廠用變壓器非電量保護誤動的分析與對策

馮世才

（國家能源集團吉林熱電廠，吉林 吉林 132021）

國能吉林熱電廠四臺機組機組廠用變壓器保護主要采用了繼電器、四方CSC-200 系列和南自WCB-1.1E、PST-693U、PDS-765A、PCS-9600 系列這幾類，其中PST-693U 型號的保護約占所有變壓器的30%。該裝置由交流插件、CPU 插件、出口插件和電源插件四部分組成，作為變壓器保護、控制、測量和監視一體化裝置。近年來該類型保護運行情況基本穩定，但也暴露出一些問題。作為微機保護的一種，在原理上用數字量進行保護、測量的計算，采樣精度和動作時間都比繼電器式保護有了極大的提高。但由于該型號設計較早，插件及內部回路并未全部應用強電開入，加上現場環境差異性大，難免出現干擾誤動的現象。文章將就其非電量保護一次誤動事故作出分析，并對其在現場運行存在的問題作粗淺的探討。

1 事故經過

2021 年 6 月 3 日 21 時 01 分 32 秒，11 號 廠用變保護裝置動作，11 號廠用變高壓側5611 開關及低壓側廠用0.38 kV11 段工作電源5511 開關跳閘，廠用0.38 kV11 段母線備用電源5011 開關合閘，1 號給粉機動力盤工備電源自動切換成功，1 號給粉機動力盤所帶給粉機全部跳閘。經查，11 號廠用變保護裝置報“非電量1 動作”。查詢DCS 歷史記錄，11 號廠用變保護裝置非電量1（跳閘）開入27 ms 后消失，1 號給粉機動力盤工備電源切換用時0.1 s。由高壓班組對變壓器進行絕緣測試，阻值合格。相關班組對外觀、溫升進行檢查沒有發現異常。之后檢查瓦斯繼電器和瓦斯端子箱未發現潮濕、結露等異常現象。對非電量保護的二次電纜進行絕緣測試，電纜對地及相間的絕緣合格。拆下保護裝置開入板進行外觀檢查，也未發現擊穿、短路等異常情況。

根據上述一、二次設備及回路相關試驗檢查均無異常后分析得出，11 號廠用變非電量1 開入信號27 ms 的脈沖信號應該是受到其他干擾引起的。1 號給粉機動力盤工備電源切換成功，但動力盤內全部給粉機跳閘的原因是給粉機變頻器低電壓穿越能力不好，不能滿足“電壓低于額定電壓的90%～60%，必須保證5s 給粉機穩定運行，以渡過電壓短時跌落；電壓跌落低于額定電壓的60%～20%，必須保證0.5s 的給粉機穩定運行，平穩渡過電壓跌落”的行標要求。

2 原因分析

2.1 現場存在的干擾源

2.1.1 電纜電磁干擾

電磁感應是電氣設備日常運行中最常見的現象，電纜電磁干擾也是設備運行中最可能發生的一類干擾。原理上來說，若電纜電流能往返形成回路，電磁場就能互相抵消，不產生干擾。但在實際施工中，往往同一電纜沒有形成回路，只有一側有電流，此時對周圍電纜和設備就會產生無法忽略的影響。實際現場中，11 號廠用變保護裝置所在的保護盤盤內還有3、4 號公用變及4 號廠低備用變保護裝置運行。這些保護裝置都在2016 年投入使用，受限于當時施工，部分電纜無屏蔽或屏蔽接地不良。且廠內電氣設備用的控制直流電壓是230 V，合分閘電流也在2A 左右，而11 號廠用變保護裝置PST-693U 非電量開入的電壓等級為24 V。這些電纜共同由10 m 單控室保護盤經由5.5 m 電纜夾層轉接箱轉接后，操作電纜進入母線室內開關柜，非電量電纜則進入變壓器室瓦斯端子箱。電纜所經過的路徑尤其是電纜夾層當中操作電纜數量很多。當大負荷設備進行操作時，強弱電之間會產生非常大的干擾現象，保護可能發生誤動作。

2.1.2 變壓器負荷干擾

11 號廠用變為6 kV Yyn0 接線的干式變壓器。在實際運行中，由于低壓側接有很多轉機和照明負載，其三相負荷并不平衡。當變壓器空載運行時，產生的三相勵磁涌流不會平衡，外部的磁場也不會為零，導致附近的瓦斯端子箱電纜也會受到一定的電磁干擾。

2.1.3 直流接地產生的干擾

直流系統中，正負極對地電容是相對平衡的。當其中一極接地時，該相電容放電，另一相電容充電，其脈沖寬度大約為10 ms，會對本回路及相鄰設備造成影響。11 號廠用變保護裝置使用約50 m 長的電纜采集非電量信號，且采用弱電開入，更易受長電纜分布電容影響導致誤動。如果接引非電量開入的電纜一極絕緣下降造成正負極對地不平衡時，電壓稍微偏移一些，就會使微機保護裝置采集到不準確的開入量信號，也會對保護行為的正確性造成影響。

2.2 電氣元件故障

對于保護裝置內部電氣元件故障導致的誤動，如CPU 板、出口插件等損壞造成設備跳閘的情況，屬于設備本身缺陷，無法完全避免。通過加強運行人員日常巡視，檢修維護人員定期檢修，保證保護裝置的電源質量穩定可靠，安裝環境的灰塵、振動、溫濕度滿足設備使用條件。此外也要購買相關設備的備品備件，對到達使用年限或固定期限的背板及時進行更換可以減少此類事故的發生。

2.3 一般的抗干擾措施及選擇

根據抗干擾理論與《電網公司二十五項電網重大反事故措施》中繼電保護及二次回路部分的要求，現場可采用的抗干擾措施有：（1）增加抗干擾電容；（2）選用屏蔽電纜；（3）增加延時；（4）采用動作功率大于5 W 的中間繼電器。

對于本廠來說，增加抗干擾電容的方法不容易實現且不利于維護，會使現場環境復雜化。選用屏蔽電纜并在兩側將屏蔽層可靠接地，同時一根電纜內部的線芯禁止交、直流，強、弱電混用。這樣可以大幅避免干擾及誤動可能。但是隨著保護裝置及電纜的運行年限過長，或者運行環境較差，仍會有可能產生干擾及誤動可能。為了增大抗干擾措施的可靠性，可以在非電量保護回路中加裝大功率中間繼電器。要使中間繼電器動作，不僅動作電壓要滿足額定電壓的50%～70%，而且動作時還要使觸點接觸可靠有力，即導通繼電器線圈的能量應滿足其動作所需的能量才行。按照現行反措要求，所有涉及直跳量的回路應采用動作功率不低于5 W 的中間繼電器。實際情況下因擾動引起的功率突增遠遠達不到5 W 的要求。非電量保護（重瓦斯保護）作為變壓器本體的主保護，一般不設延時。目前的220 V 直流中間繼電器動作時間大約在25 ms 左右，算上保護裝置固有時間和開關動作時間，約在60 ms 左右，若增加非電量保護延時，將使保護動作切斷故障的時間過長，不利于系統安全穩定運行。綜上，增加延時的方法不宜采用。檢查廠非電量回路經過地點的實際情況后發現現場環境不具備條件加裝中間繼電器，因此采用加裝光電隔離端子排的方法使強電和弱電區分隔開。

光電隔離一般由光的發射、光的接收及信號放大這三部分組成。輸入電信號驅動發光二極管，使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出電信號。這就完成了電—光—電的轉換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。由于光電隔離的輸入和輸出之間相互分隔開，且電信號傳輸具有單向性特點，因此擁有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

3 非電量保護的抗干擾試驗及實際措施

3.1 非電量保護的抗干擾試驗

廠用變壓器的原理接線見圖1。瓦斯繼電器的常開接點（重瓦斯）經電纜送至廠用變保護盤相對應微機保護裝置的非電量開入1 通道（24 V 電源）。非電量開入1 通道將接點信息轉換成數字邏輯信號，再由該邏輯信號輸出至出口跳閘繼電器（220 V 電源），同時發送裝置告警信號及光字牌信號（48 V 電源）。

圖1 原回路

在保護盤內安裝了一塊光電隔離端子排，220 V直流經過瓦斯繼電器接點至光電隔離端子排輸入端，輸出端接在保護裝置24 V 非電量開入上，接線見圖2。非電量開入位于保護裝置CPU 插件上，實測端電壓為23.13 V，電流很小忽略不計。

圖2 增加光電隔離后回路

實驗步驟如下：

（1）在光電隔離輸入端從0 開始加直流電壓（步長0.1 V）直至144.8 V，保護裝置非電量1 動作，用數字表A 測得輸出端電壓為21.67 V。此時，輸入端啟動電壓≥230V 的63.96%，輸出端動作電壓為24V 的 90.3%。

（2）在光電隔離輸入端從0 突增電壓直至144 V，保護裝置非電量1 動作，用數字表A 測得輸出端電壓為21.04 V，電流為0.000 73 A。

（3）重復（2）步驟兩次，得到兩次電流分別為0.000 68 A、0.000 8 A，平均值為0.000 737 A。因為產生干擾時，電流往往都是突變，故采用21.04 V計算輸出端非電量啟動功率為0.015 5 W。

（4）更換數字表B 后重復（3）步驟，得到光電隔離端子排輸入端電壓為148.9 V、149.6 V，輸入端電流為0.001 03 A、0.001 02 A。輸出端電壓為21.54 V、21.61 V，輸出端電流穩定后為0.0003 3 A、0.0003 1 A。計算得輸入端啟動功率為0.1526mW，

輸出端啟動功率為0.0069 W。

3.2 試驗現象分析

更換數字表A、B 前后兩次試驗所得到的輸出端電流相差接近一倍，分析為數字表內部及表筆的內阻區別會對測量結果造成一定影響。但是由于測得的電流非常小，對于最終計算的輸出功率影響不超過3 倍，與實際光電隔離回路隔離前后的功率差值作比較，影響可以忽略。

非電量保護回路串入光電隔離端子排后，非電量保護動作所需啟動功率擴大了10 倍～20 倍，電壓等級也提高了6 倍。考慮現場實際干擾達不到30 V，相鄰操作電纜啟停轉機的電流干擾也很小。當直流正或負極經電阻接地或電纜絕緣下降，接地側電阻由999 K 下降至25 K 以下時（直流絕緣監察裝置發出接地告警信號），接地側電壓約為90 V，非接地側電壓經直流絕緣監察裝置內部電橋平衡后最高可升至130 V，不滿足光電隔離端子排輸入端動作的電壓條件，可以認為采用光電隔離端子排來防止干擾的措施有效。假設極端情況下，當直流正極或負極直接接地，即金屬性接地時，接地側電壓為0，非接地側電壓會達到220 V 左右，此時無論采取何種措施都無法避免微機保護裝置誤動作。

3.3 實際措施

如圖2 所示，在保護盤非電量1 保護回路中加裝光電隔離端子排或大功率中間繼電器并進行整組傳動試驗。利用設備檢修時，定期對光電隔離端子排或大功率繼電器進行檢查或試驗，以判斷非電量跳閘回路的可靠性。

采用此型號保護裝置的廠用變非電量跳閘電纜若不是屏蔽電纜或電纜屏蔽不好，則更換成屏蔽電纜，電纜屏蔽層在電纜兩端可靠接地。同時排查電纜線芯，嚴禁交直流混用、強弱電混用。防止交流電壓和電流串入直流回路，強電串入弱電回路。電纜纖芯相間及對地的絕緣應合格，否則會影響保護裝置開入量信號采集的正確性。

檢查非電量保護回路的防潮、防振及其他滲漏等密封性情況。如果條件允許，瓦斯繼電器至保護柜的電纜應盡量減少中間轉接環節，從瓦斯端子箱直接接入變壓器保護屏。

4 結論

通過試驗和分析表明，對于采用如24 V、48 V弱電的非電量開入回路，在回路中串入光電隔離端子排，可以極大程度減小現場環境對于廠用變壓器非電量保護回路的干擾，能有效解決廠用變壓器非電量保護的誤動問題。