两变压器差动保护同时误动故障分析

廖承民，李玉志，杨文佳，王宝秀，张慧峰，唐敏

（国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东潍坊261021）

两变压器差动保护同时误动故障分析

廖承民，李玉志，杨文佳，王宝秀，张慧峰，唐敏

（国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东潍坊261021）

根据变压器差动保护原理，结合事故报文，利用数学工具对铜集变电站进行变压器差动电流有效值及其二次谐波含量的计算和分析。并针对“姊妹”型变压器安装运行于同一个厂站的接线方式，提出两台变压器差动保护因励磁涌流可能同时动作跳闸的防范措施。

备自投装置；差动电流；有效值；二次谐波；励磁涌流

0　引言

2012年11月13日，110 kV铜集变电站两台变压器因主供电线路故障，引起差动保护同时动作断路器跳闸。结合变压器差动保护原理、故障录波、事故报文等资料，对变压器差动保护误动的原因进行分析。铜集变电站系统结构如图1所示，由110 kV旺铜线供电，110 kV佳铜线充电备用，110 kV备自投装置、10 kV分段备自投装置投入运行，1号、2号变压器分别供电给10 kVⅠ、Ⅱ段母线负荷。

图1　铜集站一次网络接线图

1　保护功能与原理

1.1铜集站变压器差动保护

铜集站1号、2号变压器配置CST31A型保护，差动保护动作特性由初始动作电流Icd、拐点电流Ib、基波比率制动特性斜率KId三要素决定［1］，如图2所示。变压器发生轻微故障如很少匝间短路时，差动保护不带制动，具有较高的灵敏度；变压器差动保护区内发生严重故障时，差动速断保护快速动作，跳开相关断路器；变压器差动保护区外发生故障时，差动保护带制动，具有较高的可靠性；二次谐波制动的作用在于区分差流是故障电流还是励磁电流，当差电流中二次谐波分量与基波分量比值的绝对值达到0.2及以上时，二次谐波制动特性发挥作用，差动保护能够躲过励磁涌流的影响［2］。

图2　变压器差动保护动作特性

1.2旺铜线保护配置

220 kV旺佳站1号变压器供电给110 kVⅠ母线、旺铜线等。旺铜线电源侧主要配置三段式距离保护、三段式零序保护、线路2 s检无压重合闸，重合闸后加速零序过流保护等。旺铜线总长度4.78 km。

2　故障现象与检查处理过程

2012-11-13T18∶00∶31，110 kV旺铜线发生B相接地故障，零序Ⅰ段、距离Ⅰ段保护动作，113断路器跳闸，重合不成功，故障测距3.1 km。铜集站1号、2号变压器差动保护动作，111断路器、100断路器、001断路器、002断路器跳闸，110 kV、10 kV备自投装置启动，断路器未动作。

检查发现，旺铜线跳闸原因为一吊车在17～18号杆间吊钢架时碰触旺铜线B相导线，导线有放电点。

铜集站两台变压器相关断路器跳闸后，现场对差动保护范围内可能存在的故障点进行了检查，两台变压器110 kV侧中性点绝缘良好未击穿；针对100断路器与TA5、TA2之间发生高阻抗接地故障的可能性，进行110 kV GIS组合电器局放耐压试验，结果显示正常；对两台变压器保护进行检验，结果显示符合技术规范要求。

3　保护与自动装置动作行为分析

3.1旺铜线保护动作行为

旺铜线发生B相接地故障，故障相电流为34.17× 120=4 100（A），故障零序电流33.94×120=4 070（A），故障测距为3.1 km。故障录波见图3，其中“1区”为旺铜线B相故障发生至113断路器第一次跳闸时段，“2区”为113断路器第一次跳闸后至重合闸动作合闸前时段，“3区”为113断路器重合于故障线路到第二次跳闸前时段，“4区”为113断路器第二次跳闸后时段。

图3　旺佳站1号变压器220 kV侧录波图

旺铜线保护装置动作报告显示其故障时的保护动作时序为：旺铜线B相接地后19 ms零序过流Ⅰ段动作，25 ms距离Ⅰ段动作，2 078 ms重合闸动作，2 378 ms零序保护加速跳闸。

3.2铜集站110 kV侧备自投动作行为

铜集站2号变压器数据采样值见表1。IA、IB、IC为变压器高压侧电流值，Ia、Ib、Ic为变压器低压侧电流值。铜集站变压器录波图显示，1号和2号变压器分别在4 101 ms、4 117 ms，即旺佳站旺铜线113断路器第二次跳闸后约1 685 ms时，测得差动保护起动电流分别为1.61 A、1.60 A。同时，2号变压器低压侧电流最大值达到Ib=7.4×300=2 220（A）。因此，旺佳站旺铜线113断路器第二次跳闸后，铜集站110 kV备自投装置检测到旺铜线“线路无电流（小于0.40 A），110 kVⅠ段母线无电压（小于20.0 V）”，符合110 kV备自投装置起动条件，起动跳开旺铜线111断路器，合上佳铜线112断路器。

3.3铜集站10 kV侧备自投装置动作行为

铜集站1号变压器、2号变压器差动保护动作跳闸后，其10 kVⅠ、Ⅱ段母线同时失压，符合“10 kVⅠ、Ⅱ母线任何一段失压即闭锁BZT（动作放电）”条件，即10 kV备自投装置起动闭锁由本装置跳开或合上1号变压器001断路器、2号变压器002断路器功能。那么，跳开1号变压器001断路器、2号变压器002断路器及100断路器、112断路器的保护只能是其差动保护。

表1　铜集站2号变压器高低压侧采样值A

3.4铜集站两台变压器差动保护动作行为

3.4.1励磁涌流导致差动保护动作

CST31A型变压器差动保护二次谐波制定原理如图4［3-4］。根据差动保护原理和2号变压器采样值，计算2号变压器差动电流有效值，并利用数学工具，进一步计算差动电流有效值中的二次谐波含量，见表2，二次谐波含量曲线如图5。

图4　变压器差动保护二次谐波制动原理

图5　2号变压器差动电流二次谐波含量曲线

如表2所示，由于A、B相差电流有效值均低于初始动作电流ICD=1.09 A，A、B相退出二次谐波判别，而C相差电流有效值及二次谐波含量（1～3和6～7采样点）满足变压器差动保护的动作条件，2号变压器差动保护跳开其两侧断路器跳闸。

表2　铜集站2号变压器差动电流有效值及二次谐波含量

3.4.21号变压器跳闸原因

铜集站1和2号变压器型号为SZ10-50000/110，短路电压百分数分别为10.42%、10%，空载电流百分数分别为0.188%、0.25%，短路损耗分别为187.07 kW、193.14 kW，空载损耗分别为32 kW、33.1 kW，1号和2号变压器为典型的“姊妹”型变压器。铜集站两台变压器在110 kV备自投装置动作，将供电电源切至110 kV佳铜线时，产生了相近甚至同样的励磁涌流，而且没有躲过差动保护，造成1号变压器两侧断路器同时跳闸。

3.5故障分析

110 kV旺铜线和铜集站1号、2号变压器跳闸顺序应为：

1）旺佳站：110 kV旺铜线发生B相单相接地故障，零序Ⅰ段、距离Ⅰ段保护动作，113断路器跳闸，重合不成，113断路器跳闸。

2）铜集站：110 kV备自投装置动作，旺铜线111断路器跳闸，佳铜线112断路器合闸。1号、2号变压器差动保护动作，1号变压器差动保护跳开001断路器、100断路器、111断路器，2号变压器差动保护跳开002断路器、100断路器、112断路器。10 kV备自投装置启动闭锁由本装置跳开或合上1号变压器001断路器、2号变压器002断路器。

3）铜集站：1号、2号变压器在区外故障切除后切换至另一电源继续供电时，其励磁涌流引起差动保护动作跳开相应断路器，差动保护动作属于误动作。

可见，铜集站110 kV备自投装置起动，“断路器未动作”是一种假象，实际上110 kV备自投装置起动，充电线路佳铜线112断路器合闸后又被2号变压器差动保护跳开了。而10 kV备自投装置未启动，所以不存在断路器合闸的问题。

4　措施及效果

针对本案例，在变电站的设计、运行管理、保护整定方面可采取以下措施，以解决变压器差动保护因励磁涌流引起误动所造成的影响。

1）注意变电站变压器设计选型。同一个厂站应安装不同厂家、不同型号的变压器，尽量避免“姊妹”型变压器安装运行于同一个厂站。

2）调整变电站运行方式。如图1所示，同一个厂站运行有“姊妹”型变压器时，将正常运行方式调整为：1号变压器运行于110 kVⅠ段母线由旺铜线供电，2号变压器运行于Ⅱ段母线由佳铜线供电，100断路器热备用，投入110 kV、10 kV备自投装置。

3）调整差动保护二次谐波制动系数。将二次谐波制动系数Kxb进行调整，使Kxb≤0.15［5］。

针对铜集站采取2）、3）两项措施。两年多的运行结果表明，在类似故障情况下主供、备用电源线路能够成功切换，两台变压器差动保护同时误动的问题得到解决。

5　结语

通过对铜集站1号、2号变压器及其供电电源侧跳闸信息的整理、计算，结合变压器差动保护动作特性和变压器差动保护二次谐波制动原理，深入分析了铜集站110 kV、10 kV备自投装置及其两台变压器差动保护的动作行为，并提出了解决类似问题的措施。为保障对电网运行的安全调控，电网调控人员应对电网中所有在线运行的继电保护和安全自动装置原理及动作情况进行深入研究，能够分析保护动作行为，准确定位故障，及时准确处理事故，并应提前做好各种方式的事故预案及演练，保障正确、迅速地处理故障电网。

［1］王敬引，史文丽，张洪.浅谈变压器微机差动保护的定值整定原则［J］.河北电力技术，2004，23（6）：22-24，44.

［2］方展洲.变压器二次谐波制动差动保护误动分析及对策［J］.电工文摘，2013（3）：35-37.

［3］贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理［M］.北京：中国电力出版社，1994.

［4］武春菊，张学清，石凤兰.励磁涌流引起变压器差动保护误动分析及对策［J］.华北电力技术，2007（3）：51-54.

［5］王立大，段周朝.变压器励磁涌流引起保护误动分析［J］.电力系统保护与控制，2010，38（10）：138-140，144.

Malfunction of Differential Protection for Main Transformers

LIAO Chengmin，LI Yuzhi，YANG Wenjia，WANG Baoxiu，ZHANG Huifeng，TANG Min
（State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang 261021，China）

According to the principle of differential protection and in combination with accident information，the RMS and second harmonic content of main transformer differential current are calculated and analyzed on the base of mathematical tools in Tongji substation.For the connection mode that"sister"main transformers are installing and operating in the same plant station，measures of preventing two differential protection devices from tripping because of inrush current are proposed.

spare power automatic transform system；differential current；effective values；second harmonic；excitation inrush current

TM773

B

1007－9904（2015）10－0057－04

2015-05-25

廖承民（1966），男，工程师、高级技师，从事技术类培训教学管理工作；

李玉志（1970），男，高级工程师，从事电网调控管理工作；杨文佳（1983），男，工程师、技师，从事电网调控管理工作。