220 kV線路電抗器匝間保護誤動作分析

張憲寶

(廣東粵電珠海海上風電有限公司，廣東 珠海 514000)

0 引言

海上風電是清潔可再生能源，大力發展海上風電，對保障能源供應安全、促進能源綠色轉型、實現高質量發展具有重要意義。特別是當前“雙碳”目標下，能源低碳轉型愈加迫切，廣東省作為能源消費大省，結合區域資源稟賦，大力發展海上風電或將為以可再生能源護航社會經濟高速發展構建新的突破口。

海上風電送出線路繼電保護的配置和性能對海上風電的發展至關重要。2020-10-29T17:27:24.065,某海風場在執行“遙控斷開海風場開關站220 kV某甲線2708 開關”，220 kV 線路1 號高壓電抗器B 套保護CSC-330A/N 匝間保護動作(保護動作跳風場甲線2708 開關)，由于開關已執行遙分，保護動作未改變開關狀態。經事后檢查，原因為B套保護CSC-330A/N 誤動作。針對這起事件進行詳細分析，并提出具體的應對措施。

1 事件概況

某海上風電場由220 kV 陸上開關站、220 kV海上升壓站兩部分組成，通過二回海底電纜連接，分別為220 kV 某甲線和220 kV 某乙線，開關編號2708，2711。陸上開關站采用單母分段接線，海上升壓站采用內橋接線。1，2 號高壓電抗器分別并聯甲線、乙線運行，均布置于陸上開關站，一次設備主接線如圖1 所示。陸上開關站IIM 配置三相電壓互感器，海上風電場某甲線間隔僅配置單相(A相)電壓互感器，電抗器容量為40 Mvar，額定電壓230 kV，中性點直接接地。

圖1 一次設備主接線示意

1.1 電抗器配置

1 號高壓并聯電抗器共配置2 套電量保護、1套非電量保護，保護動作均為斷開2708 開關，保護配置如表1。

表1 保護裝置配置表

電抗器保護采集電壓取自220 kV IIM，采集電流取自電抗器首端(出線端)和末端(接地端)。雙套保護零序電壓3U0為外接三相電壓的自產零序電壓，北京四方、長園深瑞保護零序電流3I0均為外接末端三相電流的自產零序電流。

1.2 事故過程

現場完成220 kV 某甲線第一次充電啟動，準備對海纜兩側開關遙分進行第二次海纜充電；對海上升壓站2708 進行遙分操作，操作執行正常，繼續對陸上開關站2708 遙分操作，操作執行后，1號電抗器B 套保護動作，2708 開關斷開。

經分析，因遙分操作已執行，保護動作聯動斷開開關，實際未改變2708 開關最終狀態。采集設備動作報文信息如下。

(1) 長園深瑞：保護啟動時間為2020-10-29T17:27:24.066，經2.5 s 啟動復歸。

(2) 北京四方：保護啟動時間為2020-10-29T17:27:24.065，126 ms 后匝間保護動作出口。動作值3I0為0.071 3 A，3U0為0.080 1 V。

現場檢查海上風電場某甲線海纜、1 號高壓電抗器外觀完好，無擊穿、閃絡、燒弧現象；電抗器油溫、繞組溫度正常；對海纜、電抗器隔離搖絕緣測試，結果絕緣合格；對電抗器進行取油樣分析，分析結果正常；檢查電抗器氣體繼電器，正常無動作；檢查二次回路接線正確，極性未接反。

檢查保護裝置各板卡正常，保護無告警或閉鎖，采集回路正常并能正確反映。檢查1 號高壓電抗器A 套保護，顯示保護啟動；檢查B 套保護，顯示匝間保護動作。

查看相關定值結果：雙套保護定值均為裝置自整定(通過輸入一次設備參數定值，裝置自動計算整定定值，定值無須下裝)，長園深瑞匝間保護零序過流定值為0.177 A，北京四方匝間保護零序過流定值為0.05 A。其余非自整定定值與定值通知單校對，均執行無誤。

北京四方CSC-330A/N 保護動作時，零序電流為0.071 3 A，已達到CSC-330A/N 自整定定值，而未達到長園深瑞PRS-947S 自整定定值。

2 事故原因分析

2.1 錄波數據分析

錄波數據顯示：陸上升壓站甲線2708 開關手操跳開前，電抗器首尾端電流頻率正常，其周期t1=20 ms；開關跳開后電抗器電流頻率明顯出現變化，經計算，其周期t2約為25 ms，結合現場的實際情況，判斷應為電抗器與海纜發生了諧振；電抗器電壓在開關跳開前后的頻率仍維持在50 Hz，其周期t1=t2≈20 ms；開關跳開時零序電壓3U0為0.3 V 左右，之后逐漸降低至0.08 V 左右，零序電流3I0從0.04 A 逐漸增大到0.14 A 左右。

故障錄波信息可以分析出：當某甲線陸上2708 開關斷開后，電抗器三相電流突變增大，A相由0.135 A 增大到0.219 A，B 相由0.134 A 增大到0.159 A，C 相由0.134 A 增大到0.187 A (線路三相對地電容不平衡及線路電抗器三相阻抗不完全一致造成)，并逐步下降，至斷開后約340 ms時已全部低于額定電流0.133 A；同時開關斷開后電流的相位和頻率均發生明顯變化，開關斷開后電流周期26.5 ～27.5 ms；自產零序電流最大為0.145 A。開關斷開前后電壓無明顯變化，自產零序電壓始終在0.3 V 及以下，可認為是PT 及采樣回路偏差。

2.2 長園深瑞PRS-747S 保護動作分析

(1) 保護起動后差流和零序差流接近0，遠小于差動動作門檻，差動速斷、比率差動、零序差動均不動作，保護行為正確。

(2) 啟動后相電流短時大于過流保護定值0.184 A，但至保護啟動后約340 ms 時，三相電流已全部減少至額定電流0.133 A 以下，過流持續時間未達到過流保護延時定值2 s，保護返回未動作出口，保護行為正確。

(3) 保護啟動后自產零序電流最大值為0.145 A，小于零序過流定值0.177 A，零序過流不動作，保護行為正確。

(4) 三相電流均同時突變增大，后逐步減小，此特征不符合匝間保護動作條件。

綜上，故障特征不滿足長園深瑞PRS-747S保護出口條件，保護動作行為正確。上述提及的定值均為裝置自整定定值。

2.3 北京四方CSC-330A/N 保護動作分析

CSC-330A/N 除匝間保護外，其余保護動作情況與長園深瑞PRS-747 一致。

根據CSC-330 A/N 保護動作報文，匝間保護動作，動作值3I0=0.071 3 A，大于“匝間保護零序啟動電流”的設定值0.05 A。

CSC-330A/N 匝間保護的動作主要有以下兩個條件。

(1) 匝間保護所計算的零序功率方向處于動作區之內或匝間保護配置的阻抗元件動作。

(2) 自產零序電流大于“匝間保護零序啟動電流”定值。

“匝間保護零序啟動電流”定值，為現場保護根據整定的電抗器參數自動整定的內部定值。該定值主要考慮保證電抗器發生小匝間短路時有靈敏度以及躲過正常運行時的最大不平衡零序電流。當裝置選擇自動整定時，其定值固定為max{0.2Irl2e,0.05 A}，其中Irl2e為電抗器末端二次額定電流，當計算的0.2Irl2e值低于0.05 A 時，計算值超整定下限，自整定定值取0.05 A 封底。

匝間保護零序啟動電流自整定值計算如下：

故CSC-330A/N 裝置匝間保護零序啟動電流自整定值為0.05 A。

根據保護錄波報文，CSC-330A/N 的自產零序電壓經計算為0.080 1 V，小于可靠判斷方向使用的零序電壓門檻值5 V，因此程序自動投入電壓補償功能。而當零序電壓接近零時，經過補償后的零序電壓與零序電流的方向是必然落入動作區的(滿足動作條件1)，為此，匝間保護自動帶100 ms的短延時。由于電抗器零序電流大于“匝間保護零序啟動電流”0.05 A (滿足動作條件2)的時間超過100 ms，最終導致電抗器匝間保護出口。

電抗器在與海纜發生諧振時，電抗器首尾端電流頻率在38 Hz 左右，由于保護使用50 Hz 采樣頻率，從而方向元件在計算過程中會出現某點不滿足動作區的情況，但考慮要躲擾動的原因特增加防抖處理，單個點不滿足動作區時，匝間保護計時不返回。

裝置自產零序電壓接近于0，此刻電抗器的匝間保護基本變為零序過流，當零序電流(0.071 3 A)高于定值(0.05 A)時，最終導致匝間保護動作。

出現此次匝間保護誤動作，主要存在以下4 點原因。

(1) CSC-330A/N 保護裝置未能適應常規220 kV 的主接線方式(無線路三相PT)，尤其在海纜線路出現諧振時由于三相阻抗不平衡造成零序電流偏大的情況。

(2) 設計時未考慮主接線形式對CSC-330A/N 保護電氣量采集需求的影響，未考慮斷開斷路器時電壓不能正確反映諧振電壓的情況。

(3) 設計選型時CT 變比選擇過大導致裝置自整定值偏小。

(4) CSC-330A/N 匝間保護自整定定值超限未告警或提醒，無法引起相關人員對此關注。

綜上所述，判定為北京四方CSC-330A/N 匝間保護誤動作。斷路器斷開后電抗器電流電壓均在正常范圍內，電抗器本體未發生故障。但由于保護裝置采集電壓未能正確反映線路開關斷開時電抗器首端實際電壓，自產零序電流高于定值，導致零序功率方向繼電器動作，誤判定為本體區內故障。

3 整改措施

3.1 現場臨時措施

結合分析，將CSC-330A/N“自動整定定值”由“1”置為“0”，采用固定值，同時對保護的“匝間保護零序啟動電流”進行修改，考慮1.5 的可靠系數，修改后的數值為0.21 A。其他定值不變，與自動整定結果一致。

3.2 下一步工作計劃

(1) 對CSC-330A/N 保護裝置版本進行更新，在通過相關測試后取得新的版本號及校驗碼，重新下裝到現場保護裝置。

(2) 增強電氣人員對設備的隱患排查治理能力，加強人員技能培訓工作。

(3) 對修改后的定值重新計算校對檢驗，確保定值的準確性。

4 結束語

隨著調度自動化的高度發展以及用戶對電能質量要求不斷提高，電抗器廣泛應用于電廠供電線路中。通過對該起電抗器匝間保護誤動作事件的分析與排查，可見設備本體和產品軟件對安全生產有著重要的影響，設計不當或者設備修改、選型、升級不當均可給設備安全運行埋下隱患。此次事故后，對該廠設備定值管理缺陷進行了整改，截至目前，再未發生此類事故，消除了發電安全隱患，保障了電網的安全運行。