一起500 kV电流互感器爆炸引起母差动作的分析

穆云龙，翁 凌，都小利，臧 伟

(1.国网安徽省电力有限公司检修分公司，安徽 合肥 230061;2.国网安徽省电力有限公司培训中心，安徽 合肥 230022;3.安徽电气工程职业技术学院，安徽 合肥 230051)

0 引言

电流互感器是电力系统中的重要设备之一，其作用是把电力系统的一次大电流变换成与其正比的二次小电流，然后输入到测量仪表或继电保护及自动装置中，用来测量、监视、控制电力系统的潮流及运行工况。当系统发生故障的时候，由继电保护快速切除故障，确保设备和系统的安全。

传统电磁式电流互感器利用铁芯耦合进行传变，绝缘结构复杂，长期运行中存在部分易爆的危险，而电流互感器又是许多保护使用绕组集中的地方，发生故障后极易造成区内、区外转换、二次断线等比较复杂的故障现象，对保护装置的暂态动作性能将会是个严格的考验。

1 母线保护的作用和意义

在大型发电厂和枢纽变电站，母线连接元件甚多。主要连接元件除出线单元之外，尚有TV、电容器等。运行实践表明，在众多的连接元件中，由于绝缘子的老化，污秽引起的闪络接地故障和雷击造成的短路故障次数甚多，其次还有母线电压互感器和电流互感器的故障，另外，运行人员的误操作，如带负荷拉隔离开关、带地线合断路器造成的母线短路故障，也有发生。

当发电厂和变电站母线发生故障时，如不及时切除故障，将会损坏众多电力设备及破坏系统的稳定性，从而造成全厂或全变电站大停电，乃至全电力系统瓦解。因此，设置动作可靠、性能良好的母线保护，使之能迅速检测出母线上的故障并及时有选择性的切换故障是非常必要的。

2 事故经过

某500kV变电站系统一次主接线如图1所示。保护均采用双重化配置，其中2号主变保护配置为PCS-978T5和CSC-326T5，断路器保护配置均为PCS-921A-DG-G和CSC-121A-DG-G，II母线保护配置为PCS-915C和NSR-371C，母线保护差动启动定值设为0.7A，该母线保护接入5012、5023、5043、5053支路，CT变比均为4000/1，基准CT变比为4000/1，5023跟5022开关之间接入2号主变。

图1 系统一次接线图

2019年1月22日13点29分44秒，变电站内5023开关B相流变本体爆炸着火。500kV II母母差保护、2号主变保护动作，5012、5023、5043、5053、5022、4802断路器跳闸；因3台主变并列运行，并未造成负荷损失。

检查保护装置动作情况如下：2号主变第一套差动保护(PCS-978T5)动作，差动电流5.031A；第二套分相电流差动保护(CSC-326T5)动作，差动电流6.156A。5022、5023开关第一、二套保护均动作断路器三相跳闸。500kV Ⅱ母线第一套差动保护(PCS-915C)启动；第二套差动保护(NSR-371C)动作。

从保护动作情况可看出两套主变保护及四套开关保护均正确动作，唯有母差保护第一套未动作，第二套动作。实际运行中，当两套主保护动作情况不一致时，需要格外引起注意，因此下面就对两套保护的动作行为进行分析。

3 原因分析

3.1 第一套PCS-915C动作分析

PCS-915C包含变化量比率差动元件及稳态量比率差动两种差动元件。变化量比率差动利用电流工频变化量起动元件自适应地开放加权算法。当发生母线区内故障时，工频变化量差动元件△BLCD和工频变化量电流元件△si基本同时动作，而发生母线区外故障时，由于故障起始CT尚未进入饱和，△BLCD元件动作滞后于工频变化量电流元件变化量。稳态量比率差动则利用了CT饱和时差流波形畸变和每周波存在线性传变区等特点，根据差流中谐波分量的波形特征检测CT是否发生饱和。

图2所示为第一套母差保护录波波形，包含差动电流B相及各支路B相电流。分析此波形，发现装置感受到差动电流持续时间约两个周波(40ms)，故障开始时差流为0，可判断为区外故障，而后8～10ms慢慢发展为区内故障，第一个周波5023波形与其他三个开关相反因此差动电流较小(峰值约0.76A)，待5023开关CT电流消失后，第二个周波内差动电流开始变大(峰值约7.69A)。

图2 母差保护录波

使用录波分析工具进一步分析母差波形，情况如图3，其中第一幅图中的绿色波形为制动电流，红色波形为差动电流；第二幅图的动作标志从上到下依次为差流启动标志，稳态量比率差动(0.5)动作标志及谐波抗饱和判据动作标志。(由于时标不同，可以把0.05S当做启动时刻)

图3 母差保护录波分析

由于故障起始第一个周波差动电流较小，制动电流较大，所以变化量比率差动不满足动作条件。因为变化量比率差动保护是比较故障起始阶段工频变化量差动元件△BLCD和工频变化量电流元件△si的动作先后顺序，所以从保护启动开始只开放一个周波，所以第二个周波变化量比率差动保护被闭锁。变化量比率差动保护未动作是差动保护动作时间较慢的原因。

500kV II母第一套保护(PCS-915C)启动时间为2019年1月22日13点29分44秒579毫秒，稳态量比率差动保护的差流启动标志在2019年1月22日13点29分44秒588毫秒(相对时间9ms)满足动作条件，稳态量比率差动(0.5)动作标志在2019年1月22日13点29分44秒602毫秒(相对时间23ms)满足动作条件，谐波抗饱和判据动作标志在2019年1月22日13点29分44秒610毫秒(相对时间31ms)满足动作条件。因为满足饱和判据后故障持续时间较短，只有十几毫秒，虽然稳态量比率差动元件动作的持续时间已大于动作延时，但是谐波抗饱和判据动作的持续时间未大于动作延时，所以稳态量比率差动保护未动作。

3.2 第二套NSR-371C动作分析

从第二套母差保护录波中可以看出，5023支路B相发生故障，500kV II母第二套保护(NSR-371C)启动时间为2019年1月22日13点29分44秒576毫秒，而后制动电流明显上升，但母线保护三相均无差流，表明此时发生了母线区外故障，从13点29分44秒585毫秒起，母线保护出现差流，且各支路波形良好无明显畸变，说明此时区外故障转换为母线区内故障，同第一套保护显示的波形情况一致。

母线差动保护由突变量差动、采样值差动和相量差动组合构成，三者为或逻辑，即任一种满足即动作出口。突变量差动利用故障发生时突变量差流和突变量制动电流产生的时序关系决定区内外故障，其动作速度快，抗饱和能力强，能抗2ms的深度饱和，但突变量差动在同名相的转换性故障时可能无法起作用，因此设计了采样值差动和相量差动。采样值差动具有较好的抗饱和能力，能保护转换性故障，但速度较慢，动作时间至少长于一个工频周波。相量差动采用基波值进行判断计算，灵敏度高，但对波形质量要求高，其结合谐波等抗饱和判据，作为差动保护的保底段。

本次故障为区外转区内的转换性故障，突变量差动未能动作，由采样值差动完成差动保护的出口动作，因此动作时间较长。母线保护的整组动作时间是从保护启动开始计时，本次故障过程中，先发生的区外故障使保护启动，8ms左右后转换为区内故障，之后12ms的时间内，如图3所示虚线之前，采样值差动的比率制动特性(采样值差流与0.5倍的采样值制动电流比较)一直不满足，判断是由于区外故障分流导致，图3虚线之后，差流变大，采样值差动的比率制动特性满足，20ms左右后采样值差动动作，实际从有动作故障差流到保护发跳令用时18ms，因此装置显示整组动作时间为37ms。符合采样值差动的原理设计。

图4 B相故障采样值差动分析

图5(Y轴为差流，X轴为制动电流)显示了B相差动保护动作时刻，动作点于比率制动曲线的位置，其位于动作区，本次母线差动保护正确动作。

图5 动作时刻的比率制动曲线

4 结语

本次故障是由于电流互感器爆炸引起的区外转区内的综合故障。整个故障持续约48ms，开始故障位于母差区外，主变区内，主变保护3ms动作，故障8～10ms后转入区内，由于突变量或变化量动作时序的先后顺序，突变量或变化量差动均判为闭锁未动作。而转入区内后先期动作电流不大，稳态量母差没有第一时间动作。等到20ms左右后差流才增大，从录波图上可以看出，两套母差保护差流波形基本一致，此时两套保护差动均达到动作值，但由于两套保护闭锁原理不同，虽然稳态量比率差动元件动作的持续时间已大于动作延时，但是对于PCS-915C保护谐波抗饱和判据动作的持续时间未大于动作延时(31ms才满足条件)，等于又推迟了8ms才满足出口条件，此后故障由于主变保护瞬时动作切除，只维持了15～18ms，没有达到出口的延时，因此第一套母差未动作。而NSR-371C则在20ms 时已满足条件(无抗饱和判据动作延时)，经过18ms动作延时出口，整组动作时间显示为37ms。当然如果故障能够再多持续5～10ms，两套保护均能动作出口，后经研发人员测算，第一套母差保护大概还差3到4个采样点也就能出口动作了。

对于本次故障，主变保护动作切除三侧开关，故障已经可以得到隔离，母线保护可不需要动作，而且正是由于南瑞继保的抗饱和判据比较多样，在某些特殊场合下能更好的防止误动，因而两套均按照既定原理进行判别，均应认定为正确动作。但就保护原理而言，发生区外转区内的故障时，装置应能快速可靠动作，实际中确实也发生了母差区内故障，对于本次转换型故障，更应该偏向于第二套保护正确动作。

针对此种变换且特殊的故障，最新的十八项反措也强调，为防止装置家族性缺陷可能导致的双重化配置的两套继电保护装置同时拒动的问题，双重化配置的线路、变压器、母线、高压电抗器等保护应采用不同生产厂家的产品。