220 k V 主變壓器比率差動保護誤動作分析

陳天英，李鐵成，侯仰軍，李 澤，陳鑠鑫

（1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021；2.河北華電石家莊熱電有限公司，河北 石家莊 050021；

3.河北華瑞能源集團有限公司，河北 石家莊 050021）

變壓器差動保護作為變壓器內部故障的主保護之一，其保護范圍包括變壓器本身、電流互感器與變壓器的引出線等，變壓器保護誤動作跳閘會嚴重影響供電可靠性，造成停電面積增大[1]。研究表明大多保護誤動作是由于不平衡電流、回路故障、絕緣不良、電磁干擾等造成的，近年來對于跳閘事故的研究多集中在繼電保護及自動裝置外部回路上，對裝置本身元件及回路故障少有涉及[2]。本文以一起主變壓器（簡稱“主變”）保護裝置無故障跳閘事故為例，深入研究保護裝置內部原理，通過分析本次故障情況找到變壓器保護誤動作原因，并提出相應的整改措施。

1 故障介紹

2019年7月2日15時34分56秒，220 k V M 站內110 k V N 線路發生W 相永久性接地故障，13 ms 110 k V N 線路保護快速動作，58 ms三相開關跳開，1 574 ms重合于故障，1 656 ms三相開關再次跳開，1 717 ms 220 k V M 站內1號主變A 套保護（CSC-326D）V、W 相比率差動動作出口，V 相差動電流為0.980 A，制動電流為1.055 A，W 相差動電流為0.980 A，制動電流為0.883 A，1 768 ms 1號主變三相跳開，故障過程中主變保護裝置無告警。

2 故障原因分析

2.1 主變差動保護定值分析

調閱1 號主變故障錄波圖發現，1 號主變A套保護動作出口時，故障電流大小與第一次故障時基本相同，且1號主變高中低三側電流之和基本為0，為區外故障特征。

調閱1 號主變A 套保護裝置內部錄波圖發現:（1）CPU1的高壓1側U、V 兩相呈現正常的故障電流波形，高壓1側W 相電流錄波為145 A左右的直流量，高壓2側三路電流在外部無輸入的情況下，同樣采集到145 A 左右的直流量，波形不正常，如圖1所示；（2）CPU2的高壓1側波形呈現正常的故障電流波形，高壓2側電流通道呈現正常的零漂電流波形，如圖2所示。在圖1和圖2中，錄波通道I1 A/I1B/I1C 表示主變高壓1側電流，錄波通道I2 A/I2B/I2C 表示主變高壓2側電流（備注:外回路無接線）。

圖1 主變A 套保護CPU1錄波數據

圖2 主變A 套保護CPU2錄波數據

根據1號主變保護裝置內部錄波分析，A 套保護CPU1的高壓1側W 相電流和高壓2側三相電流采樣存在異常，經現場查勘異常采樣均來自CPU1的第三塊AD芯片，初步懷疑該AD芯片損壞。

根據差動動作判據對主變三側采樣所得的電流量進行計算[3]，動作電流門檻值為Idz，差動保護最小啟動電流為Icd，拐點電流分別是0.6Ie和5Ie，比率制動系數分別是S1、S2和S3，保護動作時刻V 相的制動電流為1.055 A，差動電流為0.980 A，顯然在S2段，動作電流門檻值Idz＝S2（Izd-0.6Ie）＋0.6IeS1＋Icd＝0.5×（1.055-0.6Ie）＋0.2×0.6Ie＋0.45＝0.814 A，式中，Ie＝＝0.904 A，主變差動保護的動作曲線如圖3所示。

圖3 主變差動保護動作曲線

動作時刻的差動電流為0.980 A，大于對應的動作門檻值0.814 A，因此CPU1的V 相差動保護動作出口，（W 相同理），同時，由于N 線路故障，使得主變A 套保護感受到電流突變，因此CPU2啟動，滿足保護動作條件，主變A 套保護跳閘出口。

綜合上述分析，判定主變并未發生故障，主變A 套保護應屬無故障動作，B 套保護不動作屬正常行為。

2.2 主變差動保護動作邏輯

主變差動保護裝置CSC-326 D 為雙CPU＋雙A/D 設計，CPU1負責保護邏輯，CPU2負責啟動[3]。CPU1在自身差動保護已滿足動作條件且收到CPU2發送過來的“差動啟動標志”時瞬時動作出口，另外為防止2個CPU 間的通信問題影響保護動作行為，如果沒有收到CPU2發送過來的“差動啟動標志”時，會延時60 ms后動作出口[4]。

兩次故障時，1號主變A 套保護CPU1差動保護均動作，CPU2采樣通道正常，但CPU2僅啟動差動保護并未動作，因此并未給CPU1發送“差動啟動標識”，按照動作邏輯，1號主變A 套保護應延時60 ms出口，首次故障時，58 ms切除N 線路故障，未達到動作所需的60 ms，故主變A 套保護未動作。

2.3 主變差動保護告警信號

根據保護裝置邏輯，差動電流越限定值Is＝MAX（差動電流越限門檻值，差動電流越限封底值），考慮TA 的采樣精度，程序內部設置了差動電流越限封底值為0.06I n（I n為二次額定電流），裝置最小精確工作電流為0.08。

M 站主變差動啟動電流定值為0.45 A，高壓側TA 變比為2 500/5，差動電流越限定值Is＝MAX（0.3×0.45，0.06×5）＝0.3 A，通過分析A 套主變保護的啟動錄波可知，運行過程中的差動電流基本保持在0.1 A左右，小于差動電流越限定值0.3 A，因此保護裝置未判出差動電流越限告警。

2.4 硬件檢測分析

搭建與現場一致的裝置環境，對現場返回插件進行故障復現，上電后使用測試儀進行加量，高壓1側W 相電流采樣為零，完全復現現場現象。

（1）對CPU 插件5SF.004.071/V2外觀進行目檢，插件上元器件及連接器外觀均完好，未有磕碰破損現象。

（2）對CPU 插 件 上 的 元 件 D10 芯 片（AD7865）焊點進行鏡檢，焊點焊接良好，排除了AD 芯片焊接質量問題。

（3）對單板上電進行測試，測試AD 芯片電源（vcc）輸出電壓為5.06 V，測試運放芯片正負電源輸出＋12.01 V 和-11.98 V 均正常。

（4）使用信號發生器分別在元件編號N3芯片（OP497）的輸入端pin-3、pin-10、pin-12、pin-14施加工頻1.0vpp信號，用示波器分別跟蹤測試元件N3芯片對應的的輸出端信號（即:元件D10-AD7865模擬量信號輸入端）均正常，通過該測試手段，初步推測運放芯片功能正常。

（5）為了進一步判斷AD 芯片失效模式，使用晶體管圖示儀，依據AD 芯片（元件編號D9）模擬量輸入端I-V 曲線為參考源（D9和D10外電路完全一致），比對測試AD 芯片（元件編號D10）的4路模擬量輸入端I-V 曲線，比對結果表明兩片AD 芯片的輸入端I-V 曲線完全一致。因此，排除了AD 芯片因電過應力而導致的失效，進一步推測AD 芯片內部數據處理錯誤。

（6）使用仿真器查看AD 芯片輸出原始碼值，發現高壓1側W 相、高壓2側U/V/W 相采樣發生滿偏，如圖4所示，通過核對，其正好對應高壓1側W 相、高壓2側三路電流，從而可以判定為AD芯片內部回路損壞，導致內部參考電壓出現異常，數據發生了偏移。

圖4 AD 芯片輸出原始碼值

3 整改措施

（1）從保護軟件方面，結合專業檢測的要求，對后續生成裝置增加零漂越限告警功能，零漂越限告警功能判據為:當某一電流通道的直流分量含量持續1 min大于20%I n時，裝置報“零漂越限告警”。零漂越限告警能有效檢出AD 芯片損壞，對AD 芯片損壞，電流采樣滿偏有很靈敏的識別能力。

（2）為該AD 芯片加裝看門狗（watchdog），看門狗是通過軟硬件結合的方式實現對系統運行狀況的監控，它會定期查看芯片內部情況，若在一定周期內看門狗沒有收到來自軟件的信號，則認為系統故障，會進入中斷處理程序或強制系統復位。

4 結論

本文通過定值計算及硬件測試分析，解決主變差動保護誤動作故障的三大疑點，為防止再次發生同類型差動保護誤動作提供技術及經驗依據，并針對AD芯片存在的問題制定整改措施及建議，有效降低了使用該芯片保護裝置存在的安全隱患。之后將進一步研究AD 芯片在保護裝置內的運行機理，提升保護裝置軟件方面的穩定性，為主變保護裝置可靠動作提供有力的理論依據。