500 kV變壓器瓦斯繼電器誤動作原因分析與處理方案

侯為林，李剛，李坤鵬，孔令杰，常東亮，方書博，陳昌山

(河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉 453636)

故障經過重瓦斯保護是變壓器內部故障的主保護，能直接反應變壓器內部所有短路故障造成的嚴重發熱現象而直接出口跳閘，有效避免短路故障對主變本體的損壞，其動作的可靠性對于變壓器的正常運行來說至關重要。但在現場實際運行中，瓦斯保護卻往往因為各種意外情況而發生誤動，因此，結合近年來類似的案例，分析重瓦斯保護誤動原因，采取相關措施，以防止類似事故的發生。

1 故障現象

1.1 故障經過

某電站電氣主接線如圖1所示，2019年，該電站3、4主變修后復送電，在執行至合500 kV開關5013開關時，5013開關合閘失敗，監控報警如下：

圖1 電氣主接線圖

64GEV_001XV_DI_TRP，4號主變非電氣量主跳繼電器動作跳閘。

EX05_64GEV001XV_TRP，4號機組跳閘。

63GTA_001GA_NB_ES，相鄰機組跳3號主變。

83LRG_001JD_DZ_GEV4，4號主變跳5012、5013開關。

報警信息顯示，5013開關跳閘原因為4號主變非電氣量保護跳閘繼電器001XV動作，具體原因需開展進一步檢查。

1.2 保護動作情況

5013開關合閘失敗后，對全廠保護動作情況進行檢查。

1)開關站500 kV設備保護動作情況。500 kV線路保護、5011/5012/5013開關保護均未動作，5013開關分相操作箱跳5013開關三相指示燈亮，5013開關三相均在分位。

2)地下廠房3、4號主變保護動作情況。3號主變保護裝置未動作，4號主變保護裝置未動作，3號主變非電氣量保護繼電器001XV未動作，4號主變非電氣量保護繼電器001XV動作。

3)錄波文件分析。查閱故障錄波，5013開關跳閘時4號主變高壓側二次電流值0.619 A，電流互感器變比為1250/1，折算到一次側電流為773.75 A(4號變壓器高壓側額定電流為396 A，空載電流為0.07%)。根據計算結果，此次5013開關合閘4號主變產生2倍勵磁涌流。

2 現場檢查處理

重瓦斯保護動作后，現場運維人員對一次設備進行全面檢查。

1)檢查主變本體,高低壓側連接無放電痕跡，油溫繞組溫度正常，中性點連接正常。

2)檢查主變低壓側電抗器，連接正常，無放電痕跡。

3)檢查勵磁變，勵磁變高低壓側正常，無放電痕跡，勵磁變溫度正常。

4)檢查主變低壓側PT、電容器，均連接完好無異常情況。

5)對4號主變進行預試，表1為直流電阻測試值，表2為絕緣電阻測試值，試驗數據均合格[1]。

6)4號主變沖擊后，對4號主變絕緣油進行油色譜分析：氧氣、乙炔、氮氣含量均為0，氫氣含量為4.313，數據正常。數據見表3。

表1 直流電阻測試值

表2 絕緣電阻測試值

表3 4號主變油色譜分析 μL/L

7)對瓦斯繼電器定值進行測試，定值為1.5 m/s，滿足規程[2]要求，定值合格。

3 故障原因排查

3.1 重瓦斯繼電器及回路檢查分析

主變重瓦斯保護回路檢查，查看氣體繼電器本體，未發現氣體繼電器本體內部有氣體存在，檢查氣體繼電器無滲漏，定值(1.5 m/s)復測在正常范圍內。對報警回路進行檢查，上送4號主變非電氣量保護跳閘繼電器001XV回路正常。對重瓦斯跳閘回路電纜進行檢查，確認無寄生回路。進行絕緣檢查，2根電纜線芯對地絕緣分別為669、684 GΩ，2根電纜間絕緣電阻為1.76 TΩ，電纜絕緣正常，排除主變重瓦斯保護回路接地誤動可能。

根據主變重瓦斯保護工作原理可知，若變壓器內部故障(匝間短路、絕緣破壞、鐵芯過熱燒傷等)，會使變壓器絕緣材料或變壓器內油受熱分解，產生大量氣體，但本次4號主變壓器重瓦斯保護動作跳閘后檢查瓦斯繼電器內部未發現氣體，變壓器油中各烴含量未見明顯異常，說明重瓦斯保護動作并不是由變壓器內部電氣故障引起的。

3.2 勵磁涌流及諧波分析

4號主變合閘后直流分量較大，其中基波分量為0.616 A，直流分量為0.628 A，直流分量為基波分量的1.02倍，如圖2所示。

3號主變合閘后直流分量較小，基波分量為0.283 A，直流分量為0.247 A，如圖3所示。

圖2 4號主變高壓側諧波分析圖

分析3、4號主變合閘瞬間波形，發現4號主變合閘瞬間勵磁涌流及直流分量明顯大于3號主變。查閱3、4號主變檢修期間預試記錄發現3號主變直阻測試時所加電流為5 A，4號主變直阻測試時所加電流為10 A，導致4號主變剩磁較大，充電合閘瞬間，合閘角是隨機的，合閘角因素再疊加上直流剩磁的影響，最終對變壓器產生較大沖擊[3]。

合閘瞬間4號主變產生2倍額定電流的勵磁涌流，同時合閘時主變的二次側是開路的，此勵磁涌流全部作用在鐵芯上，使鐵芯嚴重飽和。勵磁涌流除包含兩倍基波電流外，還包含等同于基波的直流分量(直流分量為0.628 A，直流分量為基波分量的1.02倍)，帶電繞組在磁場中所受安培力：F=BILsinα，磁感應強度B、直流分量I、線圈長度L都比較大，導致線圈所受電動力增大，造成變壓器鐵芯和繞組振動及噪音較大，引起變壓器內部油流涌動，從而觸發重瓦斯跳閘接點動作，導致4號主變重瓦斯保護動作跳閘。

4 故障處理

1)對3、4號主變壓器進行消磁。在3、4號主變壓器高壓繞組兩端正反向通入直流電流，分別對ab、bc、ca三相進行消磁，消磁過程中施加220 V AC電壓、1 A電流，直至消磁進度達到100%，縮小鐵芯的磁滯回環達到消除剩磁的目的。

2)對3、4號主變進行試送電。消磁工作完成后，對3、4號主變壓器進行試送電，并對4號主變合閘瞬間的錄波圖進行分析，5013開關合閘時4號主變高壓側二次電流值0.353 A，直流分量為0.25 A，勵磁涌流及直流分量明顯下降，試送電成功。

5 防范措施

目前，勵磁涌流是主變充電時各側開關誤跳的主要原因，雖然電氣量保護使用二次諧波、波形不對稱等判別方法對保護進行制動，但非電量保護可能因躲不過勵磁涌流帶來的油流涌動而導致跳閘。一方面反映了勵磁涌流的沖擊，另一方面反映了瓦斯繼電器動作過于靈敏。為了防止重瓦斯保護誤動作導致主變跳閘的情況，提出了以下預防措施。

1)變壓器預試時，限制測試電流，不應為節約時間增大試驗電流，一般以3～5 A為宜，以防止因剩磁較大造成變壓器合閘涌流及直流分量過大，影響變壓器的安全運行[4]。

2)勵磁涌流大小主要取決于斷路器合閘時刻(電壓相位)與變壓器剩磁情況。建議合閘前檢查剩磁情況，若剩磁過大則使用直流消磁等新技術對主變進行消磁處理，以最大程度地減小勵磁涌流。

3)瓦斯繼電器是油浸式變壓器的重要保護，其可靠性必須得到保障。繼電器靈敏度太高將嚴重影響主變啟動流程，給檢修運行人員帶來不必要的麻煩，同時也會對開關等一次設備造成無謂的沖擊。對于運行中的500 kV主變，則更不能接受瓦斯繼電器過于靈敏帶來的誤動。建議對同類型繼電器進行重新調校或使用更可靠的瓦斯繼電器型號。

4)改進變壓器結構設計，降低變壓器鐵芯、繞組振動和位移，提高變壓器本體的抗震性能，減少合閘時油流涌動的強度。

6 結 語

瓦斯保護是主變油箱內繞組短路故障及異常的主保護，安全、可靠的運行是其必要條件[5]。盡管主變壓器送電過程中重瓦斯保護動作屬于偶發性事件，不影響系統的安全穩定運行，但在后續工作中應加強瓦斯繼電器日常維護，主變壓器預試時不能因趕工期而加大試驗電流，預試后應進行徹底消磁，提高主變送電成功率，確保主變、電網安全穩定運行。