一起電流互感器故障引起的主變壓器跳閘分析

齊英偉，劉春暉，杜智超，鮑音夫

(國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020)

繼電保護是電網安全穩定運行的重要保障，能自動、迅速、有選擇地將故障元件從電力系統中切除，使故障元件免于繼續遭到損壞，保證其他無故障部分迅速恢復正常運行狀態[1]。反映系統狀態電氣量的正確與否是繼電保護正確動作的關鍵。電流互感器可以把數值較大的一次電流通過一定的變比轉換為較小的二次電流，提供給保護、測量等裝置[2]用于判斷電力系統運行狀態，其運行的可靠性及繞組的合理分配對電力系統穩定至關重要。因此在設計選型階段應充分結合一次設備結構特點合理進行保護配置，避免出現保護動作不一致、死區等問題，提高繼電保護動作的可靠性。本文對一起U型電流互感器雙套保護用繞組之間發生擊穿的故障進行分析，為后續工程建設及事故分析出現類似情況提供借鑒。

1 故障概況

2018年11月16日，某風電場主變壓器(以下簡稱為主變)高壓側電流互感器本體故障擊穿，主變A套保護差動速斷保護動作，B套保護差動保護啟動，未動作。高低壓側斷路器跳閘。

1.1 故障前運行方式

220 kV系統單母線運行，1號主變、220 kV出線運行于I母線；1號主變中性點經間隙接地運行。

35 kV系統單母線運行。風電場主接線見圖1。

1.2 故障后檢查情況

現場檢查主變保護動作情況、一次設備情況，具體如下。

圖1 風電場主接線圖

a.主變保護裝置動作情況：A套保護裝置差動速斷、工頻變化量差動、比率差動保護動作；B套保護裝置啟動，未動作。

b.檢查本次故障前一次保護裝置啟動時高壓側采樣，2套保護裝置采樣一致，說明主變2套保護電流回路均無問題。

c.主變故障錄波裝置啟動錄波。錄波顯示220 kV母線電壓A降低，主變高壓側A相電流明顯增大，故障錄波基本與A套保護裝置錄波一致。

d.檢查1號主變本體、兩側斷路器、隔離開關、電流互感器等設備，發現主變高壓側電流互感器A相有明顯放電擊穿痕跡。

e.主變高壓側電流互感器為U型電流互感器，互感器二次共6組線圈，因現場無互感器相關正式文件，內部繞組分配情況無正式資料，設計圖紙按互感器繞組編號進行，與實際結構無法完全匹配，需結合保護動作及實際解體情況進行驗證。

2 故障原因分析

2.1 保護配置情況

風電場220 kV系統單母線運行方式，母線未配置保護，1號主變配置2套電氣量保護和1套非電量保護，具體配置及型號如表1所示。

主變保護用電流互感器繞組設計圖如圖2所示。

表1 主變保護配置

圖2 主變保護配置設計圖

2.2 保護動作原因分析

根據主變保護裝置動作報告及波形分析：主變發生A相接地故障，主變A套保護裝置A相采樣電流為28.26 A(一次電流約為3391 A)，A相差動電流為7.73Ie，差動速斷定值5Ie，滿足保護動作條件，A套保護動作。主變B套保護裝置在故障發生后初期，保護裝置差流為0，約15 ms后電流出現較大畸變，產生差流，但未達到定值，B套保護未動作。

結合主變A、B套保護波形見圖3，以B相電壓為基準分析2套保護裝置高壓側電流可得：主變保護A套電壓UB超前IA約270°；主變保護B套電壓UB超前IA約60°。繪制2套保護電流相量圖如圖4所示，可以看出故障時刻2套保護裝置電流方向為反向趨勢。

圖3 主變A套、B套保護波形分析

圖4 主變A套、B套保護電流相量圖

結合故障發生在電流互感器內部及上述保護裝置采樣分析初步判斷為主變A、B套保護裝置高壓側電流回路應分別取自U型電流互感器故障點兩側繞組。所以A套保護裝置感受為區內故障，保護動作正確；B套保護裝置感受為區外故障，保護未動作。

2.3 故障錄波波形分析

根據故障錄波裝置波形分析可看出，系統發生近區A相接地故障，220 kV母線A相電壓從正常值突降至近0，主變高壓側A相約為28 A，與主變A套保護裝置錄波采樣基本一致，說明錄波器主變高壓側電流回路繞組應該與主變A套保護裝置高壓側電流回路繞組均在U型電流互感器同一側。主變故障錄波圖見圖5。

圖5 主變故障錄波圖

2.4 故障點定位

風電場提供電流互感器繞組分配圖如圖6所示(此型號互感器廠家已不存在，無正式文件)。結合實際解體圖見圖7，故障點發生在U型底部，即位于主變保護A套繞組與主變保護B套繞組之間靠近B套繞組側。實際故障位置與分析基本一致。由此也可判定故障發生在主變保護A套差動保護區內，主變保護B套差動保護區外范圍，A套保護可靠動作，B套保護未動作。保護動作行為正確。

圖6 電流互感器繞組分配圖

圖7 故障電流互感器解體圖

綜上分析，風電場主變高壓側A相電流互感器運行時對地擊穿放電，導致主變差動保護動作跳開高低壓側斷路器為本次事故的直接原因；現場主變B套保護用電流互感器繞組取自主變側而非母線側，設計未按照十八項反措及標準化設計規范要求[3]，即U型電流互感器二次繞組分配原則為保護用電流互感器繞組應取自母線側，母差用電流互感器繞組應取自出線側原則進行設計是B套保護不動作的主要原因。

3 采取措施

a.更換電流互感器。U型電流互感器因其結構原因，底部發生故障概率較大。互感器正立式安裝U型底部易出現積水，潮濕環境下產生的液體會沉積在電容芯棒底部，因此電容芯棒彎曲的部分就成為了絕緣效果最差的地方，長期處于工作狀態就容易發生電容芯棒擊穿[4-6]。建議現場結合實際情況更換其他類型質量較好的電流互感器，避免此類事故再發生。

b.調整電流互感器繞組分配。對更換后電流互感器繞組分配進行調整，按照十八項反措及標準化設計規范要求，電流互感器二次繞組分配按保護用電流互感器繞組應取自母線側原則進行設計。

4 結束語

目前，大部分風電場保護配置并不完善，一般220 kV出線無快速保護，僅配置遠跳裝置，依靠對側變電站線路保護及遠跳切除故障，220 kV無母線保護。因此保護范圍合理性和動作可靠性尤為重要。而互感器的選型、繞組分配和安裝位置會直接影響到繼電保護的功能及保護范圍，在工程設計階段應予以充分重視。