100MW电厂变压器差动保护误动作原因分析

王 野 姜万东 沈克明 罗吉泽 迟玉国

（1. 丽水学院电子与电工技术创新重点实验室，浙江 丽水 323000；2. 江苏国网自控科技股份有限公司，江苏 昆山 215311）

1 故障概述

某100MW电厂厂级10kV/0.4kV变压器在低压侧#1馈出线发生三相短路故障时，变压器微机保护装置比率差动保护越级动作，致使该变压器低压侧全部负荷停电。造成厂变低压侧的两台油泵电机跳闸停机，输送两台 100MW 机组燃油供油停止，最终导致 100MW 机组停机。电厂比率差动保护动作记录情况见表1，100MW电厂变压器比率差动保护一次主接线如图1所示。

表1 100MW电厂变压器差动保护动作电流记录

现场差动速断保护装置设置的参数及定值见表2。

图1 100MW电厂变压器差动保护主接线图

表2 差动速断保护动作设定参数值

（续）

2 故障情况初步分析

作为变压器差动保护，低压侧馈出线故障属于区外穿越性故障，比率差动保护动作属于误动作。该微机保护装置比率差动保护采用三折线比率差动原理[1]，动作区如图2所示。

式中，Ih、Il分别为变压器高压侧、低压侧电流互感器二次侧电流（根据变压器接线方式矫正后的等效电流）。两侧电流互感器均按 Y型接线，且指向变压器，通过整定低压侧平衡系数（kp）、接线方式，装置可自动调节两侧电流幅值，相位。

图2 比率差动动作曲线

比率差动保护能保证外部短路不动作，内部故障时有较高的灵敏度。

根据装置的动作记录与式（1）和式（2），计算制动电流：

IresA=0.84A，IresB=8.5A，IresC=5.68A

从A相电流分析，制动电流IresA小于制动拐点Ikp1（见设定参数表），差动电流IdifA=7.04A，大于比率差动门槛电流Iopmin（见设定参数表），满足动作方程条件，比率差动保护动作。

作为变压器穿越性故障，从动作的记录值来看，变压器的高压侧故障电流明显很小，接近于 0。而作为单电源供电网络，变压器低压侧的馈出线发生故障，而电源侧电流理论上不可能很小，那么很有可能是微机保护交流采样异常或变压器高压侧 CT饱和造成。故障后对微机保护进行了校验，发现微机保护的交流采样数据正常。

从上面的分析可以初步断定，可能是由于保护装置的电流变送器或电流互感器的暂态饱和，造成高压侧电流计算偏小，导致的微机比率差动保护误动作。

3 故障分析

对于差动保护来说，与外部 CT的配合是至关重要的。由于短路时非周期分量的影响，即使短路电流不大，也可能产生严重的暂态饱和而形成很大的误差，即使两侧CT特性相同，但如果剩磁不同，也可能饱和程度差别很大。因此不难解释，动作报告中，高压侧电流近似为 0，而低压侧电流很大的原因。

从保护装置的动作记录上可以看出，低压侧的B相电流明显大于 A，C两相电流（IAl=11.04A，IBl=26.69A，ICl=15.74A）。根据短路理论，非周期分量在三相中有一相最大，而另外两相较小，这就可以合理的解释了为什么A，C电流明显小于B相电流。从高压侧电流来看，高压侧非周期分量引起了CT暂态饱和，输出电流为 0（或很小），引起差动保护动作。

对于非周期分量体现为直流分量和丰富的低频分量，对于P级电流互感器，其传变直流能力很差。因而，直流则传变为励磁电流，而引起电流互感器的饱和。饱和程度不同，对保护的影响也不同。对于轻微饱和，在短路瞬间不致马上饱和，而在一个周波后波形有所畸变，但是由于非周期分量的衰减，影响也越来越小。对于快速保护（1～2周波内动作），影响不大，而对于带有延时的保护，由于非周期分量的衰减为0，也不会有太大影响。

对于比较严重的暂态饱和，体现在第一个半波内就出现饱和情况。这对快速保护相当不利（利用1/4周波保护除外）。由于饱和后二次电流迅速的减小到几乎为 0，对于半波傅氏算法将导致很严重的后果。如果两侧的 CT抗饱和能力有所差别，那么将导致比率差动保护误动作。

图3 非周期分量导致CT严重饱和时二次电流波形图

从图3可以看到非周期分量导致CT严重饱和时二次电流波形图[2]，严重的暂态饱和引起了二次电流输出有半个多周波小电流输出。如果采用半波傅氏算法，当另一侧保护 CT没有饱和时，会出现一侧电流为0（或很小），而另一侧电流较大，引起比率差动或者差动速断误动作。即使采用全波算法，也很难防止误动作。

考虑半波和全波傅氏算法对衰减直流分量的滤除情况，施加一信号x(t)，对于变压器附近短路故障，由于变压器的电抗较大，因此引起的非周期分量衰减时间较长，暂定为两个周波，即40ms。

采用全波傅氏算法[3]，输出的x(t)基波有效值为6.941，则计算误差为。衰减直流分量已经对全波傅氏算法的输出造成一比较大的误差。该情况为稳态情况分析，如果在暂态情况下，可能造成的误差更为严重。

而采用半波傅氏算法[3]，输出的x(t)基波有效值为9.752，则计算误差为。半波傅氏算法在短路开始的半个周波内由于衰减直流分量所造成的误差达到30%以上，因此可以看出在这种情况下，半波算法不适合用在直流分量很严重的场合。当然，如果对于严重的区内故障，这样情况下可以加快动作时间，但对于差动类型的保护，如果在非周期分量作用下，CT两侧特性有差别时，很可能导致区外误动（近端故障）。

由此可以看出，全波傅氏算法对于衰减直流分量的抑制能力较差，而半波傅氏算法抑制非周期分量的能力被削弱了。

4 解决分析办法

针对故障情况的初步分析，拟尝试以下措施预防今后类似误动问题，并进行了实验。

1）增加判断时间来避免误动作。对于 110kV以下系统，一般非周期衰减时间常数都小于60ms，但对于变压器或发电机出口处发生严重故障时，衰减时间将加长。为避免 CT暂态饱和而引起误动，可放慢比率差动保护速度到 60ms以上，而差动速断应在定值上考虑上面问题，且动作速度也不应太快。

2）差动保护用CT应满足抗饱和措施，可参照差动保护抗电流互感器饱和措施[2]，差动保护一般配的CT为TPY型。

3）软件上尽量采用全波傅立叶算法，采用差分与傅立叶算法相结合。

5 结论

根据某 100MW 电厂变压器微机差动速断保护误动作导致的两台 100MW 机组停机，对保护装置进行了以下整改措施：

1）采用全波傅里叶算法配合前级差分输入。

2）增加了对故障判别的次数，防止由于CT暂态饱和而导致一次电流很小，而另一侧电流很大，而引起差动保护误动作。

经过对保护装置的设计可靠性进行了升级，重新投入生产使用后，至发稿期间再无此类误动作。这次误动作分析和问题处理，也为今后微机保护在可靠性设计和软件检测硬件上提供一些值得借鉴的经验。

[1] 王维俭. 电气主设备继电保护原理及应用[M]. 北京:中国电力出版社, 2002: 56-58.

[2] 袁季修, 盛和乐, 吴聚业. 保护用电流互感器应用指南[M]. 北京: 中国电力出版社, 2004: 4-94.

[3] 李艳红, 谭惠尹. 浅谈全波傅里叶算法与半波傅里叶算法[J]. 电子世界, 2012(13): 97-98.