，接觸不良后導(dǎo)線發(fā)熱，最終被燒斷。此外，由于N581線運(yùn)行正常，因此故障前后A相電流未發(fā)生改變，這也驗(yàn)證了上次檢查結(jié)果。

圖3 CT 二次電流接線

3.5 處理方法

根據(jù)本次檢查與分析結(jié)果顯示，廠高變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作產(chǎn)生的主要原因在于二次回路問題，為盡快恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行，采取以下措施。

（1）更換現(xiàn)場(chǎng)端子箱密封膠圈，切實(shí)保證端子箱嚴(yán)密，防止導(dǎo)線等過快氧化，引發(fā)事故。

（2）將普通端子更換為電流專用端子，及時(shí)檢查不同線徑，處理好各種隱患。

（3）調(diào)整差流越限定值，取0.382 A，延時(shí)整定3 s，保證差動(dòng)保護(hù)靈敏性。

（4）落實(shí)二次回路巡查工作，定期進(jìn)行紅外測(cè)溫，并利用微機(jī)保護(hù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，做好相關(guān)數(shù)值分析比較，為狀態(tài)檢修提供可靠依據(jù)。

通過實(shí)施上述措施，切實(shí)保證二次回路正常運(yùn)行，提高差動(dòng)保護(hù)可靠性，實(shí)現(xiàn)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

為保證電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，必須重視變壓器的差動(dòng)保護(hù)問題，其運(yùn)行情況相對(duì)較為復(fù)雜，在保證差動(dòng)保護(hù)對(duì)內(nèi)部故障靈敏度的同時(shí)，需加強(qiáng)對(duì)各種容易引發(fā)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)因素的認(rèn)知與分析，保證差動(dòng)保護(hù)可靠性。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析，水電站變壓器運(yùn)行中一旦出現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，必須及時(shí)做好相關(guān)檢查工作，判斷故障原因、位置等，及時(shí)處理故障問題，確保變壓器安全運(yùn)行。