TA飽和導致變壓器差動保護誤動作研究

徐 彪，歐陽宗帥，臧 欣，茹 梁，姜 維

（1.國網湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410007；2.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；3.國網湖南省電力有限公司衡陽供電分公司，湖南 衡陽 421002）

0 引言

基于當前新能源接入的新型電力系統建設需要，大量電力電子設備接入電網，對系統的暫態(tài)特性分析造成了較大的影響［1-3］。發(fā)生短路時，將有大量特殊的電磁暫態(tài)過程影響故障電流，并進一步對保護測量元件產生影響。電流互感器作為重要的保護測量元件，其正確工作，對預防各類故障的發(fā)生至關重要［4-6］。這種暫態(tài)過程可能使得保護測量元件進入飽和狀態(tài)，不能正確傳動一次電流，進而導致保護的誤動作［7-13］。

近年來，發(fā)生了多起變壓器區(qū)外故障致使TA飽和引起的變壓器差動速斷保護誤動作事件［14-16］，對電網安全穩(wěn)定運行具有較大影響。變壓器差動速斷保護作為差動比率保護的補充，在變壓器發(fā)生嚴重區(qū)內故障時能夠快速切斷故障，防止事故范圍的擴大［17］。

本文聚焦于變壓器區(qū)外故障重合時由一次電流中直流分量與非周期分量導致的TA 飽和而使得變壓器差動速斷保護誤動作的典型事故案例，分析事故發(fā)生的原因以及過程，研究TA傳變特性的數學建模以及影響TA飽和的各方面因素，針對性地提出改進措施與建議，預防同類誤動作事件的再次發(fā)生，保護電網安全穩(wěn)定運行。

1 事故過程與分析

1.1 事故概要

2021 年6 月15 日18：13，110 kV 某變電站35 kV 408 線路距變電站4.5 km 處發(fā)生A、C 兩相短路故障，導致該變電站35 kV408線路斷路器跳閘，2 s后該間隔重合閘動作，重合于永久性故障，此時該變電站2號主變差動速斷保護動作，跳開高、中、低三側斷路器，故障隔離。此次跳閘無負荷損失。

1.2 事故前一次設備運行方式

該110 kV 變電站三側均采用單母分段的一次接線方式，站內有110 kV 主變2 臺，故障前，母聯400 斷路器為分位，2 號主變所在II 段母線35 kV 出線僅408一回。主變低壓側母聯斷路器、1 號、2 號主變低壓側斷路器均為合位，低壓側合環(huán)運行，主接線方式如圖1所示。

圖1 某110 kV變電站一次接線圖Fig.1 Primary wiring diagram of a 110 kV substation

2 事故分析

2.1 保護動作情況

線路保護裝置動作報文顯示，該110 kV 變電站35 kV 408出線A、C相短路故障，保護裝置112 ms后過流I 段動作跳閘，該出線TA 變比為400 A/5 A，反應一次電流約3 200 A。再過2 s 后重合閘動作，重合于故障，主變差動速斷保護動作。

2 號主變保護裝置報文顯示，35 kV 408 出線重合于故障，主變保護差動速斷動作，跳開2 號主變三側。主變差動速斷定值為12.4 A，主變A、C 相差動電流為13.3 A已達速斷定值。

2.2 事故過程分析

故障線路及主變中壓側錄波波形如圖2所示。線路首先發(fā)生A 相單相接地故障，此時非故障相電壓上升為線電壓，進而導致線路絕緣薄弱相C相被擊穿，發(fā)展為兩相接地短路故障。故障切除之后為線路重合閘等待狀態(tài)，線路絕緣逐漸恢復。

后續(xù)線路重合于故障，從圖2中T1至T2時間段內主變中壓側電流波形可以看到明顯畸變，該電流畸變A相偏向于正半軸，C相偏向于負半軸。

圖2 故障線路及主變中壓側故錄波形Fig.2 Fault recording waveform of faulty line and medium-voltage side of transformer

對重合于故障時刻波形諧波含量進行分析，結果如圖3所示?？梢钥闯觯沃C波含量達到34.18%，遠高于一般差動比率諧波制動定值（0.15-0.2），此時主變差動比率差動被諧波制動閉鎖，且線路過流I 段動作時間定值為0.1 s，長于主變差動速斷定值，因而通過差動速斷動作。

圖3 重合時2號主變中壓側電流諧波含量Fig.3 Harmonic content of current at medium-voltage side of 2#transformer during reclosing

2.3 二次回路檢查分析

對2 號主變中壓側電流回路進行二次負擔核算，電流回路二次負擔為1.2 Ω，按照第1次故障時短路電流計算中壓側二次電流應該為26 A，而TA保護繞組的拐點電壓為72 V，TA核算合格。

2.4 事故結論

TA 在短時間內重合于永久性故障時易發(fā)生暫態(tài)飽和現象，證明TA 抗飽和裕度不夠，而通過常規(guī)TA伏安特性核算只能確保TA 在第1 次故障時不會飽和，第1 次故障錄波波形也表明TA 伏安特性滿足短路要求。

該變電站2號主變中壓側TA暫態(tài)特性不佳，線路保護重合于故障時因一次電流中的衰減非周期分量，在TA鐵芯中產生并積累了偏磁，導致TA達到飽和，不能正確傳變短路電流，主變差動保護計算出差流達到差動速斷定值，主變差動速斷保護動作。

3 TA飽和研究

3.1 數學建模

系統發(fā)生短路故障時，其暫態(tài)故障電流中含有非周期分量，該分量將會對TA 的暫態(tài)傳變特性產生影響。以系統發(fā)生三相短路，線路空載為例進行分析，故障電流為：

根據式（1），暫態(tài)故障電流包含頻率與系統頻率相同的工頻分量Imcos(ωt+α)與幅值為Im、衰減時間常數為Ta的衰減非周期分量。

TA等效電路如圖4所示，該模型所有參數已折算到二次側。其中，i1與i2分別為TA的一次和二次側等效電流，iμ為TA 的勵磁電流；Z1與Z2為TA 一次側及二次側的等效阻抗，Lμ表示TA勵磁電感。

圖4 TA等效電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of TA

TA正常運行時，TA工作在磁化曲線的線性部分，可以將勵磁電感視為常數。根據基爾霍夫定律與元件特性，對圖4分析得到：式（3）中，Ts為TA 二次電路時間常數。由式（3）可知，TA勵磁電流含有強迫非周期分量、自由非周期分量以及強迫工頻分量。

根據上文對勵磁電流的分析，可以看出由于一次電流中非周期分量的存在，將導致實際二次電流與理論二次電流發(fā)生偏移，而勵磁電流的大小又取決于TA的等效勵磁電感Lμ，其值取決于TA鐵芯飽和與否以及飽和程度。

3.2 TA飽和影響因素分析

TA飽和的根本原因是其鐵芯發(fā)生了磁飽和，所以可以通過尋找影響鐵芯磁通大小的各個因素，進而對影響TA 飽和的原因進行分析討論。根據電感元件的伏安特性規(guī)律以及磁通與磁通密度關系［17］，從式（2）可得：

綜上，影響TA飽和的因素包括：

1）TA 一次側短路電流大?。航Y合式（1）故障電流，一次側電流不含非周期分量時，磁通密度與一次電流大小成正比。

2）TA 一次側電流中非周期分量：一次側電流中非周期分量的存在與原磁通同向時，將促進TA的進一步飽和。

3）TA 前一狀態(tài)剩磁：根據式（6），剩磁B(0) 的方向與大小對TA鐵芯的飽和有相應的影響。

4）二次回路負擔：二次回路阻抗L2與R2的大小對TA飽和具有影響，即常規(guī)的二次負擔核算能有效防止TA 飽和的出現。

5）TA本身鐵芯截面積以及磁通飽和密度Bs。

3.3 對應本次事故分析

在本次事故中，重合于永久性故障，為中壓側A、C兩相短路接地故障，其故障電流數值較高，但不足以導致TA發(fā)生飽和。

根據主變高壓側電流波形，變換得到中壓側故障相一次電流波形如圖5所示，并對波形進行分析，得到其非周期分量如圖中虛線所示?？梢缘玫剑谥睾蠒r故障相一次電流中存在最大幅值為20.96 A，衰減時間為18.72 ms 的非周期分量，該非周期分量對于本次事故中TA飽和起著較為重要的作用。

圖5 故障時一次電流及其非周期分量Fig.5 Primary current and its aperiodic component at the time of fault

在剩磁方面，第1 次故障跳開斷路器時以及后續(xù)重合期間主變中壓側A 相電流波形如圖6 所示，從圖中可以看出，在第1 次故障跳開時刻，剛經歷正半周波，而重合時同樣起始于正半周波，從電流產生磁場的角度而言，即剩磁與重合時的磁場方向相同，故障時剩磁的存在進一步促進了TA的飽和。

圖6 第一次故障跳開以及重合時故障電流Fig.6 Fault current at the first failure tripping and reclosing

除此之外，TA 本身暫態(tài)特性不佳，抗飽和裕度不夠也是本次事故的原因之一。

3.4 變電站保護TA選型

根據國家電網有限公司反措要求規(guī)定，TA 容量、變比及相關特性的選取應滿足系統短路容量的要求，選取時需要考慮保護裝置整定配合以及可靠性的規(guī)定［18］。相關標準對于電流互感器的暫態(tài)特性、選型要求也做出了相關規(guī)定［19-21］，但對于生產工作僅具有一定參考價值，與實際生產工作存在一定出入。

保護用電磁型TA按功能可分為：P類與TP類電流互感器，而TP 類按照標準又可分為TPS、TPX、TPY 及TPZ 4 級［22］。TPY 型電流互感器帶有小氣隙，具有限制剩磁功能，暫態(tài)抗飽和特性較好，由于經濟原因，一般僅在330 kV電壓等級以上的保護中采用，而220 kV及以下的保護中采用的一般都是P 類電流互感器［23-24］。本次事故中發(fā)生飽和的420TA 即為P 級，其不具有小氣隙，在暫態(tài)特性方面不如TPY級TA。

4 改進措施與建議

通過上文對于典型事故的過程分析以及TA 傳變特性的數學建模和飽和影響因素研究，針對性地提出以下措施，防止同類型誤動作事故的再次發(fā)生，保護電網的安全穩(wěn)定運行。

4.1 差動保護裝置改進

針對本事故差動速斷保護誤動，考慮調整速斷保護、增加制動特性措施以及增加比率差動的飽和判據等方式［17，24］。但以上幾種措施分別存在著實際可操作性不強，不能保證速斷靈敏性或者快速性的要求等問題［25］。

在保護裝置中引入識別TA 飽和與否的各種算法［26］［27］，判斷故障差流是否是由于TA 的飽和而引起的，若有效識別出TA 已飽和，便閉鎖差動速斷保護出口［28］，從而達到防止差動速斷保護誤動作的目的。典型方案是采用基于同步識別法的TA飽和判別方法，其基本原理是鐵磁元件的磁化曲線在一次電流過零時刻附近的線性傳變區(qū)域，從而使區(qū)內外故障的差流出現時刻存在差異。即區(qū)內故障的差流與故障同時出現，而區(qū)外故障的差流要在一次電流過零點附近的線性傳變區(qū)域之后才會出現。進而可根據差流與故障時刻是否同時刻來區(qū)分區(qū)內外故障［14］。

除此之外，也可以采用基于采樣值差動原理的抗TA 飽和方法［25］。該方案取連續(xù)R個采樣點的數據比率特性，以S個符合差動條件點作為判據判斷保護是否動作。正常情況下，基于快速性要求，R值選取小于一周波的數據窗。將S值根據二次諧波情況進行動態(tài)調整，諧波含量高時即飽和特征明顯情況下，設置S值為大值，差動條件更難滿足；反則反之。通過在差動速斷邏輯中增加該輔助判據，能夠有效防范TA飽和導致的差動速斷保護誤動作，也不影響差動速斷保護本身要求的動作特性。

4.2 TA結構工藝改進

根據3.2節(jié)分析，TA本身結構、生產工藝以及鐵芯也嚴重影響其飽和特性，設計和生產廠家可以對其生產工藝結構等進行優(yōu)化，實現技術迭代，進一步提升TA抗飽和能力［29］。

4.3 設計及運維過程管控

在實際使用中，可以采用提高TA變比的方式提升TA 抗飽和能力，要求全面采用二次電流為1 A 制的TA，在條件允許的情況下采用抗飽和性能較好的TPY級TA［23，30］。對新改擴建工程中使用的TA 在可研、設計階段優(yōu)化選型，在調試、驗收階段嚴格把關，有效提升TA抗飽和能力。

各檢修單位嚴格按照規(guī)程要求開展TA 伏安特性核算工作，結合停電檢修使用“伏安特性自動核算表”，對于核算不合格的TA及時更換，預防事故發(fā)生。

5 結語

本文以一起典型事故為例展開研究與分析，討論在變壓器區(qū)外故障時由于TA 飽和而導致的主變差動速斷保護誤動作原因、過程以及改進措施與建議，為預防和減少此類典型事故的發(fā)生提供幫助。