一起主變差動保護誤動作原因分析及解決辦法

高守龍

（本鋼板材股份有限公司能源總廠，遼寧本溪 117021）

1 故障前系統運行情況描述

本鋼三連鑄66 kV變電站共有5臺主變，正常情況下5臺主變獨立運行。其中3#主變容量為40000 kVA，66/35 kV兩圈變，其35 kV母線主要負載為5#LF爐電爐變以及相應的無功補償TCR設備和一系列濾波設備。變壓器采用差動保護，保護裝置DEP-581綜保裝置。事發前，由于部分濾波設備故障，僅三次濾波設備投入運行。相應的電氣接線圖如圖1。

圖1 系統運行簡圖

2 3#主變差動動作情況描述

2017年12月13日19時3分5秒，三連鑄3#主變發生AC相比率差動保護動作，導致6307及3531開關跳閘，35 kV母線失電，具體動作信息如表1所示。

表1 3#主變比率差動保護動作信息

從表1中可以看到，差動動作電流為3.29 A，根據動作時故障錄波計算對應時刻的制動電流，對比表2中主變比率差動保護定值可以看出此次動作符合比率差動動作特性曲線。

表2 3#主變比率差動定值

差動保護動作后，安排專業人員對變壓器進行技術檢查和試驗，各項參數正常，判斷為此次保護動作為誤動作，變壓器重新投運后工作正常。

3 差動保護誤動作分析

3.1 故障錄波分析

通過調閱3#變差動主保護設備相關信息，可以確認繼電保護設備記錄下了比率差動完整的動作過程，差動保護動作時高、低壓測電流具體的波形如圖2所示。

從圖2可以看出幾個波形特征：

（1）差動保護動作時高低壓側存在較大的沖擊性電流，其中高壓側首波瞬時值達到10 A以上。

（2）高壓側三相沖擊性電流都明顯偏向坐標軸一側，表明沖擊電流中存在較大的非周期性分量。

（3）高壓側三相沖擊性電流波形有畸變，但波形雖有缺口，仍基本符合下游故障或大負荷啟動時的沖擊性波形的形狀。

（4）低壓側沖擊電流首半波非常大，然后迅速跌落變小，波形嚴重畸變失真。

（5）沖擊電流發生前，高低壓側波形也偏向坐標軸一側，表明正常電流中也存在非周期性分量。

圖2 比率差動保護動作時各側故障電流

為了更加直觀的對比故障時高、低壓側電流情況，可以根據保護裝置差動電流的計算方法，將波形相對正常的高壓側電流折算為低壓側理想電流與低壓側實際采樣電流進行對比，如圖3所示。

圖3 比率差動保護動作時高低壓側電流對比

其中，振幅較大的曲線是高壓側電流折算到低壓側時的理想電流曲線，振幅較小的曲線是實際電流曲線，兩者差異部分就是差動電流。對比兩種波形可以看出：

（1）沖擊電流發生時，低壓側理論上應該存在較大的非周期性（見理想電流波形明顯偏向坐標軸一側）。

（2）沖擊電流發生時，低壓側實際波形除了沖擊首波局部（沖擊發生的6～7 ms）與理想波形基本吻合外，后續波形兩者嚴重偏差。表明在沖擊發生時，低壓側CT已經發生快速飽和。低壓側采集到的波形嚴重失真。

（3）低壓側沖擊波形失真主要發生在A、C兩相，B相雖然波形中也含有明顯的非周期性分量（波形也明顯偏向坐標軸一側），但由于沖擊電流偏小（首波峰值為5.8 A），波形失真并不嚴重。

（4）沖擊發生前，電流波形已有局部失真，表現在兩條曲線大部分吻合和局部背離的情況。

進一步地，通過故障錄波計算出上述波形的差動電流波形見圖4。

圖4 比率差動保護動作時差動電流波形

顯然從差動電流波形中，我們可以進一步佐證前面幾個現象：

（1）沖擊電流發生前，電流波形確實已經出現局部失真，導致沖擊發生前就存在差動電流。且該差動電流偏向坐標軸一側，含有明顯的非周期性分量和二次諧波分量。

（2）沖擊電流發生時，高低壓側電流均有失真，但低壓側電流失真嚴重，CT嚴重飽和，導致沖擊發生時產生很大的差動電流，該差動電流中含有明顯的非周期性電流分量。該非周期性分量是因為低壓側CT嚴重飽和后，CT已經無法傳變非周期性分量和交變電流分量所導致（高壓側CT能傳變非周期性分量，低壓側CT基本不能傳變非周期性分量，這導致差動電流中出現了非周期性分量）。

3.2 保護動作原因分析

通過上述故障錄波的分析，造成此次保護動作存在以下幾個方面原因：

（1）故障時有高壓側最大瞬時值約10 A的沖擊電流，這個沖擊電流是什么原因產生的?

（2）波形中，故障前就存在一定的不連續的差動電流，帶有明顯的直流分量及二次諧波成分，這個差動電流是如何產生的?

關于沖擊性電流，可以結合LF爐電弧加熱系統的工作原理來理解：以石墨電極與鋼液之間產生電弧光加熱鋼液。由于電極通過爐蓋孔插入泡沫渣或渣中，故稱埋弧加熱。因此每次當三根高壓電極插入鋼液時，對3#變壓器來說，就相當于一次區外三相短路，將產生比較大的沖擊電流。而每次石墨電極起弧瞬間（沖擊電流發生時），根據電流相角的不同，就會產生不同大小和極性的電流非周期分量。

關于事發前后的差動電流產生，有幾種可能：

其一，在本次沖擊電流發生前，剛剛發生過一次沖擊，沖擊產生的非周期性分量使低壓側CT出現了剩磁，且在本次沖擊發生時，該剩磁還未被完全退磁。

其二，35 kV動態無功補償設備采用TCR，TCR工作原理是通過電壓斬波方式來動態調節施加到電抗器上的電壓的大小，以改變電抗支路的電感電流來實現無功動態補償。從電壓斬波調壓的工作原理可以知道，一旦TCR控制器的正負極性觸發脈沖相角不同，或者某種原因多次丟失同一極性脈沖（例如短時多次丟失負脈沖），就會在電網中注入直流分量。

其三，二次濾波設備停用，導致負載電流中二次諧波分量很大（見差動電流曲線），與奇次諧波的影響不同，富含二次諧波的負載電流，波形是正負半波不對稱的，也就是電流波形的正最大值和負最大值是不相等的，對CT來說，這種正負最大值的不相等的勵磁電流（即CT原邊電流）將導致CT鐵芯內的剩磁無法短時消除。

結合上述分析，可以確定在沖擊發生的時刻是低壓側CT出現了嚴重飽和，飽和原因可能如下：

（1）CT二次回路負載太重，這可能是二次回路中有接觸不良。

（2）低壓側差動CT錯誤使用了測量級，測量級CT的抗飽和能力極差。

（3）低壓側CT的抗飽和能力本來就比較差，例如保護級精度僅為10P10級。

（4）現場35 kV負載中事發前就出現直流電流分量，導致一次CT事發前就已經出現飽和，事發時的沖擊電流中的非周期性分量讓差動保護深度飽和，導致差動動作。

為了對上述判斷進行驗證，我們安排專業技術人員在現場進行了排查，排除了第1條、第2條原因的可能性。

為驗證正常情況下裝置的差動電流情況，以及諧波對差動電流的影響，我們在現場設備正常運行、生產的情況下，對3#變差動保護進行了手動錄波，具體波形如圖5所示。

圖5 正常運行時手動錄波

在圖5中，對A3A4A5通道，高壓側電流折算到低壓側的理想電流曲線與實際電流曲線幾乎完全重合。雖然正常運行時波形畸變也很嚴重，諧波含量豐富，但從圖5可以看出，幾乎沒有任何差動電流。由此判斷諧波不是導致CT飽和的主要原因，而直流分量才可能是真正的原因，但豐富的偶次諧波仍然是導致已含有剩磁的CT無法及時退出飽和的原因之一。

如前所述，每次當三根高壓電極插入鋼液時，對3#變壓器來說，就相當于一次區外三相短路，將產生比較大的沖擊電流。而每次石墨電極起弧瞬間（沖擊電流發生時），根據電流相角的不同，就會產生不同大小和極性的電流非周期分量。在熔煉過程中，根據生產工藝，將產生頻繁多次沖擊性電流，且每次沖擊都會產生非周期性分量。當兩次沖擊產生時間相距很近時，如果前一次沖擊電流的非周期性分量與后一次沖擊電流的非周期性分量極性相同時，在前一次沖擊時的剩磁作用下，后一次沖擊電流時CT更容易飽和。當短時連續多次出現非周期性分量極性相同時，CT就會逐步進入深度飽和。但當前后兩次出現反極性非周期性分量時，前一次沖擊電流產生的剩磁，反而會明顯提升CT對后一次沖擊抗飽和能力。

由于前后多次非周期分量同極性的概率相對較小，同時相鄰兩次沖擊如果間隔時間較長時，前次沖擊電流產生的CT剩磁，會被正常負荷電流逐漸消磁（但富含二次諧波的負荷電流會導致消磁變得困難）。所以日常生產中，上述LF爐生產工藝產生的固有的非周期性電流分量，并不會導致差動保護頻繁動作。

當CT出現極為嚴重的飽和時，差動電流波形與變壓器內部故障幾乎無異，因而差動保護也仍然可能判為是內部故障而保護動作。

從故障波形看，事發當時高壓側CT與低壓側CT抗飽和能力是明顯不同的，高壓側CT只有輕微飽和，原因在于：

（1）高壓側一次沖擊電流小于低壓側，根據變壓器變比，高壓側電流僅為低壓側的0.53倍，而高壓側CT的變比卻是低壓側的0.8倍，因此，相對于各側CT的額定電流，高壓側沖擊電流僅為低壓側的0.66倍，所以高壓側不容易飽和。

（2）變壓器穩態情況下是不能傳遞直流分量的，在暫態情況下，雖可以傳遞一定的直流分量，但卻不能100%傳遞。因此高壓側的直流電流分量占比，相對于低壓側會低些。

（3）從低壓側B相電流看，也存在明顯的直流分量，卻未發生嚴重飽和。原因在于B相沖擊電流，只有A相電流的0.57倍。顯然，當沖擊電流相對較小的時候，CT是不容易飽和的。這一點與高壓側CT在此次事故中未發生明顯飽和類似。

4 整改措施

通過上述分析，我們判斷造成差動保護動作的主要原因是低壓側的負載電流中經常性的存在非周期性電流分量，這些非周期分量主要是有沖擊電流造成的，但不排除TCR工作異常的影響。前后幾次沖擊中，相同極性的非周期性電流分量產生相同極性的剩磁累加，二次濾波設備退出運行又導致CT退剩磁更為困難，最終導致導致了低壓側一次CT逐步進入嚴重飽和而差動保護動作。為避免今后再有此類問題發生，可采取以下兩種辦法：

（1）3#主變低壓側更換抗飽和能力更強的一次CT，例如將CT規格由保護級5P20改為5P30。提升CT抗飽和能力最簡便的解決方案，就是將現在額定電流1000 A的CT（變比為1000/5），更換為相同保護級精度，但額定電流不小于1500 A的CT（1500/5），如有可能，更換為2000 A的CT（變比2000/5）將更好。增加CT變比在表面上是提高了CT的額定電流，實際上是增加CT的鐵芯截面積。在相同的一次電流的勵磁下，CT鐵芯截面積越大，抗飽和能力就越強。例如將額定2000 A的5P20的CT，用到額定1000 A的場合，其抗飽和能力相當于額定1000 A下5P40。經過上述整改，低壓側沖擊電流將下降到 10 A（1500/5）或者 7.5 A（2000/5）以下，通過前文的分析可知，此舉可基本解決沖擊電流的非周期性分量導致的CT飽和問題。（2）修改差動保護的定值，改變差動保護的涌流制動判據，例如將二次諧波制動改為偶次諧波制動判據，也可一定程度上減少因CT飽和而導致差動保護動作。但不提升一次CT的抗飽和能力，僅靠定值調整產生的效果是有限的。

5 結束語

差動保護原理簡單、使用電氣量單純、保護范圍明確、動作不需延時，一直用于變壓器做主保護，其運行情況直接關系到變壓器的安危，因此變壓器差動保護動作是供電系統頭等大事。但由于目前用電負荷性質復雜，造成差動保護誤動作的幾率也大為增加。本鋼連鑄LF爐供電系統多次出現主變差動保護誤動作現象，謹以此文向同業者提供一種防變壓器差動保護誤動作的思路。