劉 灝，魏玉芳

（國(guó)能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625304）

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)重要輸配電設(shè)備之一，主要作用是變換電壓以及功率交換，大型水電站升壓變壓器作用①是將發(fā)電機(jī)出口電壓升壓至電網(wǎng)系統(tǒng)電壓，使電能經(jīng)更高電壓等級(jí)輸送至輸電網(wǎng)或配電網(wǎng)，可以減少線路損耗，提高輸送電能的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到遠(yuǎn)距離輸電的作用，②在發(fā)電機(jī)停運(yùn)的情況下，可以從電網(wǎng)吸收功率，將系統(tǒng)電壓降壓至高壓廠用母線電壓，向水電站高壓電動(dòng)機(jī)、低壓廠用變壓器等負(fù)荷供電，確保廠用電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為確保水電站發(fā)電機(jī)停運(yùn)后通過(guò)電網(wǎng)倒送廠用電時(shí)主變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，主變壓器保護(hù)除配置差動(dòng)保護(hù)、重瓦斯保護(hù)等主保護(hù)外，還配置了主變倒送電保護(hù)作為該運(yùn)行工況下主變壓器、高壓廠用變壓器的特殊后備保護(hù)。本文介紹某水電站500 kV主變壓器在停電檢修后首次充電時(shí)倒送電保護(hù)動(dòng)作的情況，從倒送電保護(hù)動(dòng)作邏輯、定值整定計(jì)算、保護(hù)動(dòng)作波形等分析得出保護(hù)動(dòng)作原因，并提出了相應(yīng)防范技術(shù)措施。

1 保護(hù)動(dòng)作事件簡(jiǎn)介

某水電站裝設(shè)6臺(tái)600 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)變壓器采用單元接線方式，發(fā)電機(jī)額定電壓20 kV，主變壓器容量667 MVA，變比550 kV/20 kV，發(fā)電機(jī)與變壓器之間經(jīng)離相封閉母線、出口斷路器等輸配電設(shè)備連接，同時(shí)主變壓器低壓側(cè)與高壓廠用變壓側(cè)連接，該水電站3號(hào)發(fā)變組單元接線圖如圖1所示，3號(hào)主變壓器保護(hù)裝置采用南瑞繼保公司PCS-985TW型微機(jī)保護(hù)裝置。

圖1 某水電站3號(hào)發(fā)變組單元接線方式圖

2021年5月30日，某水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)處于停電檢修狀態(tài)，500 kV 3號(hào)主變壓器已完成年度檢修及預(yù)防性試驗(yàn)，按照調(diào)度命令即將投入運(yùn)行，在合500 kV高壓側(cè)斷路器對(duì)3號(hào)主變壓器充電時(shí)，雙重化配置的兩套PCS-985TW變壓器保護(hù)裝置動(dòng)作跳開(kāi)500 kV高壓側(cè)斷路器，3號(hào)主變壓器充電失敗，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員檢查2套主變保護(hù)裝置跳閘燈亮，保護(hù)裝置面板顯示“倒送電保護(hù) 動(dòng)作”，對(duì)3號(hào)主變壓器、3號(hào)高壓廠用變壓器等一次設(shè)備進(jìn)行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

2 倒送電保護(hù)動(dòng)作原因分析

2.1 倒送電保護(hù)邏輯及定值整定

PCS-985TW變壓器保護(hù)裝置配置的倒送電保護(hù)，作為主變壓器倒送廠用電時(shí)后備保護(hù)功能，可通過(guò)“電流通道選擇”控制自選取主變高壓側(cè)、中壓側(cè)或低壓側(cè)電流，該水電站取的主變高壓側(cè)電流作為保護(hù)動(dòng)作電流判據(jù)，同時(shí)取發(fā)電機(jī)機(jī)端電流作為輔助閉鎖判據(jù)。保護(hù)裝置取發(fā)電機(jī)出口斷路器分閘位置輔助節(jié)點(diǎn)作為倒送電保護(hù)投退判據(jù)，即當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，出口斷路器在合閘位置，倒送電保護(hù)功能自動(dòng)退出，當(dāng)發(fā)電機(jī)非并網(wǎng)運(yùn)行，出口斷路器在分閘位置，倒送電保護(hù)功能自動(dòng)投入。為防止二次回路異常原因引起的保護(hù)裝置斷路器分閘位置誤開(kāi)入造成倒送電保護(hù)誤動(dòng)作，設(shè)置了斷路器分閘位置開(kāi)入異常報(bào)警邏輯，即保護(hù)裝置收到斷路器分閘位置開(kāi)入且采集到發(fā)電機(jī)機(jī)端有電流時(shí)，閉鎖倒送電保護(hù)功能，同時(shí)保護(hù)裝置延時(shí)10 s發(fā)“機(jī)端斷路器位置報(bào)警”信號(hào)。

該水電站500 kV主變壓器容量667 MVA，變比為550/20 kV，接線組別為Yn,D11，高低壓側(cè)額定電流之比為700/19 254.6 A，主變高壓側(cè)電流互感器變比為2 000/1A，主變壓器倒送電保護(hù)過(guò)流元件按照躲過(guò)主變高壓側(cè)額定電流整定，過(guò)流元件 動(dòng) 作 值：Iop=Krel×Ie/Kr×TA=1.2×700/0.95× 2 000=0.47 A，式中：Krel—可靠系數(shù)；Kr—返回系數(shù)；Ie—額定電流；TA—高壓側(cè)CT變比；動(dòng)作延時(shí)設(shè)置為0.7 s。

2.2 保護(hù)動(dòng)作波形分析

繼電保護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)出故障錄波波形及保護(hù)裝置動(dòng)作波形進(jìn)行分析，其中1套PCS-985GW保護(hù)裝置動(dòng)作波形及諧波分析圖如圖2所示，可見(jiàn)3號(hào)主變壓器高壓側(cè)三相電流呈勵(lì)磁涌流波形特征，三相電流波形偏向時(shí)間軸一側(cè)，且間斷明顯，二次諧波含量高，三相二次諧波含量均超過(guò)35%，因此主變差動(dòng)保護(hù)受二次諧波制動(dòng)閉鎖未動(dòng)作。在合閘時(shí)刻約60 ms后，主變壓器高壓側(cè)三相電流分別為0.220 A、0.680 A、0.506 A，B、C兩相電流已達(dá)倒送電保護(hù)動(dòng)作電流定值，其中B相最大電流近2倍額定電流，因此保護(hù)裝置啟動(dòng)，雖三相勵(lì)磁涌流持續(xù)衰減，但700 ms后至保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘時(shí)刻，B相電流仍有0.482 A，大于倒送電保護(hù)動(dòng)作定值，因此雙套主變壓器保護(hù)裝置出口動(dòng)作。

圖2 變壓器保護(hù)裝置動(dòng)作波形及諧波分析圖

2.3 分析結(jié)論

綜上分析可判斷PCS-985TW保護(hù)裝置屬于正確動(dòng)作，動(dòng)作原因?yàn)橹髯儔浩鞒潆姇r(shí)產(chǎn)生較大勵(lì)磁涌流且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，而主變壓器倒送電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間整定未可靠躲過(guò)主變勵(lì)磁涌流持續(xù)時(shí)間，導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)500 kV側(cè)斷路器，主變壓器充電失敗。

該水電站繼電保護(hù)人員在整定計(jì)算倒送電保護(hù)定值時(shí)，統(tǒng)計(jì)查看了自投產(chǎn)以來(lái)歷年主變壓器充電時(shí)刻勵(lì)磁涌流波形數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出主變壓器充電時(shí)20 kV高壓廠用變壓器勵(lì)磁涌流較大，但500 kV主變壓器勵(lì)磁涌流幅值往往不大，且400~600 ms內(nèi)可衰減至主變壓器額定電流以下，因此倒送電保護(hù)動(dòng)作延時(shí)整定為0.7 s，兼顧作為后備保護(hù)保持保護(hù)速動(dòng)性，但由本次事件可知，主變倒送電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間仍未可靠躲過(guò)勵(lì)磁涌流持續(xù)時(shí)間。

3 應(yīng)對(duì)及防范措施

3.1 倒送電保護(hù)壓板臨時(shí)退出

主變壓器倒送電保護(hù)僅在發(fā)電機(jī)停運(yùn)、通過(guò)電網(wǎng)倒送廠用電的特定運(yùn)行工況下起到變壓器后備保護(hù)的作用，因此建議運(yùn)行規(guī)程中明確在主變壓器充電時(shí)臨時(shí)退出倒送電保護(hù)功能壓板，確保主變壓器充電正常后再投入該功能壓板，該情況類似在主變壓器具備送電條件到正常送電期間，因冷卻器均處于停運(yùn)狀態(tài)，防止冷卻器全停保護(hù)動(dòng)作跳閘臨時(shí)退出冷控失電跳閘功能壓板，待主變壓器充電正常后立即投入，考慮到大型水電站的升壓主變壓器作為電網(wǎng)重要輸變電設(shè)備，停運(yùn)、投運(yùn)工況切換不多，因此該解決方案不會(huì)增大運(yùn)行值班人員工作量。

而發(fā)電機(jī)并網(wǎng)或解列時(shí)，不建議調(diào)整倒送電保護(hù)功能壓板投退狀態(tài)，原因?yàn)棰貾CS-985TW保護(hù)裝置可根據(jù)發(fā)電機(jī)出口斷路器分閘位置信號(hào)開(kāi)入情況自動(dòng)投退倒送電保護(hù)功能，且防誤動(dòng)作邏輯采用“電氣量（斷路器分閘位置信號(hào)）+模擬量（發(fā)電機(jī)機(jī)端電流）”的閉鎖方式，防誤閉鎖邏輯可靠；②水輪發(fā)電機(jī)具有開(kāi)停機(jī)速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此常在電力系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等任務(wù)，且大型水電站一般采取“無(wú)人值班、少人值守”模式，因此隨發(fā)電機(jī)并網(wǎng)或解列調(diào)整倒送電將極大增加運(yùn)行人員工作量。

3.2 倒送電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間調(diào)整

目前DL/T 684-2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》對(duì)于主變壓器倒送電保護(hù)定值整定無(wú)明確規(guī)定，各發(fā)電廠一般根據(jù)本廠主變壓器運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)整定計(jì)算倒送電保護(hù)定值，即參考?xì)v年主變壓器充電時(shí)勵(lì)磁涌流情況統(tǒng)計(jì)，確保倒送電保護(hù)動(dòng)作時(shí)限能躲過(guò)勵(lì)磁涌流持續(xù)時(shí)間，但由于統(tǒng)計(jì)樣本不足，勵(lì)磁涌流特征有很大隨機(jī)性，難以完全可靠避免。

勵(lì)磁涌流大小與主變壓器剩磁和充電合閘初始角（相位）有關(guān)，剩磁越大則勵(lì)磁涌流越大，大容量變壓器勵(lì)磁涌流幅值可達(dá)6~8倍額定電流，而持續(xù)時(shí)間則與鐵心的飽和程度、變壓器容量有關(guān)，小型變壓器勵(lì)磁涌流經(jīng)0.5~1 s后衰減至額定電流0.25~0.5倍，大型變壓器衰減速度則更慢，涌流持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，因此考慮保持倒送電保護(hù)速動(dòng)性，建議整定時(shí)限按照避開(kāi)系統(tǒng)振蕩持續(xù)時(shí)間、不超過(guò)1.8 s整定。

3.3 電流通道選擇低壓側(cè)電流

根據(jù)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理，再合主變壓器高壓側(cè)斷路器對(duì)其全電壓充電時(shí),僅在其高壓側(cè)充電繞組中產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，而低壓側(cè)繞組中電流為零，因此可設(shè)置PCS-985TW裝置倒送電保護(hù)“電流通道控制字”，選擇主變壓器低壓側(cè)電流作為倒送電保護(hù)動(dòng)作電流判據(jù)，可有效避免該問(wèn)題，該方案雖然縮小了倒送電保護(hù)范圍，保護(hù)范圍不再包含主變壓器，但考慮到主變壓器已配置了靈敏速動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)、重瓦斯保護(hù)，因此可采取該方案。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某水電站500 kV主變壓器充電時(shí)倒送電保護(hù)動(dòng)作事件，從倒送電保護(hù)邏輯、整定計(jì)算、保護(hù)動(dòng)作波形等開(kāi)展分析，得出本次倒送電保護(hù)動(dòng)作原因?yàn)橹髯儔浩鞒潆姇r(shí)高壓側(cè)勵(lì)磁涌流持續(xù)時(shí)間超過(guò)倒送電保護(hù)動(dòng)作延時(shí)導(dǎo)致，提出了3種防范技術(shù)方案：①主變壓器充電時(shí)退出倒送電保護(hù)壓板；②延長(zhǎng)倒送電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間；③倒送電保護(hù)取變壓器低壓側(cè)電流。這3種防范措施對(duì)避免類似事件發(fā)生具有一定的借鑒意義。