一起CT饱和引起的主变分侧差动保护动作情况分析

赵 磊

（国网宁夏电力有限公司调控中心，宁夏 银川 750001）

1 事故简述

2014年1月23 日，某330 kV变电站110 kV线路122彩二风线送电时发生线路近端接地故障。由于故障电流大，变压器产生了较大的穿越电流，公共绕组CT饱和，导致2#主变发生分侧差动保护越级动作。该主变配置某继电保护公司的双套保护装置，经检查发现，A套分侧启动差动保护动作，B套仅启动保护，未动作。该变电站的主接线图如图1所示。

2 故障分析

对于该分侧差动保护越级动作事故，分别从故障录波、比率差动曲线以及谐波制动验算3个方面分析事故发生的原因。

2.1 故障录波波形分析

图1中2#主变高中压侧额定容量为240 MVA，高压侧额定电压Uh为345 kV，高压侧的CT变比为1 000:1，差动保护定值单如表1所示。将其他侧电流折算至高压侧，计算出高压侧二次额定电流In为0.402 A，则分侧差动启动电流定值为0.5×0.402 A=0.201 A。

图1 变电站主接线图

表1 差动保护定值单

由故障记录数据可知，动作时的A套保护装置C相分侧差动差流达到3.139 A。A套保护装置动作时的中压侧电流波形、B套保护装置启动时的中压侧电流波形以及故障录波器的中压侧电流录波波形分别如图2（a）、图2（b）以及图2（c）所示。

图2 故障变压器中压侧波形

对比图2（a）、图2（b）以及图2（c）发现。故障时，两套主变护装置波形和故障录波器波形基本上一致，因此排除装置采样问题。

2.2 比率差动曲线验算

保护装置采样准确，根据采样数据进行比率差动曲线验算，可进一步确认事故发生原因。根据故障波形的标志集来计算，由于C相差流值远远大于A、B相差流值，故以C相来计算。又由于该越级动作事故为A套保护装置发生分侧差动保护动作，因此本文重点分析A套保护。分侧差动保护将变压器的各级绕组作为被保护对象，然后在各侧绕组的首末端设置CT。本装置中的分侧差动保护由自耦变压器高、中压侧外附CT和公共绕组套管CT构成。分侧差动各侧平衡系数与各侧的CT变比有关。

高压侧平衡系数为：

中压侧平衡系数为：

公共绕组侧平衡系数为：

其中，na.h，na.m，na.cw分别为高压侧、中压侧和公共绕组侧的CT变比。计算分侧差动时各侧电流均折算至高压侧。此外，分侧差动保护采用相电流计算，不需要作移相处理，且电流互感器各侧的极性都以母线侧为极性端。折算后各侧相电流矢量值的计算如下：

差动电流为：

制动电流为：

保护装置的比率差动曲线如图3所示。

图3 保护装置比率差动曲线图

根据故障波形采样值以及以上原理，计算出A套保护装置的分侧差动曲线数据（只对C相做计算验算），如表2所示。

表2 比率差动曲线数据

根据图3保护装置的比率差动曲线和表2的比率差动曲线数据，可以得到A套保护装置动作时刻的比率制动曲线，如图4所示。

图4 A套保护装置比率制动曲线

由图4可知，制动电流是3.875 A时，差动动作电流门槛值是2.471 3 A，当产生的差流为3.151 A大于2.471 3 A时，比率差动动作，其余点的计算量也满足动作条件。由于A套和B套采样数据接近，故B套的比率差动也满足动作条件。

2.3 差动保护装置谐波制动作用

该变压器保护的分侧差动保护具备CT饱和检测功能，通过判别差流二次谐波、三次谐波的含量及差流连续性判别元件。二次谐波和三次谐波判别取或后，与差流连续性判别元件取与逻辑，当满足饱和判别后提高差动门槛及比率制动曲线[1]。

A套保护装置的录波开关量曲线如图5所示。该保护分侧差动保护启动后，二次谐波和三次谐波一直在判别门槛附近，在分侧差动动作时刻，差流的二次谐波和三次谐波元件均开放，因此A套保护分侧差动保护动作。

图5 A套保护录波开关量曲线

B套保护录波开关量曲表如图6所示，分侧差动启动后，与A套相同时刻时的二次谐波和三次谐波未同时满足开放条件，因此B套保护分侧差动未动作。

综上所述，在转换性故障之后，中压侧C相电流出现深度饱和故不能正确传变电流，导致分产生差差流，且满足比率差动动作条件。B套未动作的原因在于CT饱和检测满足后，差动保护门槛及比率制动曲线均有所提高，差动电流未达到动作条件。

图6 B套保护录波开关量曲线

3 CT饱和原因分析及其对保护的影响

现场使用的CT型号是10P30，通过现场故障过程的波形记录，可以看出其CT特性相对较差[2]。理论证明，当发生区外短路故障时CT不会立即饱和，外部短路后的暂态不平衡电流不会立即出现，但是P级CT在故障时容易出现饱和，其饱和与以下几个原因有关[3-5]。

3.1 与CT剩磁的大小和方向有关

系统发生故障时，故障电流由直流分量、非周期分量以及稳态分量组成。P级CT的误差只考虑稳态电流的影响，当变压器发生区外故障或者线路重合于永久故障时，CT铁芯中包含交流稳态磁通，直流分量引起的非周期磁通以及铁芯中的剩磁。这3种磁通相互叠加后，将加剧CT的饱和程度。

3.2 受CT二次负载和故障电流影响

在同样电流下，感应电动势与二次负载阻抗成正比，而在同样负载阻抗下，CT二次回路线感应电动势与二次电流成正比。当故障发生在被保护设备近端时，将会产生很大的短路电流，如果CT二次所带负载较多导致二次阻抗过大，或额定准确极限选择不当，将会引起CT铁芯磁通密度增大，从而造成CT饱和。

3.3 保护用CT变比对继电保护的影响

当选择的保护CT匝数很小时，二次匝数必定不多。如要同时兼顾额定准确极限电流的倍数不降低，即具有一定的抗饱和能力和带负载能力，则必须要求硅钢片具有良好的导磁性能，而且需要增加铁芯截面。因而，考虑到保护CT生产过程中的技术性能和经济指标，应尽量选择较大变比的保护CT，特别低压馈线保护CT不宜选用100/5及以下的变比，除非实际一次短路电流特别小。

当变压器发生区外近端故障时，将产生很大的穿越电流，使CT一次电流超过其实际准确限值电流倍数，铁芯在一次电流过零点前后时刻达到饱和状态。在一次电流上升或下降阶段，由于铁芯饱和，磁通不再发生变化，二次感应电动势为零。而在一次电流过零点前后时刻，磁通急剧变化，使CT二次感应出短暂的电动势，形成时间间隔很长的尖顶波，如图7所示。尖顶波在一周期内的有效值很小，因而在回路电抗上产生的电流很微弱。如果接入差动保护两侧的CT产生不同程度的饱和，则会形成差流，在满足制动电流的条件下促使差动保护误动。

图7 CT饱和时二次感应电动势

根据国标Q／GDW175-2013《变压器、高压并联电抗器和母线保护及辅助装置标准化设计规范》要求，对于330 kV及以上电压等级变压器，包括公共绕组CT和低压侧三角内部套管（绕组）CT在内的全部保护用CT均应采用TPY型CT。而该事故现场由于使用P级CT，从而导致差动保护装置误动事故。

4 结 论

随着电网规模的不断扩张和电压等级的不断提升，系统短路电流的数值也在不断攀升，因此对CT的要求越来越高，P级CT难以满足高电压等级系统的要求。本文排查分析一次差动保护误动事故的原因，确定事故起源，最后分析P级CT的饱和原因以及对保护电流的影响，结合国标规范，根据现场的实际情况，建议330 kV及以上电压等级变压器使用TPY型的CT。