一起CT飽和引起的主變分側差動保護動作情況分析

趙 磊

（國網寧夏電力有限公司調控中心，寧夏 銀川 750001）

1 事故簡述

2014年1月23 日，某330 kV變電站110 kV線路122彩二風線送電時發生線路近端接地故障。由于故障電流大，變壓器產生了較大的穿越電流，公共繞組CT飽和，導致2#主變發生分側差動保護越級動作。該主變配置某繼電保護公司的雙套保護裝置，經檢查發現，A套分側啟動差動保護動作，B套僅啟動保護，未動作。該變電站的主接線圖如圖1所示。

2 故障分析

對于該分側差動保護越級動作事故，分別從故障錄波、比率差動曲線以及諧波制動驗算3個方面分析事故發生的原因。

2.1 故障錄波波形分析

圖1中2#主變高中壓側額定容量為240 MVA，高壓側額定電壓Uh為345 kV，高壓側的CT變比為1 000:1，差動保護定值單如表1所示。將其他側電流折算至高壓側，計算出高壓側二次額定電流In為0.402 A，則分側差動啟動電流定值為0.5×0.402 A=0.201 A。

圖1 變電站主接線圖

表1 差動保護定值單

由故障記錄數據可知，動作時的A套保護裝置C相分側差動差流達到3.139 A。A套保護裝置動作時的中壓側電流波形、B套保護裝置啟動時的中壓側電流波形以及故障錄波器的中壓側電流錄波波形分別如圖2（a）、圖2（b）以及圖2（c）所示。

圖2 故障變壓器中壓側波形

對比圖2（a）、圖2（b）以及圖2（c）發現。故障時，兩套主變護裝置波形和故障錄波器波形基本上一致，因此排除裝置采樣問題。

2.2 比率差動曲線驗算

保護裝置采樣準確，根據采樣數據進行比率差動曲線驗算，可進一步確認事故發生原因。根據故障波形的標志集來計算，由于C相差流值遠遠大于A、B相差流值，故以C相來計算。又由于該越級動作事故為A套保護裝置發生分側差動保護動作，因此本文重點分析A套保護。分側差動保護將變壓器的各級繞組作為被保護對象，然后在各側繞組的首末端設置CT。本裝置中的分側差動保護由自耦變壓器高、中壓側外附CT和公共繞組套管CT構成。分側差動各側平衡系數與各側的CT變比有關。

高壓側平衡系數為：

中壓側平衡系數為：

公共繞組側平衡系數為：

其中，na.h，na.m，na.cw分別為高壓側、中壓側和公共繞組側的CT變比。計算分側差動時各側電流均折算至高壓側。此外，分側差動保護采用相電流計算，不需要作移相處理，且電流互感器各側的極性都以母線側為極性端。折算后各側相電流矢量值的計算如下：

差動電流為：

制動電流為：

保護裝置的比率差動曲線如圖3所示。

圖3 保護裝置比率差動曲線圖

根據故障波形采樣值以及以上原理，計算出A套保護裝置的分側差動曲線數據（只對C相做計算驗算），如表2所示。

表2 比率差動曲線數據

根據圖3保護裝置的比率差動曲線和表2的比率差動曲線數據，可以得到A套保護裝置動作時刻的比率制動曲線，如圖4所示。

圖4 A套保護裝置比率制動曲線

由圖4可知，制動電流是3.875 A時，差動動作電流門檻值是2.471 3 A，當產生的差流為3.151 A大于2.471 3 A時，比率差動動作，其余點的計算量也滿足動作條件。由于A套和B套采樣數據接近，故B套的比率差動也滿足動作條件。

2.3 差動保護裝置諧波制動作用

該變壓器保護的分側差動保護具備CT飽和檢測功能，通過判別差流二次諧波、三次諧波的含量及差流連續性判別元件。二次諧波和三次諧波判別取或后，與差流連續性判別元件取與邏輯，當滿足飽和判別后提高差動門檻及比率制動曲線[1]。

A套保護裝置的錄波開關量曲線如圖5所示。該保護分側差動保護啟動后，二次諧波和三次諧波一直在判別門檻附近，在分側差動動作時刻，差流的二次諧波和三次諧波元件均開放，因此A套保護分側差動保護動作。

圖5 A套保護錄波開關量曲線

B套保護錄波開關量曲表如圖6所示，分側差動啟動后，與A套相同時刻時的二次諧波和三次諧波未同時滿足開放條件，因此B套保護分側差動未動作。

綜上所述，在轉換性故障之后，中壓側C相電流出現深度飽和故不能正確傳變電流，導致分產生差差流，且滿足比率差動動作條件。B套未動作的原因在于CT飽和檢測滿足后，差動保護門檻及比率制動曲線均有所提高，差動電流未達到動作條件。

圖6 B套保護錄波開關量曲線

3 CT飽和原因分析及其對保護的影響

現場使用的CT型號是10P30，通過現場故障過程的波形記錄，可以看出其CT特性相對較差[2]。理論證明，當發生區外短路故障時CT不會立即飽和，外部短路后的暫態不平衡電流不會立即出現，但是P級CT在故障時容易出現飽和，其飽和與以下幾個原因有關[3-5]。

3.1 與CT剩磁的大小和方向有關

系統發生故障時，故障電流由直流分量、非周期分量以及穩態分量組成。P級CT的誤差只考慮穩態電流的影響，當變壓器發生區外故障或者線路重合于永久故障時，CT鐵芯中包含交流穩態磁通，直流分量引起的非周期磁通以及鐵芯中的剩磁。這3種磁通相互疊加后，將加劇CT的飽和程度。

3.2 受CT二次負載和故障電流影響

在同樣電流下，感應電動勢與二次負載阻抗成正比，而在同樣負載阻抗下，CT二次回路線感應電動勢與二次電流成正比。當故障發生在被保護設備近端時，將會產生很大的短路電流，如果CT二次所帶負載較多導致二次阻抗過大，或額定準確極限選擇不當，將會引起CT鐵芯磁通密度增大，從而造成CT飽和。

3.3 保護用CT變比對繼電保護的影響

當選擇的保護CT匝數很小時，二次匝數必定不多。如要同時兼顧額定準確極限電流的倍數不降低，即具有一定的抗飽和能力和帶負載能力，則必須要求硅鋼片具有良好的導磁性能，而且需要增加鐵芯截面。因而，考慮到保護CT生產過程中的技術性能和經濟指標，應盡量選擇較大變比的保護CT，特別低壓饋線保護CT不宜選用100/5及以下的變比，除非實際一次短路電流特別小。

當變壓器發生區外近端故障時，將產生很大的穿越電流，使CT一次電流超過其實際準確限值電流倍數，鐵芯在一次電流過零點前后時刻達到飽和狀態。在一次電流上升或下降階段，由于鐵芯飽和，磁通不再發生變化，二次感應電動勢為零。而在一次電流過零點前后時刻，磁通急劇變化，使CT二次感應出短暫的電動勢，形成時間間隔很長的尖頂波，如圖7所示。尖頂波在一周期內的有效值很小，因而在回路電抗上產生的電流很微弱。如果接入差動保護兩側的CT產生不同程度的飽和，則會形成差流，在滿足制動電流的條件下促使差動保護誤動。

圖7 CT飽和時二次感應電動勢

根據國標Q／GDW175-2013《變壓器、高壓并聯電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設計規范》要求，對于330 kV及以上電壓等級變壓器，包括公共繞組CT和低壓側三角內部套管（繞組）CT在內的全部保護用CT均應采用TPY型CT。而該事故現場由于使用P級CT，從而導致差動保護裝置誤動事故。

4 結 論

隨著電網規模的不斷擴張和電壓等級的不斷提升，系統短路電流的數值也在不斷攀升，因此對CT的要求越來越高，P級CT難以滿足高電壓等級系統的要求。本文排查分析一次差動保護誤動事故的原因，確定事故起源，最后分析P級CT的飽和原因以及對保護電流的影響，結合國標規范，根據現場的實際情況，建議330 kV及以上電壓等級變壓器使用TPY型的CT。