线路故障重合时对变压器差动保护的影响分析

彭 鹏 ，梁 卫 ，殷 琮 ，卢志刚

（1.华电贵州乌江渡发电厂，贵州 遵义 563104；2.贵州电力调度通信局，贵州贵阳 550002；3.贵州大学电气工程学院，贵州贵阳 550025）

0 引言

变压器外部近区发生故障，在切除故障恢复过程中，由于恢复性涌流和CT误差电流的共同作用，差流波形可能更为对称，从而使二次谐波比更小，造成差动保护误动[1]。另外，有关资料统计表明，原因不明的变压器差动保护误动或多或少与CT暂态饱和有关，特别是比率制动特性差动保护在P级CT暂态饱和情况下可能误动[2]。然而，在变压器近区发生线路故障，重合闸对变压器差动保护动作的理论方面研究等文献资料较少，本文根据现场实际工作情况，通过分析与总结，提出了变压器近区故障时，线路重合闸对变压器差动保护的影响及解决对策。

1 故障经过

乌江渡发电厂1号厂电气接线方式为发电机变压器组单元接线，110 kV和220 kV母线为单母分段，1号机经1号变升压后带110kV六回直馈线负荷，2号、3号机经2号变、3号变升压至220 kV，通过三回220 kV线路与主网联接（其中江阳双回经开阳变、江盘线经盘角变至息烽变与500 kV主网联接），110 kV与220 kV系统通过0号变联络运行。电气主接线图如图1所示。

图1 乌江渡发电厂1号厂电气主接线图

2009年7月14 日16时3分，220 kV江阳Ⅰ回205线路B相发生近区永久性接地故障，江阳Ⅰ回205线路主一、主二保护动作跳B相，重合闸动作后保护加速跳三相。在205线路开关重合于故障点时，0号变压器A套差动保护同时动作出口，跳0号变压器高、中压侧开关。

2 一次设备检查分析及处理情况

2.1 0号主变及其相关附属设备检查情况

0号变保护动作后，对0号变本体、瓦斯继电器、压力释放阀及相关附属设备进行外观检查正常，对0号变及200开关、电缆、CT、终端及100开关穿墙套管等绝缘试验合格,0号变油色谱测及直阻测试正常。见表1。

表1 0号变油色谱试验数据

根据对0号变检查分析及试验情况，确认变压器本体无故障，在全面检查试验正常后，于15日19时06分正常投入运行。

2.2 220 kV GIS江阳I回205出线隔室故障分析及处理

205线路保护动作跳闸后，对线路一次所属设备外观进行详细检查，未见异常。结合保护报告及故障发生时，205出线GIS隔室瞬间发气压异常信号（6 min后气压恢复正常）。测量出线隔室段绝缘，A相：440 GΩ；B相：1.15 MΩ；C相：965 GΩ，判定故障点发生在205出线B相GIS组合电器隔室内。

打开GIS套管引出线，发现GIS出线绝缘子通盆局部炸裂，脱落。隔室内底部堆积有一层较厚粉末，水平导电杆末端接近均压环处下部有一残缺物，盆式绝缘子表面存在部分发黑，有强电弧作用的迹象，均压罩完好。分析残缺物为绝缘子在绝缘破坏过程中爆裂弹出，粉末为SF6气体在绝缘受损过程中的分解物。

3 保护装置动作情况

3.1 江阳Ⅰ回205线路保护动作情况

从205线路保护报告：2009年07月14日16时03分，江阳Ⅰ回205线路B相永久性接地故障，205线路保护4 ms工频变化量阻抗、38 ms主保护动作跳B相，1 061 ms重合闸动作出口，重合于永久性接地故障，1 155 ms距离加速动作跳三相。故障测距0 km，205线路故障电流8 462 A，故障持续时间40 ms，重合后故障持续时间50 ms，线路保护动作行为正确。

3.2 0号主变保护动作情况

乌江渡发电厂0号变保护采用南自PST-1202A型数字式变压器保护装置，其中A套为二次谐波比率制动原理的差动保护。B套为波形对称原理的差动保护。

二次谐波比率制动保护动作判据(见图2)：

图2比率制动特性

（1）差动保护最小动作（启动电流）电流Icd：按大于变压器额定负载时的不平衡电流整定。整定为Icd=1.07 A。

（2）差动速断定值Isd：差动速断保护元件动作判据：Id＞Isd

其中：Id为变压器差动电流；Isd为差动速断保护定值（按躲过变压器初始励磁涌流或外部短路最大不平衡电流整定），整定为Isd=17.9 A。

（3）二次谐波制动元件动作判据：I(2)＞Id×Nec

其中：I(2)为差动电流中的二次谐波含量；Nec为差动保护二次谐波制动系数，取0.2。

（4）比率制动元件动作判据：Icdd≥Icd；Izdd≤Izd.

其中：Icdd为变压器差动电流；Icd为差动保护电流定值；Izdd为变压器差动保护制动电流；Izd为差动保护比率制动拐点电流定值，保护软件已设为高压侧额定电流，整定为Ig=Ign/nCT=3.579 A；K1、K2为比率制动的制动系数，软件设定为K1=0.5,K2=0.7。

初次故障时，0号变高、中压侧B相出现有电流，且波形为正弦波，三相差电流较小，后备保护启动，未达到差动保护动作条件，差动保护未动作。

当205线路保护切除故障，系统恢复正常，重合闸动作再次重和于205线路时，从保护装置（PST-1 202 A）动作报告：0号变保护A相差流5.547 A，制动电流7.4 A；B相差流5.428 A，制动电流6.899 A，C相差流0.2 A，制动电流0.6 A。从软件分析有二次谐波含量A相为18.9%，B相为15.2%，均小于20%。A、B相满足差动保护动作条件。

0号变差动保护A套（谐波制动原理）：0 ms后备保护启动，1 144 ms差动保护启动，1 171 ms差动保护动作出口跳0号主变高中压侧开关。见动作时序图3。

1 144 ms差动保护启动，因检测到电流波形不对称而闭锁差动保护。

通过对一、二次设备的检查分析，查明一次故障点并消除。同时重点对保护CT伏安特性、5%误差曲线测试及保护装置试验正常，保护装置小CT叠加交、直流试验未出现饱和现象。实际测试二次负载阻抗为2.7 Ω左右，二次负载阻抗稍偏大,整个二次系统未见异常。

从保护动作时序图和0号变保护装置动作报告分析，初次故障切除至恢复过程中，0号变差动保护未动作，为什么在重合闸动作重和于205线路故障时，0号变差动保护动作呢？这便是本文重点分析的地方。

4 0号变差动保护动作原因分析

从电力系统分析[3]：我们知道，电力系统发生短路故障时，短路故障电流由短路电流的强制分量和自由分量组成。其强制分量与外加电源电势有相同的变化规律，也是恒幅值的正弦交流，习惯称周期分量。而自由分量与外加电源无关，它是按指数规律衰减的直流，亦称非周期电流。非周期电流初值的大小同短路发生的时刻有关，亦即与短路发生时电源电势的初始相角（或合闸角）α有关。

为了说明非周期电流对保护的影响，我们从前后两次故障录波数据波形和故障B相电压波形，进行分析。见图4、5、6、7。

图4 第一次故障0号变录波波形

图5 第二次故障时0号变录波数据及波形

图6 第一次故障B相电压波形

图7 第二次故障B相电压波形

其中，图4第一次故障时0号变录波报告说明：00 ms后备保护启动（高压侧HB3 CPU2）。模拟量通道：Ia=Ib=Ic=17.00 A/格 ，3Io=17.00 A/格 ，Io,=17.00 A/格 ，Ua=Ub=Uc=156.00 V/格 3Uo=321.01 V/格。Ia、Ib、Ic为 0 号变高压侧电流，3Io为零序电流，Ua、Ub、Uc为0号变高压侧电压。

图5第二次0号变故障录波报告：00 ms差动保护启动（差动保护13 CPU1），27 ms差动保护出口（差动保护13 CPU1）。Icda=5.547 A，Icdb=5.428 A，Icdc=0.227 A，Izda=7.417 A，Izdb=6.899 A，Izdc=0.668 A，Ia2=0.599 A，Ib2=0.486 A，Ic2=0.158A。模拟量通道：Ia1=Ib1=Ic1=Ia2=Ib2=Ic2=31.00 A/格，其中 Ia1、Ib1、Ic1 为 0 号变高压侧电流，Ia2、Ib2、Ic2 为 0号变中压侧电流。

图4、5两次故障录波数据及波形可以分析：第一次故障时，B相故障电流波形为正弦波，但有偏移现象，说明除有短路电流周期分量外，还存在有一定的非周期直流分量（在母线保护录波中也发现有很大的直流分量），其非周期直流分量的大小是影响电流波形偏移的主要原因。而第二次故障时，B相故障电流波形为什么会偏移和畸变呢？

从图6、7两次故障电压波形可以分析得出：第一次故障B相电压波形，短路初相角为63.7。

备注：左边光标为电压过零时刻，右边光标为故障初发时刻度，最大非周期分量约为稳态电流幅值的44%，一次电流非周期分量最大幅值为0.44。当第二次重合于B相故障时，初相角为31.6度，最大非周期分量约为稳态电流幅值的85.2%，。其一次电流非周期分量最大幅值为0.852。因一次统时间常数较大、衰减较慢，对CT暂态特性造成影响，使CT二次电流波形出现畸变。

在这里引用《外部故障切除时TA局部暂态饱和图 8：CT传变电流波形对变压器差动保护的影响及对策》论文中试验结果[4]。测试CT电流传变特性试验中，分别加交流，叠加直流和交流，并调整它们的幅值进行试验，结果发现交、直流幅值变化对CT传变电流特征存在有相位差或波形畸变的影响。图8为工频分量与非周期分量数量级相当，二次电流特征与平常所见到的外部故障电流下的CT暂态饱和特征相似。表2为电流互感器所反映的电流特征。

图8 CT传变电流波形

表2 电流互感器测试表

因此，当205线路开关重合于永久性故障时，短路初相角小，产生非周期直流分量较大，从而使0号变保护CT传变特性受到影响，在CT二次电流传变过程中出现波形偏移和畸变，是导致差动保护动作的主要原因。

另外，0号变主变高压侧CT随GIS一并投运，已近30年。随着电网的发展，原有四组CT不能满足变压器保护、母差保护及安稳等装置独立使用要求，其CT二次侧存在负载串联使用，同时变压器保护所用CT为600/5，50 VA，受安装位置影响，二次负载阻抗偏大，在一次短路电流包含很大非周期分量的情况下，对CT传变特性有一定影响，这是导致差动保护动作的间接原因。

综上分析：在205线路重合于近区B相永久性故障时，因非周期直流分量较大，CT特性不好，二次负载阻抗偏大，使0号变变高压侧故障电流在传变过程中出现波形畸变引起差流，同时电流中二次谐波分量未达到整定闭锁值，从而造成A套差动保护动作跳闸。

5 解决对策

针对本次故障所引起的变压器差动保护动作情况，应采取以下有效措施，避免线路重合闸重和于变压器近区故障时变压器差动保护误动。

（1）将0号主变高压侧保护CT变比由600/5，50 VA改为1 200/5，100 VA，避免CT共用、二次阻抗偏大带来的传变误差。从而能真实反映一次实际故障电流，保证CT电流特征在传变过程中不出现波形畸变或相位差现象，保证保护正确动作。

（2）在满足保护灵敏度的前提下，将谐波制动原理的差动保护二次谐波制动系数（Nec=0.15～0.2）,由原来的0.2降低至0.15，以提高变压器差动保护抗区外近区故障能力。

（3）整体改造GIS设备，采用抗暂态饱和特性较好的CT，将二次绕组分离独立工作，彻底解决老设备上存在的问题。

（4）变压器差动保护的软件需做进一步改进。

6 结论

变压器外部故障切除后产生的电压恢复性涌流可能会造成差动保护误动。在重合闸重和于永久性故障时，受合闸角、故障非周期分量的影响，易使CT传变特性发生变化，合闸角越小，非周期直流分量越大，造成波形畸变和偏移就越大，从而导致变压器差动保护动作的可能性越大。保护的安全性并非只与保护装置本身的性能有关，它关系到一、二次设备全局系统工程，这点应引起保护专业人员的注意，同时也应加强对变压器差动保护抗区外近区故障能力的研究。

[1]张晓宇,毕大强,苏鹏声.变压器外部故障切除后差动保护误动原因的分析[J].继电器，2006，34（1）：5-9.

[2]浦南桢，瞿学锋，袁宇波，等.P级TA饱和对数字式比率制动特性差动保护的影响[J].电力自动化设备，2003，23（4）：76-80.

[3]何仰赞，温增银.电力系统分析[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[4]袁宇波，陆于平，许扬，等.外部故障切除时TA局部暂态饱和对变压器差动保护的影响及对策 [J].中国电机工程学报，2005，25（10）：12-17.