主变压器零序过电压保护动作分析与对策

肖俊先，王珂，李林山，董国琴，徐浩

(1. 湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南长沙410004；2. 国网湖南省电力有限公司岳阳供电分公司，湖南岳阳414000；3. 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

0 引言

零序电压保护是针对所连接的系统单相接地故障同时又没有中性点接地点或失去中性点接地点的情况设置, 防止故障产生的零序过电压对系统电气设备绝缘构成威胁, 是放电间隙的补充或近后备[1]。当零序过电压保护采用自产零序电压时,易受电压二次寄生回路的干扰, 造成主变压器零序过电压保护误动作。

通过对近几年电网运行中发生的几起主变压器间隙零序保护动作事件的原因深入分析, 提出针对性的整改及预控措施, 让电力系统更加安全稳定的运行。

1 零序过电压保护原理及定值整定

零序电压取母线自产零序电压或者母线外接开口三角电压, 当其值大于整定值并经整定延时后,零序电压保护动作跳主变压器各侧开关, 判别逻辑如图1 所示。当零序过电压采用自产零序电压时,零序电压保护的定值3U0固为104 V, 当间隙过电压采用外接零序电压时, 零序电压保护的定值3U0固定为180 V, 动作时间固定为0.5 s, 动作于跳开主变压器三侧断路器。

图1 零序过电压保护原理图

2 TV 二次回路异常造成保护误动原因分析

电压互感器在系统电压下运行时, 其二次绕组的一端及回路在任何时候都与变电站接地网连接,是保证变电站中互感器二次绕组及所接回路与接入的继电保护装置、测量仪表等设备及人员安全的重要措施。《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》 中对TV 二次电压回路做了严格的要求。以下通过实例对电压回路在运行维护中出现的两种现象进行分析和论证。

2.1 TV 二次回路接入相间继电器导致零序过电压保护误动

2.1.1 故障过程描述

2019 年 12 月, 某 220 kV 智能变电站 110 kV GIS 设备耐压试验结束后复电, 110 kV Ⅰ母与110 kV Ⅱ母均已带电后, 依次合上110 kV Ⅰ母TV二次空开 A、B、C 相, 期间 1 号主变压器 A 套保护装置中压侧间隙过电压保护动作, 延时0.5 s 后跳开1 号主变压器三侧断路器, B 套保护装置无动作记录。

2.1.2 保护动作情况分析

现场主变压器保护装置均采用型号为PCS-978GE-D 的主变压器保护装置。

故障发生时, 110 kV Ⅰ母电压互感器送1 号主变压器中压侧合并单元B 套保护电压空开未合,所以1 号主变压器B 套保护装置未动作, 故障波形如图 2、图 3 所示。

对故障录波装置故障时刻的波形分析结果如下:

1) 110 kV 母线A 套合并单元Ⅰ母A 相电压空开合上后, B 相和C 相电压空开分别于0.8 s、2.2 s 后先后合上。

2) A 相电压空开合上后、B 相电压空开合上前, B 相和C 相产生电压约为33 V、28 V, 电压相位与A 相电压基本一致, 此时3U0约为120 V, 大于自产零序保护定值104 V。

3) B 相电压空开合上后、C 相电压空开合上前, 3U0减小至85 V 左右。

4) 故障波形与复电操作过程及主变压器保护动作情况相符。

5) 分别查看220 kV 故障录波装置及110 kV故障录波装置故障时刻波形, 并进行对比分析, 两套故障录波装置故障时刻波形基本一致。

图2 220 kV 故障录波图

图3 110 kV 故障录波图

2.1.3 故障原因分析

结合现场检查情况可以确定零序间隙过电压保护动作的原因为电压二次回路上存在寄生回路。A相电压二次空开合闸时, 在BC 相产生了与A 相电压相位相同的感应电压, 同时主变压器零序间隙过电压保护整定为自产零序, 从而导致主变压器零序间隙过电压保护动作。

经现场图纸检查, 110 kV 母线电压切换与并列装置采用型号为RCS-9663D 的电压并列装置,电压并列柜保护用电压回路AB 相、BC 相间存在电压监视继电器, 形成寄生回路。

在110 kV 母线A 套合并单元Ⅰ母A 相电压空开合上时, B 相和C 相出现分压, 导致1 号主变压器中压侧间隙过电压保护动作。电压监视继电器分压如图4 所示, 图中,Zm为电压并列柜电压监视继电器阻抗,Zn为合并单元采样插件内部小TV 阻抗,Zl为二次电缆芯线阻抗。当A 相电压空开合闸、B相和C 相电压空开分闸时, A 相电压可通过Zm、Zl、Zn分压至 B 相、C 相。

图4 电压监视继电器分压原理图

2.2 TV 二次回路并接电容器导致零序过电压保护误动

2.2.1 故障过程描述

2017 年 8 月, 某 220 kV 新扩建 2 号主变压器投产送电时, 利用600 断路器经Ⅱ母对2 号主变压器进行第一次冲击合闸试验。600 断路器合闸后不久, 2 号主变压器两套保护高后备零序过电压保护均同时动作出口, 跳开620 断路器。

2.2.2 保护动作情况分析

对二次设备检查发现220 kVⅡ母二次电压存在异常。现场220 kVⅡ母母线电压端子箱内, 两路保护电压二次快分空气开关均在断开位置。2 号主变压器母线电压三相采样应均为0 V, 而装置内部高压侧三相电压实际分别显示为: 43.11 V、41.86 V、60.93 V, 3U0电压显示为 142 V。用万用表实测发现, C 相电压与Ⅰ母C 相电压相同,A、B 相电压与C 相同相位, 幅值约为其70%。

通过对电压二次回路仔细检查, 发现Ⅱ母母线电压端子箱内, 两路保护电压快分开关C 相上均并联电容, Ⅰ母母线电压端子箱内也存在同样问题。经分析, 由于该电容的存在, 将C 相交流电压空开上下端直接导通, 因此C 相下端带有额定电压。当A、B 相空开断开时, C 相电压则可通过外部相间负载反馈至A、B 相, A、B 相也能感应到与C 相同相位的电压, 因外部负载与装置电压采样绕组的分压作用, 电压幅值会有所下降。分析结果与现场实测一致。

2 号主变压器高后备零序过电压保护电压采用自产3U0, 保护定值: 120 V, 0.5 s。第一次冲击合闸时, A、B、C 三相电压幅值分别为43.11 V、41.86 V、60.93 V, 相位一致, 自产3U0电压幅值达140 多伏, 故高后备零序过电压保护会动作出口, 故障波形如图5 所示。

图5 故障时220 kVⅡ母母线电压

2.2.3 故障原因分析

该站二次电压回路仍采用晶体管保护时期的典型设计, 为防止电压回路三相同时断线时, 零序电压闭锁元件不启动而造成距离保护误动, 在220 kVⅠ母、Ⅱ母二次电压快分开关C 相上并联电容。在微机保护时代, 对于TV 断线的判据相当完善,这种 “并联电容” 的措施已失去意义, 而且由于该电容的存在, 当TV 空开跳闸后其残余电压可能会影响保护的正确动作。

3 零序过电压保护存在的问题及应对措施

通过对两起保护误动作事件的分析, 总结出两个问题, 同时说明问题整改原因, 提出有效的应对措施。

问题一: 保护用电压回路上存在二次寄生回路, 比如母线电压并列装置内存在并联电压监视继电器、保护用分相电压空开接有并联电容器。

整改原因: 《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》 中明确指出严格执行有关规程、规定及反事故措施, 防止二次寄生回路的形成。

应对措施:

1) 对于母线电压并列装置内存在并联电压监视继电器的问题, 应组织厂家技术人员通过打开装置面板, 拆除插件并封闭外部回路方式进行整改,确保该电压绕组为保护单独使用。若暂不具备条件, 应分析操作时可能的感应电压大小, 并做好预案。

2) 对于保护用分相电压空气开关接有并联电容器问题, 应结合母线停电拆除并联电容器。

3) 对已退役保护装置的电压回路或多余的电压回路, 应及时隔离并拆除, 防止形成二次寄生回路。

问题二: 主变压器零序过电压保护选择自产零序电压作为电压判据。

整改原因: 在变电站中, 由于保护装置的逻辑判据很少涉及需要外接开口三角电压, 所以外接开口三角电压接入的设备较少。然而几乎所有的保护装置均涉及需要采集母线电压, 所以母线电压接入的装置设备很多。因此母线电压回路比外接开口三角电压回路产生二次寄生回路的概率相对要大很多。所以主变压器零序过电压保护选择外接零序电压时可以提高保护的可靠性。

应对措施:

1) 常规变电站主变压器零序过电压保护外接零序电压外部二次回路不完善时, 建议母线停电条件时完善主变压器零序过电压保护外接零序电压外部二次回路。待回路完善并试验到位后, 将主变压器间隙零序过电压保护改为采用外接零序电压。

2) 智能变电站外接零序电压虚回路不完善时, 建议结合主变压器停电, 完善母线合并单元、间隔合并单元及主变压器保护之间的外接零序电压虚回路配置, 主变压器间隙零序过电压保护改为采用外接零序电压, 并保证试验到位。若因模型文件、现场安全措施确不具备整改条件, 应分析操作时可能的感应电压大小, 做好预案。

3) 在未完成整改措施之前, 为避免主变压器间隙过电压保护误动, 在主变压器送电时建议先合保护用电压绕组二次分相空开, 后合三相空气开关。

4 结论

在条件具备的情况下, 变压器零序过电压保护建议采用外接开口三角电压3U0实现, 同时应加强电压二次回路的维护与管理工作, 特别是要认真执行继电保护反事故措施要求, 对于无用的二次回路应进行清查并拆除, 防止因二次回路异常造成的保护误动。