一起电流互感器故障引起的主变压器跳闸分析

齐英伟，刘春晖，杜智超，鲍音夫

(国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020)

继电保护是电网安全稳定运行的重要保障，能自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行状态[1]。反映系统状态电气量的正确与否是继电保护正确动作的关键。电流互感器可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为较小的二次电流，提供给保护、测量等装置[2]用于判断电力系统运行状态，其运行的可靠性及绕组的合理分配对电力系统稳定至关重要。因此在设计选型阶段应充分结合一次设备结构特点合理进行保护配置，避免出现保护动作不一致、死区等问题，提高继电保护动作的可靠性。本文对一起U型电流互感器双套保护用绕组之间发生击穿的故障进行分析，为后续工程建设及事故分析出现类似情况提供借鉴。

1 故障概况

2018年11月16日，某风电场主变压器(以下简称为主变)高压侧电流互感器本体故障击穿，主变A套保护差动速断保护动作，B套保护差动保护启动，未动作。高低压侧断路器跳闸。

1.1 故障前运行方式

220 kV系统单母线运行，1号主变、220 kV出线运行于I母线；1号主变中性点经间隙接地运行。

35 kV系统单母线运行。风电场主接线见图1。

1.2 故障后检查情况

现场检查主变保护动作情况、一次设备情况，具体如下。

图1 风电场主接线图

a.主变保护装置动作情况：A套保护装置差动速断、工频变化量差动、比率差动保护动作；B套保护装置启动，未动作。

b.检查本次故障前一次保护装置启动时高压侧采样，2套保护装置采样一致，说明主变2套保护电流回路均无问题。

c.主变故障录波装置启动录波。录波显示220 kV母线电压A降低，主变高压侧A相电流明显增大，故障录波基本与A套保护装置录波一致。

d.检查1号主变本体、两侧断路器、隔离开关、电流互感器等设备，发现主变高压侧电流互感器A相有明显放电击穿痕迹。

e.主变高压侧电流互感器为U型电流互感器，互感器二次共6组线圈，因现场无互感器相关正式文件，内部绕组分配情况无正式资料，设计图纸按互感器绕组编号进行，与实际结构无法完全匹配，需结合保护动作及实际解体情况进行验证。

2 故障原因分析

2.1 保护配置情况

风电场220 kV系统单母线运行方式，母线未配置保护，1号主变配置2套电气量保护和1套非电量保护，具体配置及型号如表1所示。

主变保护用电流互感器绕组设计图如图2所示。

表1 主变保护配置

图2 主变保护配置设计图

2.2 保护动作原因分析

根据主变保护装置动作报告及波形分析：主变发生A相接地故障，主变A套保护装置A相采样电流为28.26 A(一次电流约为3391 A)，A相差动电流为7.73Ie，差动速断定值5Ie，满足保护动作条件，A套保护动作。主变B套保护装置在故障发生后初期，保护装置差流为0，约15 ms后电流出现较大畸变，产生差流，但未达到定值，B套保护未动作。

结合主变A、B套保护波形见图3，以B相电压为基准分析2套保护装置高压侧电流可得：主变保护A套电压UB超前IA约270°；主变保护B套电压UB超前IA约60°。绘制2套保护电流相量图如图4所示，可以看出故障时刻2套保护装置电流方向为反向趋势。

图3 主变A套、B套保护波形分析

图4 主变A套、B套保护电流相量图

结合故障发生在电流互感器内部及上述保护装置采样分析初步判断为主变A、B套保护装置高压侧电流回路应分别取自U型电流互感器故障点两侧绕组。所以A套保护装置感受为区内故障，保护动作正确；B套保护装置感受为区外故障，保护未动作。

2.3 故障录波波形分析

根据故障录波装置波形分析可看出，系统发生近区A相接地故障，220 kV母线A相电压从正常值突降至近0，主变高压侧A相约为28 A，与主变A套保护装置录波采样基本一致，说明录波器主变高压侧电流回路绕组应该与主变A套保护装置高压侧电流回路绕组均在U型电流互感器同一侧。主变故障录波图见图5。

图5 主变故障录波图

2.4 故障点定位

风电场提供电流互感器绕组分配图如图6所示(此型号互感器厂家已不存在，无正式文件)。结合实际解体图见图7，故障点发生在U型底部，即位于主变保护A套绕组与主变保护B套绕组之间靠近B套绕组侧。实际故障位置与分析基本一致。由此也可判定故障发生在主变保护A套差动保护区内，主变保护B套差动保护区外范围，A套保护可靠动作，B套保护未动作。保护动作行为正确。

图6 电流互感器绕组分配图

图7 故障电流互感器解体图

综上分析，风电场主变高压侧A相电流互感器运行时对地击穿放电，导致主变差动保护动作跳开高低压侧断路器为本次事故的直接原因；现场主变B套保护用电流互感器绕组取自主变侧而非母线侧，设计未按照十八项反措及标准化设计规范要求[3]，即U型电流互感器二次绕组分配原则为保护用电流互感器绕组应取自母线侧，母差用电流互感器绕组应取自出线侧原则进行设计是B套保护不动作的主要原因。

3 采取措施

a.更换电流互感器。U型电流互感器因其结构原因，底部发生故障概率较大。互感器正立式安装U型底部易出现积水，潮湿环境下产生的液体会沉积在电容芯棒底部，因此电容芯棒弯曲的部分就成为了绝缘效果最差的地方，长期处于工作状态就容易发生电容芯棒击穿[4-6]。建议现场结合实际情况更换其他类型质量较好的电流互感器，避免此类事故再发生。

b.调整电流互感器绕组分配。对更换后电流互感器绕组分配进行调整，按照十八项反措及标准化设计规范要求，电流互感器二次绕组分配按保护用电流互感器绕组应取自母线侧原则进行设计。

4 结束语

目前，大部分风电场保护配置并不完善，一般220 kV出线无快速保护，仅配置远跳装置，依靠对侧变电站线路保护及远跳切除故障，220 kV无母线保护。因此保护范围合理性和动作可靠性尤为重要。而互感器的选型、绕组分配和安装位置会直接影响到继电保护的功能及保护范围，在工程设计阶段应予以充分重视。