一起500 kV主變壓器倒送電保護動作原因分析

劉 灝，魏玉芳

（國能大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 雅安 625304）

0 引言

變壓器是電力系統重要輸配電設備之一，主要作用是變換電壓以及功率交換，大型水電站升壓變壓器作用①是將發電機出口電壓升壓至電網系統電壓，使電能經更高電壓等級輸送至輸電網或配電網，可以減少線路損耗，提高輸送電能的經濟性，達到遠距離輸電的作用，②在發電機停運的情況下，可以從電網吸收功率，將系統電壓降壓至高壓廠用母線電壓，向水電站高壓電動機、低壓廠用變壓器等負荷供電，確保廠用電系統安全穩定運行。

為確保水電站發電機停運后通過電網倒送廠用電時主變壓器的安全穩定運行，主變壓器保護除配置差動保護、重瓦斯保護等主保護外，還配置了主變倒送電保護作為該運行工況下主變壓器、高壓廠用變壓器的特殊后備保護。本文介紹某水電站500 kV主變壓器在停電檢修后首次充電時倒送電保護動作的情況，從倒送電保護動作邏輯、定值整定計算、保護動作波形等分析得出保護動作原因，并提出了相應防范技術措施。

1 保護動作事件簡介

某水電站裝設6臺600 MW混流式水輪發電機，發電機變壓器采用單元接線方式，發電機額定電壓20 kV，主變壓器容量667 MVA，變比550 kV/20 kV，發電機與變壓器之間經離相封閉母線、出口斷路器等輸配電設備連接，同時主變壓器低壓側與高壓廠用變壓側連接，該水電站3號發變組單元接線圖如圖1所示，3號主變壓器保護裝置采用南瑞繼保公司PCS-985TW型微機保護裝置。

圖1 某水電站3號發變組單元接線方式圖

2021年5月30日，某水電站3號發電機處于停電檢修狀態，500 kV 3號主變壓器已完成年度檢修及預防性試驗，按照調度命令即將投入運行，在合500 kV高壓側斷路器對3號主變壓器充電時，雙重化配置的兩套PCS-985TW變壓器保護裝置動作跳開500 kV高壓側斷路器，3號主變壓器充電失敗，現場運行人員檢查2套主變保護裝置跳閘燈亮，保護裝置面板顯示“倒送電保護 動作”，對3號主變壓器、3號高壓廠用變壓器等一次設備進行全面檢查，未發現明顯異常。

2 倒送電保護動作原因分析

2.1 倒送電保護邏輯及定值整定

PCS-985TW變壓器保護裝置配置的倒送電保護，作為主變壓器倒送廠用電時后備保護功能，可通過“電流通道選擇”控制自選取主變高壓側、中壓側或低壓側電流，該水電站取的主變高壓側電流作為保護動作電流判據，同時取發電機機端電流作為輔助閉鎖判據。保護裝置取發電機出口斷路器分閘位置輔助節點作為倒送電保護投退判據，即當發電機并網運行時，出口斷路器在合閘位置，倒送電保護功能自動退出，當發電機非并網運行，出口斷路器在分閘位置，倒送電保護功能自動投入。為防止二次回路異常原因引起的保護裝置斷路器分閘位置誤開入造成倒送電保護誤動作，設置了斷路器分閘位置開入異常報警邏輯，即保護裝置收到斷路器分閘位置開入且采集到發電機機端有電流時，閉鎖倒送電保護功能，同時保護裝置延時10 s發“機端斷路器位置報警”信號。

該水電站500 kV主變壓器容量667 MVA，變比為550/20 kV，接線組別為Yn,D11，高低壓側額定電流之比為700/19 254.6 A，主變高壓側電流互感器變比為2 000/1A，主變壓器倒送電保護過流元件按照躲過主變高壓側額定電流整定，過流元件 動 作 值：Iop=Krel×Ie/Kr×TA=1.2×700/0.95× 2 000=0.47 A，式中：Krel—可靠系數；Kr—返回系數；Ie—額定電流；TA—高壓側CT變比；動作延時設置為0.7 s。

2.2 保護動作波形分析

繼電保護人員現場導出故障錄波波形及保護裝置動作波形進行分析，其中1套PCS-985GW保護裝置動作波形及諧波分析圖如圖2所示，可見3號主變壓器高壓側三相電流呈勵磁涌流波形特征，三相電流波形偏向時間軸一側，且間斷明顯，二次諧波含量高，三相二次諧波含量均超過35%，因此主變差動保護受二次諧波制動閉鎖未動作。在合閘時刻約60 ms后，主變壓器高壓側三相電流分別為0.220 A、0.680 A、0.506 A，B、C兩相電流已達倒送電保護動作電流定值，其中B相最大電流近2倍額定電流，因此保護裝置啟動，雖三相勵磁涌流持續衰減，但700 ms后至保護裝置動作跳閘時刻，B相電流仍有0.482 A，大于倒送電保護動作定值，因此雙套主變壓器保護裝置出口動作。

圖2 變壓器保護裝置動作波形及諧波分析圖

2.3 分析結論

綜上分析可判斷PCS-985TW保護裝置屬于正確動作，動作原因為主變壓器充電時產生較大勵磁涌流且持續時間較長，而主變壓器倒送電保護動作時間整定未可靠躲過主變勵磁涌流持續時間，導致保護動作跳開500 kV側斷路器，主變壓器充電失敗。

該水電站繼電保護人員在整定計算倒送電保護定值時，統計查看了自投產以來歷年主變壓器充電時刻勵磁涌流波形數據，根據統計數據得出主變壓器充電時20 kV高壓廠用變壓器勵磁涌流較大，但500 kV主變壓器勵磁涌流幅值往往不大，且400~600 ms內可衰減至主變壓器額定電流以下，因此倒送電保護動作延時整定為0.7 s，兼顧作為后備保護保持保護速動性，但由本次事件可知，主變倒送電保護動作時間仍未可靠躲過勵磁涌流持續時間。

3 應對及防范措施

3.1 倒送電保護壓板臨時退出

主變壓器倒送電保護僅在發電機停運、通過電網倒送廠用電的特定運行工況下起到變壓器后備保護的作用，因此建議運行規程中明確在主變壓器充電時臨時退出倒送電保護功能壓板，確保主變壓器充電正常后再投入該功能壓板，該情況類似在主變壓器具備送電條件到正常送電期間，因冷卻器均處于停運狀態，防止冷卻器全停保護動作跳閘臨時退出冷控失電跳閘功能壓板，待主變壓器充電正常后立即投入，考慮到大型水電站的升壓主變壓器作為電網重要輸變電設備，停運、投運工況切換不多，因此該解決方案不會增大運行值班人員工作量。

而發電機并網或解列時，不建議調整倒送電保護功能壓板投退狀態，原因為①PCS-985TW保護裝置可根據發電機出口斷路器分閘位置信號開入情況自動投退倒送電保護功能，且防誤動作邏輯采用“電氣量（斷路器分閘位置信號）+模擬量（發電機機端電流）”的閉鎖方式，防誤閉鎖邏輯可靠；②水輪發電機具有開停機速度快的優點，因此常在電力系統中擔任調峰、調頻、事故備用等任務，且大型水電站一般采取“無人值班、少人值守”模式，因此隨發電機并網或解列調整倒送電將極大增加運行人員工作量。

3.2 倒送電保護動作時間調整

目前DL/T 684-2012《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》對于主變壓器倒送電保護定值整定無明確規定，各發電廠一般根據本廠主變壓器運行經驗來整定計算倒送電保護定值，即參考歷年主變壓器充電時勵磁涌流情況統計，確保倒送電保護動作時限能躲過勵磁涌流持續時間，但由于統計樣本不足，勵磁涌流特征有很大隨機性，難以完全可靠避免。

勵磁涌流大小與主變壓器剩磁和充電合閘初始角（相位）有關，剩磁越大則勵磁涌流越大，大容量變壓器勵磁涌流幅值可達6~8倍額定電流，而持續時間則與鐵心的飽和程度、變壓器容量有關，小型變壓器勵磁涌流經0.5~1 s后衰減至額定電流0.25~0.5倍，大型變壓器衰減速度則更慢，涌流持續時間更長，因此考慮保持倒送電保護速動性，建議整定時限按照避開系統振蕩持續時間、不超過1.8 s整定。

3.3 電流通道選擇低壓側電流

根據勵磁涌流產生機理，再合主變壓器高壓側斷路器對其全電壓充電時,僅在其高壓側充電繞組中產生勵磁涌流，而低壓側繞組中電流為零，因此可設置PCS-985TW裝置倒送電保護“電流通道控制字”，選擇主變壓器低壓側電流作為倒送電保護動作電流判據，可有效避免該問題，該方案雖然縮小了倒送電保護范圍，保護范圍不再包含主變壓器，但考慮到主變壓器已配置了靈敏速動的差動保護、重瓦斯保護，因此可采取該方案。

4 結語

針對某水電站500 kV主變壓器充電時倒送電保護動作事件，從倒送電保護邏輯、整定計算、保護動作波形等開展分析，得出本次倒送電保護動作原因為主變壓器充電時高壓側勵磁涌流持續時間超過倒送電保護動作延時導致，提出了3種防范技術方案：①主變壓器充電時退出倒送電保護壓板；②延長倒送電保護動作時間；③倒送電保護取變壓器低壓側電流。這3種防范措施對避免類似事件發生具有一定的借鑒意義。