一起主变压器空投跳闸事件分析

邹 进，李唐兵，熊华强

（国网江西省电力科学研究院，江西南昌 330096）

0 引言

传统的比率差动保护是通过一个周波的采样，再根据傅里叶算法算出一个周波内电流的有效值，通过这个有效值和比率制动特性来判断是否该动作。而采样值差动保护则是将传统的向量转变为各采样点（瞬时值）。如果在一个周波的R点数据窗内至少有S点满足采样值差动动作特性，那么保护就会动作。和传统比率差动保护相比，采样值差动保护理论上具有抗TA饱和、躲励磁涌流的能力，能在空投于变压器内部轻微故障时快速出口。

和成熟的比率差动保护相比，采样值差动保护其灵敏度会受到动作模糊区的影响，如果定值整定不当，可能反而会躲不过励磁涌流。本文通过某电厂主变空投过程中采样值差动保护误动作的事件分析，说明了定值整定在采样值差动保护中的重要性，并提出了采样值差动门槛定值整定的原则，最后通过动模试验证明了定值整定正确，完善了采样值差动保护在具体实践中的应用。

1 概况

2012年06月05日13时57分11秒，某水电厂5号主变220 kV侧210开关消缺完毕，准备对主变进行空投。在第一次空充过程中，某型号主变保护采样值差动保护动作并跳开主变高压侧210开关。

2 原因分析

2.1 现场动作报文及波形分析

5号主变采用某型号主变保护及许继WFB-800A型主变保护。当5号主变第一次空投时，某型号主变保护采样值差动保护动作，动作报文如图1，而WFB-800A型主变保护正常未动作。

图1 某型号主变保护动作报文

从图1动作报文来分析，B相采样值差动动作，跳开高压侧210开关。

从图2装置录取的三相采样值差流波形来看，三相差流呈现明显的励磁涌流特征：

图2 某型号主变保护装置三相采样差流波形图

从图3装置录取的三相电压波形来看，三相电压未见降低等故障现象：

图3 某型号主变保护装置高压侧三相电压波形图

从故障录波软件分析得知其中二次谐波制动比分别为：A相76%，B相23%,C相29%，均大于二次谐波制动比定值16%。某型号主变保护装置及WFB-800A型变压器保护装置比率差动保护受励磁涌流闭锁判据正确闭锁均未动作。

高压一次也做了变压器绕组绝缘电阻和直流电阻的检测，均未发现异常。从以上分析可以排除一次存在故障的可能性，推定是二次方面某型号主变保护装置采样值差动保护误动导致的跳闸。

按照厂家的说法，某型号主变保护装置要求在连续20个采样点的数据窗内如果有17个采样点满足大于采样值差动启动门槛值这个条件，采样值差动保护就会出口。从图4的波形图中可以看出随着时间的推移波形中的间断角逐渐往负方向侧发生偏移（不再为0）。以动作相B相差流为例，波形红线处的电流瞬时值已达到-3 A（大于2.51 A采差门槛值），使得原本的间断点变为了满足动作条件的点。

图4 5号变压器高压侧三相电流及三相差流波形

为了验证厂家的说法，我们从波形图中再仔细分析（如图5），通过录波软件离散点的功能得到在距离故障初始时刻175 ms后B相差流连续20个采样点的数据窗内的数据如下：[-2.738，-2.788，-2.788，-2.754，-2.738，-2.704，-2.6 54，-2.559，-1.419，0.201，1.855，3.151，4.537，5.833,6.570，6.721，6.235，5.157，4.123，3.051]。可以看出：在这20个连续的采样点中只有三个点，分别是-1.419，0.201，1.855这三个点不满足大于采样值差动启动门槛值2.51的条件，其余17个点均满足要求，从而满足了保护装置采样值差动对点数的要求，B相采样值差动保护动作。与此同时，A、C两相差流中的瞬时值相对较小且小于门槛，未满足采差点数要求，因此A、C两相未动作。而且可以看出在采样点3.051这个时刻距离故障初始时刻有190 ms，此时采样值差动动作出口，和图1动作报文上的动作时刻188 ms吻合。

图5 距故障初始175 ms后B相差流连续20个采样点

2.2 关于采样值差动保护

我们熟知的常规相量差动是通过计算动作量和制动量的有效值构成差动保护判据，因而在稳态过程中，保护制动特性不会因为采样数据窗的移动而发生改变。但这种基于相量的差动保护也存在着如下不足：

1）容易受到变压器空投和故障恢复时励磁涌流的影响。目前常通过二次谐波闭锁防止励磁涌流引起保护误动，但在空投于变压器内部轻微故障时，需等到二次谐波充分衰减后才能出口，动作时间较长。

2）CT饱和也是造成常规相量差动保护不正确的动作原因之一，当引入差动回路的CT出现严重饱和时，将产生较大的差流有效值，在一定条件下就可能引起差动保护误动；

3）基于相量的差动保护，其计算相量需要一定的数据窗，导致在一个周波后才能发出跳闸指令，这对于严重内部故障，动作时间略显不够快。

采样值差动是一种新型的差动保护，它的设置主要是为主设备内部故障提供一个“速动段”，可快速切除绝大多数非轻微的主设备内部故障，对于变压器保护还非常有助于消除二次谐波判据带来的长延时影响。而且由于采样值差动保护从原理上即具备抗TA饱和、躲励磁涌流的能力，故变压器采样值差动保护也不经TA饱和判据和励磁涌流判据的闭锁，有点类似于差动速断保护。

和差动速断不同的是：差动速断是通过一个周波的采样，再根据傅里叶算法算出一个周波内电流的有效值，通过这个有效值和差动速断动作定值比较来判断是否该动作；而采样值差动保护则是将传统的向量转变为各采样点（瞬时值）。如果在一个周波的R（本装置R=20）点数据窗内至少有S（本装置S=17）点满足采样值差动动作特性，那么就会动作。

基于傅氏算法或曲线拟合的相量差动保护其动作特性是不受采样初始时刻影响的。而采样值差动保护是利用每一点的采样值作判据，由于采样初始时刻的随机性会使得采样值差动保护的动作边界不固定且存在着模糊动作区。在这个模糊区内，有些工况能动，有些工况不能动。本装置的模糊区为[1.414Iicdqd，1.848 Iicdqd]，Iicdqd为采样值差动保护起动门槛值。模糊区的存在使采样值差动保护的可靠性受到一定的影响。

2.3 采样值差动保护起动门槛值的整定

由上分析，可认为变压器（发变组）采样值差动的差动起动门槛值Iicdqd应按躲过变压器励磁涌流时TA饱和引起的反向最大电流整定。厂家建议取为1～1.2 In（In为TA二次额定值）。按本案例来说，如按系数取1 In整定，其采样值差动启动电流应该整定为1×5=5 A。

在这里特别说明一下，本装置对于Y型侧的校正方程为： ， ， 。由于Y→△转换的原因，Y侧电流变换为两相电流之差，放大了 倍，△侧电流通过平衡系数的补偿也放大倍，使得差动电流和制动电流都放大了 倍，因此，在定值整定计算时，所有的差动电流和制动电流定值都应乘以 。故上述定值取为5×1.732=8.66 A。

我们认为这个厂家推荐的整定定值偏大。如按本案例来说，在变压器跳开前变压器励磁涌流造成TA饱和引起的反向最大电流可以达到-3.134 A，如图6所示。

图6 跳开前一个周波前的反向最大电流波形

可以推测，如果变压器不跳开，按照反向电流逐渐增大的趋势，再过几十个周波即使达到-4 A，除以实际是4/1.732=2.31 A，是变压器高压侧二次额定电流1.49 A的2.31/1.49=1.55倍。如果按照厂家推荐的定值则是变压器二次额定电流的8.66/（1.732×1.49）=3.36倍，8.66这个定值只比差动速断定值8.7略小一点而已，所以我们认为厂家的推荐值偏大。如果按照厂家这样取值的话，那么这个采样值差动保护和差动速断保护相比并没有优势。但如果取太小的话又会引起误动作，如本案例就是定值取小的缘故导致采差误动。根据本案例的情况，建议整定范围为1.8～2 I e（I e为变压器的二次额定电流值），最后决定整定为1.8 I e，即1.8×1.49×1.732=4.6 A。通过动模试验表明，在这个整定值下再未发生励磁涌流导致的误动情况，且能反映变压器内部非轻微的故障。

3 动模仿真试验

本次动模仿真是在基于RTDS仿真平台Windows操作系统下的RSCAD软件下进行的。首先，启动Draft软件模块，创建用于仿真的电路图。在Master和 User库中把 SOURCE MODELS、TRANSFOMER MODELS、BREAKER、BUS、Dynamic Load等元件模块拖到绘图区。如图7所示：

图7 仿真电路图

双击各元件模块，打开其属性窗口。根据柘林电厂提供的主变容量、阻抗电压、空载损坏、铁芯阻抗、拐点电压等参数，把这些参数输入到主变元件的属性中去。其它元件也根据事故发生时的具体情况一一输入到相应属性中。元件图绘制完毕并保存后进行编译。编译正确后，点击RUNTIME，新建一个空白窗口。在窗口里添加FLOUT按钮、PlOT、SLIDER等。用FLOUT按钮控制断路器的合/分位置；用SLIDER控制合闸角度；用PLOT显示三相电压电流等。然后保存layout，运行仿真。连接主变保护装置进行闭环测试，观察保护装置的动作情况。仿真闭环测试连接图如图8所示。

图8 RTDS仿真闭环测试连接图

模拟事故时的情形，仿真图如图9所示。

图9 模拟事故发生时的仿真图

从仿真图可以看出和事故时的波形基本吻合。改变合闸角度，重新设定定值，保护装置再未发生误动，证明定值的设定可以有效防止采样值差动保护误动情况的发生。

4 事件后续处理情况

某水电厂根据国网江西省电力科学院提出的整改建议，把定值重新修改为1.9 Ie。经过数次空投试验，5号主变采样值差动保护再未发生误动作事故，说明重新修改后的采样值差动启动电流门槛值能够躲开励磁涌流而不导致误动。但考虑到本装置模糊区的存在将使采样值差动保护的可靠性受到一定的影响，所以最后电厂根据调度的意见，暂时退出本装置的采样值差动保护。

5 结论和建议

1）本次主变空充跳闸是由于某型号主变保护装置采样值差动启动电流门槛值设置偏小而未能躲开励磁涌流导致采样值差动保护误动。

2）建议适当抬高某型号主变保护装置采样值差动启动电流门槛值，能够躲过比较严重的励磁涌流，或者暂时退出此保护，采用我们熟知的更为成熟的比率差动保护和差动速断保护来保证变压器的运行。本文提出采样值差动保护门槛值应按躲开励磁涌流TA饱和时的反向最大电流整定，动模试验表明，按本原则整定的定值能躲开励磁涌流而不会误动作，完善了该保护在具体实践中的应用。而且根据电厂重新修改定值后5号主变采样值差动保护再未发生误动情况，证明了修改后的定值经受住了励磁涌流的考验。

3）本装置的模糊区的存在将使采样值差动保护的可靠性在实际运行中的可靠性受到一定的影响，所以下一步的工作就是进行对装置模糊区的研究，进一步完善装置在实际运行中的可靠性。

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