負荷變壓器差動速斷保護區外故障誤動的原因與對策分析

摘要：差動速斷保護是為了在變壓器內部發生嚴重故障，一般的比率差動保護可能誤判為涌流而失效時能夠快速切除故障而設置的，高壓廠用變壓器（簡稱高廠變）等負荷變壓器因低壓側區外故障電流互感器（TA）深度飽和引起的差動速斷保護誤動問題一直是實際運行中的難題。針對高廠變差動速斷保護區外故障誤動的案例，通過對TAnbsp；飽和特性的分析，找到了常規差動速斷保護誤動的原因，提出了用工頻量差動速斷保護來解決高廠變和直配線路負荷變壓器因低壓側TAnbsp；飽和引起的差動速斷保護誤動問題的對策。

關鍵詞：差動速斷保護；故障；原因；對策

變壓器內部發生嚴重故障時，差電流可能會因電流互感器（TA）飽和出現諧波，比率差動保護可能誤判為涌流而失效，差動速斷保護不加任何閉鎖措施，沒有制動特性，定值按躲過涌流整定，能夠快速切除故障。但在實際運行中，由于高壓廠用變壓器（簡稱高廠變）低壓側的TAnbsp；一般都安裝在斷路器屏內，受安裝空間的限制，往往只能選用小容量的Pnbsp；級TA。當低壓側區外發生故障時，該TAnbsp；很容易深度飽和，造成差動速斷保護誤動。為解決此誤動問題，要抬高定值，但即便按7～8nbsp；倍的額定電流進行整定，也不一定能完全避免誤動。本文針對一起誤動案例，通過分析TAnbsp；飽和時二次電流的特征，找到了常規差動速斷保護誤動的原因，提出了防誤動對策，該對策同樣適用于解決直配線路負荷變壓器的差動速斷保護誤動問題。

1.現場典型事故案例

某電廠4nbsp；號機組（100nbsp；MW）廠用變壓器低壓側Bnbsp；分支廠用電發生三相短路，差動速斷保護動作出口。差動速斷定值為8Inbsp；e（Inbsp；enbsp；為額定電流），圖1、圖2分別為高廠變高、低壓側三相電流波形，圖3nbsp；為差流波形。對比圖1、圖2nbsp；的相位，發現高廠變高、低壓側同相電流之間的相位差大約為180°，說明短路點在區外。

從圖1nbsp；可以看出，Cnbsp；相電流始終對稱，波形沒有畸變，說明Cnbsp；相電流不含直流分量，Cnbsp；相鐵芯也沒有飽和，TAnbsp；傳變性能良好；ABnbsp；兩相電流在短路初期嚴重偏于時間軸的一側，說明短路電流的直流分量較大；ABnbsp；兩相電流在短路一個周期以后均發生了畸變，說明ABnbsp；兩相鐵芯在一個周期以后就飽和了，該飽和可能是短路電流里的直流分量引起的，也可能是剩磁通與直流分量磁通共同作用的結果。 從圖2nbsp；可以看出，ABnbsp；兩相電流在故障后第1nbsp；個峰值前就發生畸變，說明該兩相鐵芯的剩磁很嚴重，故障后不到5nbsp；msnbsp；就發生了嚴重飽和，TAnbsp；傳變故障電流的能力很差，于是就產生了很大的不平衡差流（見圖3）。

圖1nbsp； 高廠變高壓側電流波形

圖2 高廠變Bnbsp；分支電流波形

圖3 高廠變三相差流波形

圖3nbsp；中三相差流的峰值分別為13.50Inbsp；e，10.70Inbsp；e，6.85Inbsp；e，由半波積分法算得的三相差流的有效值分別為11.91Inbsp；e，9.01Inbsp；e，6.02Inbsp；e，而差動速斷保護的動作定值為8Inbsp；e，顯然，ABnbsp；兩相差流都大于差動速斷保護定值，差動速斷保護動作。

2.高廠變差動速斷保護誤動原因分析

2.1高廠變TAnbsp；的特點

高廠變高壓側的TAnbsp；通常都安裝在戶外，選型時沒有太多的限制，可以選擇容量適中、能滿足短路電流水平要求的TA，故障時一般不易飽和。而低壓側的TAnbsp；一般都要求安裝在斷路器屏內，受安裝空間的限制，不易選到大變比、大容量的TA，而小容量的Pnbsp；級TAnbsp；能夠承受的短路電流水平又比較低，剩磁也比較嚴重，故障時很容易深度飽和，引起差動速斷保護誤動[1]。

2.2影響TAnbsp；傳變特性的因素

發生故障時，鐵芯剩磁和一次電流非周期分量是引起TAnbsp；深度飽和的兩個重要因素，而TAnbsp；一旦深度飽和就基本喪失了電流傳變能力[2]。在短路初期的暫態階段，一次電流里通常含有比較大的直流分量，波形偏于時間軸的一側，由于TAnbsp；鐵芯磁通不能突變，于是在二次回路里也產生了一個自由分量電流。因此，在短路初始階段，只要TAnbsp；不飽和，它是能夠準確傳變一次電流的，二次電流波形與一次電流接近。隨著時間的推移，一次電流的直流分量逐步進入勵磁回路，于是鐵芯里又多了一個非周期性分量磁通。如果剩磁通與非周期性分量磁通同向疊加后的磁通接近或大于飽和磁通，TAnbsp；就飽和，勵磁電流就急劇上升，二次電流就嚴重畸變，TAnbsp；的傳變特性就急劇惡化。假定TAnbsp；的變比為1：1，并忽略變比誤差，則TAnbsp；嚴重飽和時的一、二次電流波形如圖4nbsp；所示[3]。

圖4 TAnbsp；嚴重飽和時一、二次電流波形

2.3高廠變差動速斷保護誤動的原因

對于高廠變，當低壓側區外發生故障時，高壓側TAnbsp；通常不易飽和，在故障初期，TAnbsp；能夠準確傳變一次電流，二次電流波形與圖4nbsp；中的紅線很接近，含有很大的直流分量。低壓側TAnbsp；在故障后幾毫秒就深度飽和，其二次電流波形與圖4nbsp；中的藍線很接近，于是就在二次回路形成了很大的差流。常規差動速斷保護都采用半波積分法計算差流，差流計算值與圖4nbsp；中紅線、藍線間的面積成正比，數值很大，保護很容易誤動。常規差動速斷保護使用半波積分法計算差流的好處是實現簡單、動作速度快，不足是差流計算值受TAnbsp；飽和的影響較大。對于其他類型變壓器，由于可以通過選擇容量適中、能滿足短路電流水平要求的TAnbsp；來保證故障時不飽和或只有輕微飽和，區外故障時的差流計算誤差并不大，加上差動速斷保護定值又是按躲過勵磁涌流整定的，因此不會誤動。

3.工頻量差動速斷保護

工頻量差動速斷保護通過對變壓器各側電流的基波分量求差得到差流，基本不受直流分量和諧波影響。故障時，如果各側TAnbsp；都不飽和，則差流計算值與常規差動速斷保護基本上是一樣的。對于高廠變低壓側區外故障，盡管低壓側TAnbsp；嚴重飽和會造成低壓側的電流工頻量幅值有比較大的損失，但工頻量差流計算值仍然比常規差動速斷保護小得多，保護不容易誤動[2]。

當工頻量差動速斷保護用于高廠變時，低壓側區外故障不會誤動，區內嚴重故障時能夠靈敏動作。因為高廠變通常是兩繞組變壓器，只有高壓側有電源，且高壓側TAnbsp；不存在嚴重的飽和問題。區內故障時，低壓側TAnbsp；由于不流過故障電流也不存在飽和問題，因此，工頻量差流實際上就是高壓側二次電流的基波分量。對于一般性區內故障，完全可以由比率差動保護來切除。對于嚴重的區內故障，即使高壓側TAnbsp；有輕微的飽和，工頻量差流的幅值損失也不大，按正常要求整定的差動速斷保護是能夠靈敏動作的。所謂區內嚴重故障，一般是指高壓側繞組引出線或高壓繞組端側附近發生嚴重短路故障工頻量差流算法計算值可見，當低壓側區外嚴重故障時，短路回路在包含高廠變短路阻抗的情況下，最大的工頻量差流有效值就已達到5.47Inbsp；e，區內嚴重故障時，短路回路里基本不含或只含很少一部分高廠變短路阻抗，因此，如果定值按7～8nbsp；倍的額定電流整定的話，差動速斷保護的靈敏度是有保證的。

4.負荷變壓器差動速斷保護的防誤動對策

4.1nbsp；高廠變差動速斷保護的防誤動對策

高廠變差動速斷保護的誤動問題由來已久，學術界也一直在研究對策。在實際運行中，如果低壓側TAnbsp；剩磁很嚴重的話，其線性傳變時間可能只有2～3nbsp；ms。由于高廠變低壓側TAnbsp；在低壓側區外故障時很容易深度飽和的問題難以解決，筆者認為，可以用工頻量差動速斷保護替代常規的差動速斷保護來解決低壓側區外故障的誤動問題。

4.2nbsp；直配線路負荷變壓器差動速斷保護的誤動問題

電力系統配電網中存在著大量的直配線路，相應的負荷變壓器也存在著與高廠變類似的情況。由于低壓側電壓等級較低時負荷電流很大，同時還受投資費用和安裝空間等因素的限制，低壓側也是普遍采用小容量的Pnbsp；級TA。當低壓側區外發生嚴重短路故障時，低壓側TAnbsp；也很容易飽和，差動速斷保護也存在誤動問題[3]。筆者認為，該問題也可以通過改用工頻量差動速斷保護來解決。

5.結語

由于高廠變低壓側TAnbsp；一般都安裝在斷路器屏內，受安裝空間的限制，只能選用Pnbsp；級小容量TA，低壓側區外故障時，在剩磁和非周期性分量電流的作用下很容易深度飽和，造成差動速斷保護誤動。本文通過一起差動速斷保護誤動的案例，分析了TAnbsp；飽和時二次電流的特征及其對基于半波積分法的常規差動速斷保護的影響，提出了改用工頻量差動速斷保護來解決因低壓側TAnbsp；飽和引起的差動速斷保護誤動問題的思路，并通過對一組故障實例數據的對比計算，驗證了該思路的合理性，具有一定的工程實用價值。

參考文獻：

[1]鄧祥力，王傳啟，張哲等.基于小矢量技術的快速差動電流速斷保護[J].電力系統自動化，2012，36（14）：67-71.

[2]景敏慧.變電站電氣二次回路及抗干擾[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3]朱聲石.高壓電網繼電保護原理與技術[M].北京：中國電力出版社，2005.