一起主變后備保護拒動事故分析及改進措施

劉志仁，殷　志，鮑有理

（國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇無錫214061）

故障分析

一起主變后備保護拒動事故分析及改進措施

劉志仁，殷志，鮑有理

（國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇無錫214061）

針對一起變壓器后備保護越級跳閘事件，依據(jù)現(xiàn)場動作信息、故障錄波數(shù)據(jù)、現(xiàn)場保護整定值，分析了事故發(fā)生的原因，即線路保護損壞以及母線電壓過高造成主變低后備保護復(fù)壓閉鎖拒動最終導(dǎo)致主變高后備保護越級跳閘。為預(yù)防此類事故，提出了修改現(xiàn)有主變后備保護邏輯，新增基于時間的低電壓元件的改進措施，并給出了基于時間的低電壓元件的建議動作方程。

主變保護；保護拒動；復(fù)壓閉鎖；基于時間的低電壓元件

為了提高主變后備過流保護靈敏度，防止變壓器過載時引起保護裝置誤動，通常變電站主變各側(cè)均配置經(jīng)復(fù)合電壓閉鎖的過電流保護［1-3］，由復(fù)合電壓元件、過電流元件以及時間元件構(gòu)成，作為被保護設(shè)備及相鄰設(shè)備相間短路故障的后備保護。復(fù)合電壓元件包含低電壓元件以及負序電壓元件。對于電網(wǎng)不對稱故障，可以由低電壓元件或者負序電壓元件開放；對于電網(wǎng)三相短路對稱故障，只能由低電壓元件開放。文中結(jié)合一起事故分析，說明在電網(wǎng)經(jīng)高阻三相接地對稱故障下，由于變電站母線電壓較高，可能不滿足低電壓元件動作條件導(dǎo)致主變后備保護閉鎖，無法切除故障，最終造成故障范圍擴大，并提出了相應(yīng)的改進方案。

1　事故過程

某110 kV變電站2臺主變各自帶10 kV兩段母線分列運行，10 kV分段120開關(guān)為分位，運行方式如圖1所示。

圖1　變電站事故前運行方式

2016年某日，該110 kV變電站10 kV系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)發(fā)出單相接地信號，選線裝置選線結(jié)果為134線路接地，隨后2號主變低后備乙開關(guān)（103開關(guān)）保護啟動，2號主變高后備保護啟動，約1.8 s后，2號主變高后備保護動作，跳開2號主變兩側(cè)開關(guān)。

運維人員至現(xiàn)場后檢查保護裝置，發(fā)現(xiàn)所有線路保護、2號主變低后備保護動作燈均未點亮，2號主變高后備保護動作燈亮。檢查結(jié)果表明，134線開關(guān)柜外觀、電流互感器診斷性試驗、開關(guān)柜診斷性試驗、開關(guān)分合試驗、低電壓動作特性試驗、機械特性試驗、電流互感器二次回路試驗均未發(fā)生異常；134線保護裝置采樣板損壞，經(jīng)更換采樣板后保護裝置134線各項功能及帶開關(guān)整組試驗均恢復(fù)正常。

2號主變高、低后備定值如表1所示。依據(jù)定值設(shè)置，若2號主變低壓側(cè)發(fā)生故障，則故障后0.9 s低后備保護過流I段動作，跳開低壓側(cè)分段120開關(guān)；若故障未切除，則故障后1.2 s低后備過流保護Ⅱ段動作，跳開2號主變次總102、103開關(guān)；若故障仍未切除，則故障后1.8 s2號主變高后備過流保護Ⅰ段動作，跳開主變各側(cè)開關(guān)。其中2號主變低后備保護為經(jīng)復(fù)壓元件閉鎖的過流保護，由于2號主變高壓側(cè)沒有電壓互感器，高后備保護為純過流保護，不經(jīng)復(fù)壓元件閉鎖。

表1　2號主變高低后備保護定值

根據(jù)檢查情況確認，由于134線發(fā)生故障，線路保護裝置損壞導(dǎo)致2號主變越級跳閘。依據(jù)定值設(shè)置在線路保護拒動下應(yīng)該由2號主變低后備保護動作跳開2號主變低壓側(cè)103開關(guān)，但現(xiàn)場2號主變低后備保護未動作，而直接由2號主變高后備保護動作跳開2號主變兩側(cè)開關(guān)，需要進一步調(diào)查分析。

現(xiàn)場決定通過分段120開關(guān)對10 kVⅡ段母線恢復(fù)供電，將2號主變申請檢修后對相關(guān)二次設(shè)備及回路進行檢查分析。

2　事故原因分析

2.1主變低后備保護動作分析

此次故障點位于10 kV線路134，故障后2號主變低后備103保護正常啟動，由于134線路保護采樣板損壞導(dǎo)致線路保護拒動，2號主變低后備103保護應(yīng)動作跳開2號主變低壓側(cè)103開關(guān)，但事實上2號主變低后備103保護始終處于啟動狀態(tài)，并未動作。

現(xiàn)場調(diào)閱2號主變低后備103保護故障錄波，如圖2所示。從錄波圖中可以看出，故障在3個周波后發(fā)展為三相故障，負序電壓消失，主變低后備保護復(fù)壓閉鎖中的負序電壓判據(jù)不滿足。另外由于故障電流較小，僅為主變額定值的2.2倍左右，導(dǎo)致正序電壓下降有限，正序電壓最小值在76 V左右，不滿足主變低后備保護復(fù)壓閉鎖中的低電壓判據(jù)（定值為60 V），因此主變低后備103保護的復(fù)壓閉鎖元件未能開放保護，導(dǎo)致2號主變低后備103保護啟動后未能動作跳閘。

圖2　2號主變低后備103保護故障錄波圖

2.2主變高后備保護動作分析

2號主變低后備103保護拒動后，最終由2號主變高后備保護動作跳開主變各側(cè)開關(guān)切除故障。該站主變高壓側(cè)無電壓互感器，因此現(xiàn)場將2號主變低壓側(cè)電壓接入主變高后備保護，同時停用2號主變高后備復(fù)壓閉鎖功能，將過流保護定值適當(dāng)調(diào)高。2號主變高后備保護錄波圖如圖3所示，從錄波圖可以看出，故障電流為5.25A，1.84 s后2號主變高后備保護動作。

圖3　2號主變高后備保護故障錄波圖

若2號主變高壓側(cè)配置電壓互感器，其電壓接入2號主變高后備保護，同時保護啟用復(fù)壓閉鎖功能。該次故障下2號主變低壓側(cè)二次電壓最低值為76V，由于主變較大阻抗的存在，2號主變高壓側(cè)二次電壓必定高于76V，按照主變后備保護低電壓定值60～70V整定［4］，2號主變高后備、低后備保護均會拒動，最終導(dǎo)致故障無法切除，嚴重影響電網(wǎng)及設(shè)備安全。

3　改進措施

為解決當(dāng)主變中、低壓側(cè)母線及相鄰設(shè)備發(fā)生經(jīng)高阻三相對稱短路故障，母線電壓殘壓較高，造成主變各側(cè)后備保護拒動的問題，文中不更改主變保護裝置硬件，通過修改裝置程序邏輯達到防止主變后備保護拒動的目的。主變后備保護在保留原有保護邏輯功能的基礎(chǔ)上新增一段基于時間的復(fù)壓閉鎖過電流保護，該電流保護經(jīng)基于時間的低電壓判據(jù)閉鎖，即當(dāng)被保護設(shè)備發(fā)生故障，保護采集電流顯著增大造成過流元件動作后，需要滿足基于時間的低電壓判據(jù)方可動作切除故障。其中對于基于時間的低電壓元件，其動作方程應(yīng)滿足以下要求。

（1）設(shè)置一個電壓定值UFXzd及一個時間定值tFX1，其中tFX1為基于時間的復(fù)壓過流保護起始動作時間，其整定值應(yīng)躲開各類涌流造成的電壓暫降，可與后備保護最末段復(fù)壓閉鎖過流保護動作時間相一致；UFXzd為tFX1時刻的最大動作電壓，低于此電壓即可開放復(fù)壓閉鎖。

（2）設(shè)置一個時間定值tFX2，為基于時間的復(fù)壓過流保護最長動作時間，可以按照一次設(shè)備最大故障耐受時間取值，此時刻的最大動作電壓UFX為：

式中：KFX為可靠系數(shù)，可以根據(jù)現(xiàn)場實際取0.9～0.95，Umin為系統(tǒng)最低運行電壓。

（3）基于時間的低電壓繼電器的最大動作電壓隨著時間變化逐漸升高，呈現(xiàn)基于時間變化的特性。基于時間的低電壓繼電器的動作特性如4圖所示。

圖4　基于時間的低電壓元件動作特性圖

新增基于時間的低電壓元件后主變復(fù)合電壓閉鎖過電流保護邏輯如圖5所示。從圖中可以看出，在保留復(fù)壓過流保護原有邏輯的基礎(chǔ)上新增一段基于時間的復(fù)壓過流保護，方向正確指的是保護裝置判別故障方向為整定正方向，滿足基于時間的低電壓判據(jù)指的是滿足基于時間的低電壓元件的動作方程要求。

圖5　修改后的主變復(fù)壓閉鎖過流保護邏輯

對于基于時間的低電壓元件，其動作電壓取所在母線相間電壓，隨故障時間t呈基于時間變化的特性，動作特性需與如圖4所示相一致。

建議選取自然指數(shù)形式方程作為低電壓元件的動作方程，在tFX1時刻動作電壓應(yīng)為UFXzd，在tFX2時刻動作電壓為UFX，由此可以推導(dǎo)得出動作方程如下：

式中：Uφφ為相間電壓，公式內(nèi)變量含義如上文所述。該動作方程的動作特性與上文及圖4所述相一致，呈現(xiàn)基于時間變化的特性。

對于文中所述案例，2號主變低后備保護，可以按照式（2）選取電壓動作方程，其中Umin取90 V，KFX取0.95，UFXzd按2號主變低后備保護低電壓整定值取60 V，tFX1按2號主變低后備保護跳低壓側(cè)開關(guān)時限取1.2 s，tFX2按主變最長抗短路電流時間取2 s，則有：

該故障發(fā)生后2號主變低后備103保護二次電壓為76 V，若采用式（3）基于時間的低電壓元件，則1.4 s后2號主變低后備103保護可以滿足基于時間的低電壓判據(jù)，開放保護跳開2號主變103開關(guān)，解決了故障后母線殘壓過高造成后備保護拒動的問題。

4　結(jié)束語

在電網(wǎng)發(fā)生三相經(jīng)高阻接地故障下，由于變電站母線電壓三相對稱且殘壓較高，可能因復(fù)壓元件閉鎖造成主變后備保護拒動，最終造成事故持續(xù)時間增長，事故范圍擴大，文中所述主變高后備保護越級跳閘正是由于以上原因造成。為解決上述問題，提出一種解決方案，在不更改主變保護裝置硬件的前提下，僅通過修改裝置程序邏輯，新增一段基于時間的復(fù)壓過流保護，既可以躲開各類涌流造成的電壓暫降，又可以提高低電壓元件的動作電壓，滿足三相故障下主變后備保護復(fù)壓閉鎖低電壓元件靈敏度的要求。

［1］江蘇省電力公司.電力系統(tǒng)繼電保護原理與實用技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2006：442-449.

［2］國家電力調(diào)度通信中心.國家電網(wǎng)公司繼電保護培訓(xùn)教材［M］.北京：中國電力出版社，2009：522-528.

［3］劉滬平，陳恒祥，田輝，等.復(fù)壓閉鎖引起的變壓器后備保護死區(qū)分析［J］.江蘇電機工程，2010，29（6）：47-50.

［4］鄒圣權(quán)，張振，魏寶林.變壓器復(fù)壓閉鎖過流保護整定探討［J］.湖北電力，2012，36（5）：30-31.

A M al-function Failure Analysis and Im provement of the Backup Protection of a Transformer

LIU Zhiren，YIN Zhi，BAO Youli
（State Grid Yancheng Power Supply Com pany，Wuxi214061，China）

Taking use of the equipment act information，fault record data and setting values of protection equipment，the reason for the override trip of the transformer's backup protection is found.The paper has described the accident process. Becauseof damaged line protection and extortionatebusvoltage，the compound voltage locking unitof the backup protection of themain transformer low voltage side refused to act，and the override trip of the backup protection of themain transformer high voltage side took place.In order to preventaccidents like this，improvements of the existingmain transformer backup protection were proposed，that is revising action logic and adding time-based low voltage unitwhose action equations had been given in the paper.

main transformer protection；mal-function of protection；compound voltage locking；time-based low voltage unit

TM 772

B

1009-0665（2016）05-0080-03

劉志仁（1984），男，江蘇無錫人，工程師，從事變電站二次技術(shù)工作；

殷志（1986），女，江蘇常州人，工程師，從事變電站運維工作；

鮑有理（1966），男，安徽安慶人，研究員級高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)管理工作。

2016-04-12；

2016-06-15