水電站變壓器差動保護動作分析與處理

梁曉東

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

基于電力系統運行分析可知，無論是發電、輸電，還是最終配電環節，均離不開變壓器的可靠運行。根據相關理論與實踐經驗分析可知，為保證變壓器安全運行，差動保護不可或缺，其可最大限度減少各類故障對變壓器運行的影響，及早發現故障，恢復系統運行。對此，本文主要圍繞水電站變壓器差動保護展開分析。

1 水電站變壓器差動保護概述

近年，隨著我國電力事業、新能源產業的穩步發展，水電站的修建規模持續擴大。據統計，2019年底我國水電站裝機容量已經達到3.56億千瓦時，近年我國水電裝機容量發展情況如圖1所示。這意味著不少大容量變壓器投入使用，如何保證其運行穩定性是一個關鍵問題。

圖1 2014—2019 年中國水電裝機容量情況

在水電站運行中，變壓器是重要的電氣設備，其主要基于電磁感應原理承擔不同電壓等級互聯作用，屬于一次設備。為保證電力系統可靠運行，減少故障影響范圍，必須針對各種故障情況設計保護裝置，電力變壓器保護類型如圖2所示，其分為主保護和后備保護兩大類。本文主要圍繞主保護中的差動保護展開分析，其對變壓器運行安全具有重要意義。

變壓器差動保護主要反映的故障見表1，結合變壓器差動保護實際運行情況分析可知，其較難反映變壓器內部短路故障，必須配合瓦斯保護等有效解決保護死區問題。

圖2 電力變壓器保護類型

2 水電站變壓器差動保護動作原理及其影響因素

2.1 差動保護動作原理

差動保護是基于基爾霍夫電流定律實現故障檢測，可靈敏檢測保護區內故障。根據變壓器實際運行情況分析可知，變壓器差動保護具有帶制動特性，變壓器外部短路電流越大，制動電流越大，保護不會誤動。然而實際運行中也會遇到一些特殊情況，出現誤動問題。必須準確分析變壓器差動保護動作原因，查明是否存在誤動，明確故障原因和位置，制定處理措施，切實保證變壓器可靠運行。

表1 變壓器差動保護主要反映的故障

2.2 差動保護動作影響因素

基于變壓器差動保護運行可靠性要求，必須要分析容易造成誤動問題的主要影響因素，保證差動保護的靈敏性與可靠性，具體分析如下：

（1）不平衡電流方面。變壓器運行中，不平衡電流的存在直接影響差動保護動作正確性，歸納導致不平衡電流的原因：①計算變比與實際變比不一致；②變壓器擋位變化影響；③CT傳變誤差；④勵磁電流影響。

（2）電流互感器局部暫態飽和方面。電流互感器剩磁電流較大、負荷電流較小，則二次電流數值、相位偏差較大，引發差動保護誤動。

（3）勵磁涌流方面。變壓器空載合閘時會出現較大的空載電流，即勵磁涌流。勵磁涌流屬于正常情況下產生的電流，不應引起差動保護動作，但是其又屬于差電流，這也是導致變壓器差動保護誤動的重要原因。

（4）接線錯誤方面。接線錯誤引發的變壓器差動保護誤動問題，主要有2種：①變壓器一次、二次接線極性接反；②差動保護元件極性接反。根據某水電站主變差動保護誤動情況統計，10年間共發生18次誤動，其中，接線錯誤、電流互感器二次端子接觸不良與斷線各發生2次。由此不難發現，變壓器差動誤動中，人為因素影響不容小覷，必須規范進行相關安裝作業，落實日常檢查與管理工作，保證系統運行安全性。

（5）電流互感器二次端子接觸不良方面。電流互感器二次側端子往往年限較長，很可能出現CT接線松動的情況，一旦出現機械振動等問題，極易引發斷開問題，或是二次側連接導線由于過度磨損出現斷線問題。水電站變壓器實際運行中，一旦產生接觸不良、短線問題，差動電流將轉變為正常運行單相電流值，這也就導致差動電流高出整定值，引發誤動。同時，若是變壓器內部故障，差動電流為零，無法準確判斷故障，引發拒動問題。

2.3 提高差動保護動作可靠性的措施

（1）通過減小不平衡電流可有效降低變壓器差動保護誤動率，主要方法有：①差動保護設計前采取補償措施；②統一電流互感器的廠家、型號等，保證兩側電流互感器磁化曲線基本一致；③優化電流互感器接線方法。

（2）減少勵磁涌流引起的誤動，主要方法：①設速飽和中間變流器；②二次諧波制動；③間斷角檢測，及時閉鎖差動保護。

（3）水電站運行、檢修人員必須落實日常檢修管理等工作，快速識別接線錯誤、二次端子接觸不良等故障，迅速解決問題，穩定系統運行。

3 水電站變壓器差動保護動作及其處理方法實例

水電站運行中，一旦出現變壓器差動保護動作，必須立刻落實相關運行檢查工作，判斷是否存在故障，并對故障情況進行分析，合理制定處理方案，及時恢復水電站正常運行。

3.1 項目背景

以某水電站廠高變差動保護動作為例，展開分析。該水電站采用200 MW水輪發電機組、三繞組廠高變，為保證變壓器可靠運行，配置WFB-800型微機保護裝置，機組帶152 MW負荷正常運行時，廠高變差動保護動作，機組全停。

3.2 運行檢查情況

本次差動保護動作發生后，第一時間組織落實相關檢查工作，具體檢查情況如下。

（1）發變組保護動作情況根據本次初步檢查結果顯示，發變組保護動作情況：①無信號，發變組保護A屏、非電量保護C屏；②有信號，B屏WFB-803保護裝置“啟動”“信號”“跳閘”信號亮起。本次具體動作報告見表2，其中，K是電流平衡系數，以高壓側電流為基準。

（2）差動保護動作行為分析。本項目中，廠高變差動保護采用比率差動原理，具體為：IOP＞IOP.0，Ires≤Ires.0，IOP＞IOP.0+S（Ires-Ires.0），Ires＞Ires.0。其中，IOP是差動電流，Ires是制動電流，IOP.0是差動最小動作電流，Ires.0是制動電流整定值，S是比率制動特性斜率。由此可得，IOP=｜I1+I2+…+In｜，Ires=max{｜I1｜，｜I2｜，…，｜In｜}。

表2 13：36：55：312廠高變差流越限動作時采樣數據

根據表2數據分析可得，A相三側電流幅值、相位正常，差動保護無動作。

廠高變B相比率差動動作時的采樣數據見表3，其中，K是電流平衡系數，以高壓側電流為基準。

表3 13：36：59：946廠高變B相比率差動動作時的采樣數據

根據表3數據情況，具體分析：IopB=｜IHB+KILa.B+KILb.B｜=｜2.51∠351°+1.38∠126°+1.23∠124°｜=2.0 A，IresB=max {｜IHB｜，｜KILa.B｜，｜KILb.B｜}=2.51 A，IopB＞IOP.0=1.15 A，IresB＜Ires.0=3.82 A。據此分析，可得B相比率差動動作。

同時，對表3中的C相進行分析：IopC=0.5 A＜Iop.0=1.15 A。據此分析，可得C相比率差動不動作。

此外，還可對IopB、IopC進行計算，所得數值分別為0.65 A、0.67 A，超過差流越限定值（0.6 A），產生“廠高變差流越限動作”報警。綜上分析，本次保護動作情況：①B、C相差流越限動作；②4624 ms后，B相比率差動保護動作，機組全停。

3.3 故障判斷情況

結合檢查結果與相關分析，針對本次差動保護動作情況，初步排除電氣一次設備區內故障，主要分析如下：

（1）高壓側B、C相故障電流幅值下降，相位變化大，低壓側無變化，三相正序對稱。

（2）發變組差動保護未動作，表明高壓側未故障。

（3）引發B相比率差動動作的故障電流不具有區內故障特征，具體：①任一側負序電壓＞5 V；②啟動后任一側、任一相電流增加；③啟動后最大相電流＞（1.2×額定電流），結合表3分析顯示，未超過額定電流（3.82 A）；④與啟動前相比，三路電流減少。綜合上述分析情況，初步判斷廠高壓側B、C相電流二次回路出現問題。

3.4 二次回路檢查分析

結合上述分析結果，進一步開展二次回路檢查工作，廠高變就地端子箱檢查結果如下：

（1）端子箱密封圈老化。

（2）電流接線端子質量較差。

（3）連接三相電流互感器二次繞組尾的連線燒斷。

CT二次電流接線如圖3所示，根據實際檢查情況發現，端子a點存在燒黑跡象，N581線完好、B/C相尾與端子a點相連的線燒斷。檢查中區下燒斷導線，發現導線絕緣層膨脹且分布有大量銅綠。對比燒斷的導線與N581線發現，線徑相差較大，分別為1.5 mm2、2.5 mm2。綜合上述分析結果判斷，端子a未松動，但是由于燒斷的導線線徑較小，端子處接觸不良。端子箱密封不良，容易加劇氧化。線路運行的是相電流，接觸不良后導線發熱，最終被燒斷。此外，由于N581線運行正常，因此故障前后A相電流未發生改變，這也驗證了上次檢查結果。

圖3 CT 二次電流接線

3.5 處理方法

根據本次檢查與分析結果顯示，廠高變差動保護動作產生的主要原因在于二次回路問題，為盡快恢復機組正常運行，采取以下措施。

（1）更換現場端子箱密封膠圈，切實保證端子箱嚴密，防止導線等過快氧化，引發事故。

（2）將普通端子更換為電流專用端子，及時檢查不同線徑，處理好各種隱患。

（3）調整差流越限定值，取0.382 A，延時整定3 s，保證差動保護靈敏性。

（4）落實二次回路巡查工作，定期進行紅外測溫，并利用微機保護實時監測功能，做好相關數值分析比較，為狀態檢修提供可靠依據。

通過實施上述措施，切實保證二次回路正常運行，提高差動保護可靠性，實現機組穩定運行。

4 結語

為保證電力系統運行穩定，必須重視變壓器的差動保護問題，其運行情況相對較為復雜，在保證差動保護對內部故障靈敏度的同時，需加強對各種容易引發差動保護誤動因素的認知與分析，保證差動保護可靠性。根據實踐經驗分析，水電站變壓器運行中一旦出現差動保護動作，必須及時做好相關檢查工作，判斷故障原因、位置等，及時處理故障問題，確保變壓器安全運行。