外部故障切除后主變分側差動保護誤動的分析

邱立偉，李嘉敏，汪運律，吳玉鵬，魏彥勛

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

外部故障切除后主變分側差動保護誤動的分析

邱立偉，李嘉敏，汪運律，吳玉鵬，魏彥勛

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

針對某核電廠外部故障切除后發生主變分側差動保護誤動的事件，分析了CT局部暫態飽和的物理特征及對差動保護的影響，提出了防止主變分側差動保護誤動對策，并通過仿真試驗驗證了“時差法+虛擬制動”抗CT飽和判據及其他組合措施可有效防止分側差動保護誤動。

外部故障切除；分側差動保護； 誤動

0 引言

近年來，曾發生多起變壓器差動保護在區外故障切除時誤動的事件。某核電廠在迎峰度夏期間，某500kV出線線路單相瞬時接地重合閘過程中發生主變分側差動保護誤動，造成2號機停機停堆事故。檢查一、二次設備均未發現故障點，分析引起保護誤動的原因是：在500kV線路單相接地故障切除過程中分側差動保護開關站側CT出現波形畸變，中性點側CT響應正常，差動電流滿足分側差動保護的動作門檻，從而導致保護誤動作。

本文對該核電廠外部故障切除過程中分側差動保護誤動現象進行分析，提出一些防止主變壓器分側差動保護誤動的對策，并通過實時數字仿真裝置(RTDS)驗證了防范措施的有效性。

1 CT局部暫態飽和對差動保護的影響

通常，差動保護采用的電流互感器為保護級(P級)，其誤差只考慮一次電流為穩態電流，不考慮暫態過程中非周期分量的影響。因此，P級電流互感器在暫態過程中不能保證誤差要求；但在實際應用中，故障發生的暫態過程正是需要保護裝置準確響應的時段。在變壓器外部故障過程中，工頻短路電流和暫態非周分量會造成CT積累剩磁較大，故障切除恢復成負荷電流后CT將仍工作在飽和點附件的局部磁滯回環中。雖然負荷電流中反向電流有去磁作用，但仍難以使CT完全退出飽和，只能使CT在飽和點附近做小范圍的波動(見圖1)，導致CT二次傳變電流有一定的相位偏移。而外部故障切除后保護裝置的制動電流很小，幾乎處于無制動區，差動保護異常靈敏，此時如果一側CT二次電流有相位偏移而另一側CT能正確傳變，則由于兩側CT傳變特性不一致所產生的很小差動電流就可能引起保護誤動。

圖1 CT在各種工況下勵磁特性的工作區域

2 外部故障切除后分側差動保護誤動分析

2008-07-11T16:31，某開關站某出線線路發生C相單相接地故障，45 ms后線路主保護動作將故障切除，52 ms后該核電廠2號機主變分側差動保護B相誤動，2號機停機停堆。該核電廠2號機送出電氣接線如圖2所示。事發后，變壓器、充油電纜等一次設備均未發現故障點，二次回路及保護裝置也未發現絕緣損壞或保護元器件損壞，判定一次設備正常，保護誤動是因為CT傳變有畸變。從故障錄波圖(見圖3)可以看出，開關站側B相CT發生較大相移，導致分側差動保護存在差流，差流超過保護動作門檻，分側差動保護誤動。需要說明的是，這種CT局部暫態飽和產生的相位差并不一定在外部故障切除過程中才出現，在其他情況下也有可能發生，如CT長期在非周期分量的作用下工作點逐步進入飽和區域，兩側出現的差動電流主要也表現為相位差。分側差動保護誤動的根本原因是由于CT局部暫態飽和引起的相位偏移。

圖2 2號機送出電氣接線示意

圖3 故障錄波示意

3 防止分側差動保護誤動的措施

分側差動保護作為主變高壓側繞組內部單相接地故障和相間故障的主保護，也是主變差動保護對接地故障靈敏度不滿足時的補充，能提高主變高壓繞組中性點附近接地故障時的保護動作靈敏度。該保護原理類似發電機差動保護，理論上不受變壓器勵磁涌流的影響，可靠性較高，但實際運行情況卻比發電機差動保護復雜。在主變空載合閘勵磁涌流、區外故障切除電壓恢復過程中，勵磁涌流對不同的電流互感器造成的影響并不相同，這是產生CT二次暫態不一致的根源，因而調整定值不能采用與發電機差動保護相同的方法。此外，分側差動保護GIS側的CT一般隨GIS廠自帶，而變壓器側的CT則由變壓器廠提供，兩側CT的容量、等級等特性都不盡一致，特別是采用P級互感器的兩側CT在故障暫態過程中反映一次側電流的能力有所不同，可能引起保護誤動。因此，應將大容量變壓器保護用CT改為TPY級，但對部分一次設備改造確實存在困難的，應在兩側CT容量、等級、勵磁特性盡量改成一致的基礎上為保護裝置增加CT抗飽和判據。該核電廠采用許繼電氣公司時差法與自適應虛擬制動法配合的抗CT飽和判據措施，并配合保護整定值優化、改造CT等措施，解決了分側差動保護誤動的問題。

3.1 優化調整定值

按整定計算導則，分側差動保護比率制動系數S一般可取0.2-0.3，該核電廠分側差動保護改造前取值略高，為0.35。改造時，由于分側差動保護所用CT為P級，且兩側CT的容量、等級不一致，在暫態條件下曾發生保護誤動，現將制動系數S適當提高，取0.5。

分側差動保護動作點軌跡如圖4所示。其中，點劃線為改造前的制動曲線，其上部為動作區，下部為制動區，制動電流Ires(標幺值，下同)取0.7，動作電流Iop(標幺值，下同)取0.25，制動系數S取0.35；虛線為改造后的制動曲線，Ires仍取0.7，Iop取0.35，S取0.5；細實線為保護動作曲線。由此可見，即使優化了定值，縮小了保護動作區，保護動作曲線仍可能落在上部動作區，無法有效避免保護誤動，因此單一調整定值無法解決此問題。

3.2 更換匹配性更好的電流互感器

分側差動保護用的電流互感器差異較大，GIS側采用1 250/1，15 VA，5P25的電流互感器，而主變中性點側采用1 250/1，25VA，5P30的電流互感器。而且GIS側互感器為日本三菱產品，主變中性點側互感器為保定變壓器廠采購的國內產品，兩側電流互感器勵磁特性差異也較大。該核電廠3，4號機參考GIS側CT的容量、等級及勵磁曲線定做了CT，對主變中性點側CT進行了替換，在一定程度上改善了分側差動保護的可靠性。該核電廠1，2號機受主變檢修時機的限制，主變中性點CT還未列入改造計劃。

圖4 分側差動保護動作點軌跡

3.3 抗CT飽和新判據

該核電廠于1999年投產500kV GIS，以目前技術手段無法將GIS的CT改造為TPY級。在這種情況下，考慮從保護角度引入抗飽和判據，提高保護動作的正確性。國內外針對電流互感器飽和問題提出多種識別方法，如時差法、異步法、差分法、諧波比法、小波法、虛擬制動等。該核電廠3，4號機及改造后的1，2號機發變組保護均采用許繼電氣公司的WFB-800A分側差動保護，利用“時差法+虛擬制動”抗CT飽和判據，解決了CT飽和引起的差動保護誤動問題。

3.3.1 時差法判據

在差動保護滿足動作條件后首先進行該判別，采用后推1個采樣周期(以1周波采樣24點為例)的方法確定故障起始點，判別方程如下：

式中：ik為第k個采樣點的電流；Ie為額定電流。

如果連續有3個采樣點滿足此方程，確定此時故障開始。從故障起始點開始，3個采樣點中至少有2個采樣點滿足以下方程：

式中：id為差動電流；if為制動電流。

該方程認為差流和制動電流同時出現，判為區內故障，則保護取消飽和判據；否則判為區外故障(CT飽和需要時間，在故障發生瞬間CT保持線性傳變特性，理論上差流為零)，保護自動投入飽和判據。

3.3.2 虛擬制動判據

利用差動電流信息，虛擬1個制動電流idmax(虛擬差動電流)，該值為1個采樣周期內最大采樣點值，然后統計1個周波內｜id｜＞0.2×｜idmax｜的點數N，如果N>M(M為設定的定值)則開放差動保護，否則閉鎖差動保護。

4 動模仿真試驗驗證

為了驗證新型保護裝置對于CT不同程度、不同時刻飽和時對分側差動保護的影響，2011年5月利用國家繼電保護及自動化設備質量監督檢驗中心實時數字仿真裝置，對變壓器各種故障配合CT飽和進行仿真試驗(試驗系統見圖5)。分別對區外故障、區內故障、區外轉區內、系統振蕩及振蕩中故障、匝間短路、空投試驗、手合故障等進行仿真，分側差動保護均可以正確動作。針對該核電廠分側差動保護誤動的故障波形進行回放，新型保護裝置也能夠正確響應。

圖5 變壓器故障仿真試驗系統示意

最后通過動模試驗對該核電廠主變高壓側單相接地故障時分側差動保護與主變差動保護的動作特性進行對比分析，在最小運行方式、最大運行方式、孤島運行方式、主變倒送運行方式下，分側差動保護均比主變差動保護靈敏度高(見圖6)。對于主變高壓側繞組在接近中性點處發生金屬性接地故障，主變差動保護存在保護死區，而分側差動保護無死區。對于高壓繞組經高阻接地故障分側差動保護的靈敏度高于縱差保護，分側差動保護對于發現高壓繞組輕微故障或初期故障檢測具有優勢。分側差動保護的功能不能由主變差動保護替代，故仍需要投運分側差動保護。

圖6 主變差動與分側差動保護反映高壓繞組故障的靈敏度對比

5 結束語

本文結合具體案例分析了變壓器外部故障切除后主變分側差動保護誤動的機理，提出利用優化定值、改造電流互感器及采用抗CT飽和措施的新判據來防止分側差動保護誤動的方案。通過仿真實驗，證明該方案不僅能保證分側差動保護在內部故障時靈敏動作，也可以保證外部故障時可靠不誤動。

變壓器外部故障切除后產生的電壓恢復性涌流可能使CT傳變特性發生變化，造成波形畸變和偏移增大，從而導致變壓器差動保護誤動作。保護正確動作并非只與保護裝置本身的性能有關，還與一次、二次設備全局系統工作有關，應引起電氣相關專業人員的注意。

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2015-04-23；修改日期：2015-06-28。

邱立偉(1983-)，男，工程師，主要從事繼電保護維護和管理工作，email：qiulw@cnnp.com.cn。

李嘉敏(1980-)，男，高級工程師，主要從事電氣管理工作。

汪運律(1984-)，男，工程師，主要從事電氣技術管理工作。

吳玉鵬(1985-)，男，工程師，主要從事電氣維修工作。

魏彥勛(1986-)，男，助理工程師，主要從事電氣維修工作。