一起500 kV主变压器倒送电保护动作原因分析

刘 灏，魏玉芳

（国能大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 雅安 625304）

0 引言

变压器是电力系统重要输配电设备之一，主要作用是变换电压以及功率交换，大型水电站升压变压器作用①是将发电机出口电压升压至电网系统电压，使电能经更高电压等级输送至输电网或配电网，可以减少线路损耗，提高输送电能的经济性，达到远距离输电的作用，②在发电机停运的情况下，可以从电网吸收功率，将系统电压降压至高压厂用母线电压，向水电站高压电动机、低压厂用变压器等负荷供电，确保厂用电系统安全稳定运行。

为确保水电站发电机停运后通过电网倒送厂用电时主变压器的安全稳定运行，主变压器保护除配置差动保护、重瓦斯保护等主保护外，还配置了主变倒送电保护作为该运行工况下主变压器、高压厂用变压器的特殊后备保护。本文介绍某水电站500 kV主变压器在停电检修后首次充电时倒送电保护动作的情况，从倒送电保护动作逻辑、定值整定计算、保护动作波形等分析得出保护动作原因，并提出了相应防范技术措施。

1 保护动作事件简介

某水电站装设6台600 MW混流式水轮发电机，发电机变压器采用单元接线方式，发电机额定电压20 kV，主变压器容量667 MVA，变比550 kV/20 kV，发电机与变压器之间经离相封闭母线、出口断路器等输配电设备连接，同时主变压器低压侧与高压厂用变压侧连接，该水电站3号发变组单元接线图如图1所示，3号主变压器保护装置采用南瑞继保公司PCS-985TW型微机保护装置。

图1 某水电站3号发变组单元接线方式图

2021年5月30日，某水电站3号发电机处于停电检修状态，500 kV 3号主变压器已完成年度检修及预防性试验，按照调度命令即将投入运行，在合500 kV高压侧断路器对3号主变压器充电时，双重化配置的两套PCS-985TW变压器保护装置动作跳开500 kV高压侧断路器，3号主变压器充电失败，现场运行人员检查2套主变保护装置跳闸灯亮，保护装置面板显示“倒送电保护 动作”，对3号主变压器、3号高压厂用变压器等一次设备进行全面检查，未发现明显异常。

2 倒送电保护动作原因分析

2.1 倒送电保护逻辑及定值整定

PCS-985TW变压器保护装置配置的倒送电保护，作为主变压器倒送厂用电时后备保护功能，可通过“电流通道选择”控制自选取主变高压侧、中压侧或低压侧电流，该水电站取的主变高压侧电流作为保护动作电流判据，同时取发电机机端电流作为辅助闭锁判据。保护装置取发电机出口断路器分闸位置辅助节点作为倒送电保护投退判据，即当发电机并网运行时，出口断路器在合闸位置，倒送电保护功能自动退出，当发电机非并网运行，出口断路器在分闸位置，倒送电保护功能自动投入。为防止二次回路异常原因引起的保护装置断路器分闸位置误开入造成倒送电保护误动作，设置了断路器分闸位置开入异常报警逻辑，即保护装置收到断路器分闸位置开入且采集到发电机机端有电流时，闭锁倒送电保护功能，同时保护装置延时10 s发“机端断路器位置报警”信号。

该水电站500 kV主变压器容量667 MVA，变比为550/20 kV，接线组别为Yn,D11，高低压侧额定电流之比为700/19 254.6 A，主变高压侧电流互感器变比为2 000/1A，主变压器倒送电保护过流元件按照躲过主变高压侧额定电流整定，过流元件 动 作 值：Iop=Krel×Ie/Kr×TA=1.2×700/0.95× 2 000=0.47 A，式中：Krel—可靠系数；Kr—返回系数；Ie—额定电流；TA—高压侧CT变比；动作延时设置为0.7 s。

2.2 保护动作波形分析

继电保护人员现场导出故障录波波形及保护装置动作波形进行分析，其中1套PCS-985GW保护装置动作波形及谐波分析图如图2所示，可见3号主变压器高压侧三相电流呈励磁涌流波形特征，三相电流波形偏向时间轴一侧，且间断明显，二次谐波含量高，三相二次谐波含量均超过35%，因此主变差动保护受二次谐波制动闭锁未动作。在合闸时刻约60 ms后，主变压器高压侧三相电流分别为0.220 A、0.680 A、0.506 A，B、C两相电流已达倒送电保护动作电流定值，其中B相最大电流近2倍额定电流，因此保护装置启动，虽三相励磁涌流持续衰减，但700 ms后至保护装置动作跳闸时刻，B相电流仍有0.482 A，大于倒送电保护动作定值，因此双套主变压器保护装置出口动作。

图2 变压器保护装置动作波形及谐波分析图

2.3 分析结论

综上分析可判断PCS-985TW保护装置属于正确动作，动作原因为主变压器充电时产生较大励磁涌流且持续时间较长，而主变压器倒送电保护动作时间整定未可靠躲过主变励磁涌流持续时间，导致保护动作跳开500 kV侧断路器，主变压器充电失败。

该水电站继电保护人员在整定计算倒送电保护定值时，统计查看了自投产以来历年主变压器充电时刻励磁涌流波形数据，根据统计数据得出主变压器充电时20 kV高压厂用变压器励磁涌流较大，但500 kV主变压器励磁涌流幅值往往不大，且400~600 ms内可衰减至主变压器额定电流以下，因此倒送电保护动作延时整定为0.7 s，兼顾作为后备保护保持保护速动性，但由本次事件可知，主变倒送电保护动作时间仍未可靠躲过励磁涌流持续时间。

3 应对及防范措施

3.1 倒送电保护压板临时退出

主变压器倒送电保护仅在发电机停运、通过电网倒送厂用电的特定运行工况下起到变压器后备保护的作用，因此建议运行规程中明确在主变压器充电时临时退出倒送电保护功能压板，确保主变压器充电正常后再投入该功能压板，该情况类似在主变压器具备送电条件到正常送电期间，因冷却器均处于停运状态，防止冷却器全停保护动作跳闸临时退出冷控失电跳闸功能压板，待主变压器充电正常后立即投入，考虑到大型水电站的升压主变压器作为电网重要输变电设备，停运、投运工况切换不多，因此该解决方案不会增大运行值班人员工作量。

而发电机并网或解列时，不建议调整倒送电保护功能压板投退状态，原因为①PCS-985TW保护装置可根据发电机出口断路器分闸位置信号开入情况自动投退倒送电保护功能，且防误动作逻辑采用“电气量（断路器分闸位置信号）+模拟量（发电机机端电流）”的闭锁方式，防误闭锁逻辑可靠；②水轮发电机具有开停机速度快的优点，因此常在电力系统中担任调峰、调频、事故备用等任务，且大型水电站一般采取“无人值班、少人值守”模式，因此随发电机并网或解列调整倒送电将极大增加运行人员工作量。

3.2 倒送电保护动作时间调整

目前DL/T 684-2012《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》对于主变压器倒送电保护定值整定无明确规定，各发电厂一般根据本厂主变压器运行经验来整定计算倒送电保护定值，即参考历年主变压器充电时励磁涌流情况统计，确保倒送电保护动作时限能躲过励磁涌流持续时间，但由于统计样本不足，励磁涌流特征有很大随机性，难以完全可靠避免。

励磁涌流大小与主变压器剩磁和充电合闸初始角（相位）有关，剩磁越大则励磁涌流越大，大容量变压器励磁涌流幅值可达6~8倍额定电流，而持续时间则与铁心的饱和程度、变压器容量有关，小型变压器励磁涌流经0.5~1 s后衰减至额定电流0.25~0.5倍，大型变压器衰减速度则更慢，涌流持续时间更长，因此考虑保持倒送电保护速动性，建议整定时限按照避开系统振荡持续时间、不超过1.8 s整定。

3.3 电流通道选择低压侧电流

根据励磁涌流产生机理，再合主变压器高压侧断路器对其全电压充电时,仅在其高压侧充电绕组中产生励磁涌流，而低压侧绕组中电流为零，因此可设置PCS-985TW装置倒送电保护“电流通道控制字”，选择主变压器低压侧电流作为倒送电保护动作电流判据，可有效避免该问题，该方案虽然缩小了倒送电保护范围，保护范围不再包含主变压器，但考虑到主变压器已配置了灵敏速动的差动保护、重瓦斯保护，因此可采取该方案。

4 结语

针对某水电站500 kV主变压器充电时倒送电保护动作事件，从倒送电保护逻辑、整定计算、保护动作波形等开展分析，得出本次倒送电保护动作原因为主变压器充电时高压侧励磁涌流持续时间超过倒送电保护动作延时导致，提出了3种防范技术方案：①主变压器充电时退出倒送电保护压板；②延长倒送电保护动作时间；③倒送电保护取变压器低压侧电流。这3种防范措施对避免类似事件发生具有一定的借鉴意义。