TA饱和导致变压器差动保护误动作研究

徐 彪，欧阳宗帅，臧 欣，茹 梁，姜 维

（1.国网湖南省电力有限公司，湖南 长沙 410007；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007；3.国网湖南省电力有限公司衡阳供电分公司，湖南 衡阳 421002）

0 引言

基于当前新能源接入的新型电力系统建设需要，大量电力电子设备接入电网，对系统的暂态特性分析造成了较大的影响［1-3］。发生短路时，将有大量特殊的电磁暂态过程影响故障电流，并进一步对保护测量元件产生影响。电流互感器作为重要的保护测量元件，其正确工作，对预防各类故障的发生至关重要［4-6］。这种暂态过程可能使得保护测量元件进入饱和状态，不能正确传动一次电流，进而导致保护的误动作［7-13］。

近年来，发生了多起变压器区外故障致使TA饱和引起的变压器差动速断保护误动作事件［14-16］，对电网安全稳定运行具有较大影响。变压器差动速断保护作为差动比率保护的补充，在变压器发生严重区内故障时能够快速切断故障，防止事故范围的扩大［17］。

本文聚焦于变压器区外故障重合时由一次电流中直流分量与非周期分量导致的TA 饱和而使得变压器差动速断保护误动作的典型事故案例，分析事故发生的原因以及过程，研究TA传变特性的数学建模以及影响TA饱和的各方面因素，针对性地提出改进措施与建议，预防同类误动作事件的再次发生，保护电网安全稳定运行。

1 事故过程与分析

1.1 事故概要

2021 年6 月15 日18：13，110 kV 某变电站35 kV 408 线路距变电站4.5 km 处发生A、C 两相短路故障，导致该变电站35 kV408线路断路器跳闸，2 s后该间隔重合闸动作，重合于永久性故障，此时该变电站2号主变差动速断保护动作，跳开高、中、低三侧断路器，故障隔离。此次跳闸无负荷损失。

1.2 事故前一次设备运行方式

该110 kV 变电站三侧均采用单母分段的一次接线方式，站内有110 kV 主变2 台，故障前，母联400 断路器为分位，2 号主变所在II 段母线35 kV 出线仅408一回。主变低压侧母联断路器、1 号、2 号主变低压侧断路器均为合位，低压侧合环运行，主接线方式如图1所示。

图1 某110 kV变电站一次接线图Fig.1 Primary wiring diagram of a 110 kV substation

2 事故分析

2.1 保护动作情况

线路保护装置动作报文显示，该110 kV 变电站35 kV 408出线A、C相短路故障，保护装置112 ms后过流I 段动作跳闸，该出线TA 变比为400 A/5 A，反应一次电流约3 200 A。再过2 s 后重合闸动作，重合于故障，主变差动速断保护动作。

2 号主变保护装置报文显示，35 kV 408 出线重合于故障，主变保护差动速断动作，跳开2 号主变三侧。主变差动速断定值为12.4 A，主变A、C 相差动电流为13.3 A已达速断定值。

2.2 事故过程分析

故障线路及主变中压侧录波波形如图2所示。线路首先发生A 相单相接地故障，此时非故障相电压上升为线电压，进而导致线路绝缘薄弱相C相被击穿，发展为两相接地短路故障。故障切除之后为线路重合闸等待状态，线路绝缘逐渐恢复。

后续线路重合于故障，从图2中T1至T2时间段内主变中压侧电流波形可以看到明显畸变，该电流畸变A相偏向于正半轴，C相偏向于负半轴。

图2 故障线路及主变中压侧故录波形Fig.2 Fault recording waveform of faulty line and medium-voltage side of transformer

对重合于故障时刻波形谐波含量进行分析，结果如图3所示。可以看出，二次谐波含量达到34.18%，远高于一般差动比率谐波制动定值（0.15-0.2），此时主变差动比率差动被谐波制动闭锁，且线路过流I 段动作时间定值为0.1 s，长于主变差动速断定值，因而通过差动速断动作。

图3 重合时2号主变中压侧电流谐波含量Fig.3 Harmonic content of current at medium-voltage side of 2#transformer during reclosing

2.3 二次回路检查分析

对2 号主变中压侧电流回路进行二次负担核算，电流回路二次负担为1.2 Ω，按照第1次故障时短路电流计算中压侧二次电流应该为26 A，而TA保护绕组的拐点电压为72 V，TA核算合格。

2.4 事故结论

TA 在短时间内重合于永久性故障时易发生暂态饱和现象，证明TA 抗饱和裕度不够，而通过常规TA伏安特性核算只能确保TA 在第1 次故障时不会饱和，第1 次故障录波波形也表明TA 伏安特性满足短路要求。

该变电站2号主变中压侧TA暂态特性不佳，线路保护重合于故障时因一次电流中的衰减非周期分量，在TA铁芯中产生并积累了偏磁，导致TA达到饱和，不能正确传变短路电流，主变差动保护计算出差流达到差动速断定值，主变差动速断保护动作。

3 TA饱和研究

3.1 数学建模

系统发生短路故障时，其暂态故障电流中含有非周期分量，该分量将会对TA 的暂态传变特性产生影响。以系统发生三相短路，线路空载为例进行分析，故障电流为：

根据式（1），暂态故障电流包含频率与系统频率相同的工频分量Imcos(ωt+α)与幅值为Im、衰减时间常数为Ta的衰减非周期分量。

TA等效电路如图4所示，该模型所有参数已折算到二次侧。其中，i1与i2分别为TA的一次和二次侧等效电流，iμ为TA 的励磁电流；Z1与Z2为TA 一次侧及二次侧的等效阻抗，Lμ表示TA励磁电感。

图4 TA等效电路模型Fig.4 Equivalent circuit model of TA

TA正常运行时，TA工作在磁化曲线的线性部分，可以将励磁电感视为常数。根据基尔霍夫定律与元件特性，对图4分析得到：式（3）中，Ts为TA 二次电路时间常数。由式（3）可知，TA励磁电流含有强迫非周期分量、自由非周期分量以及强迫工频分量。

根据上文对励磁电流的分析，可以看出由于一次电流中非周期分量的存在，将导致实际二次电流与理论二次电流发生偏移，而励磁电流的大小又取决于TA的等效励磁电感Lμ，其值取决于TA铁芯饱和与否以及饱和程度。

3.2 TA饱和影响因素分析

TA饱和的根本原因是其铁芯发生了磁饱和，所以可以通过寻找影响铁芯磁通大小的各个因素，进而对影响TA 饱和的原因进行分析讨论。根据电感元件的伏安特性规律以及磁通与磁通密度关系［17］，从式（2）可得：

综上，影响TA饱和的因素包括：

1）TA 一次侧短路电流大小：结合式（1）故障电流，一次侧电流不含非周期分量时，磁通密度与一次电流大小成正比。

2）TA 一次侧电流中非周期分量：一次侧电流中非周期分量的存在与原磁通同向时，将促进TA的进一步饱和。

3）TA 前一状态剩磁：根据式（6），剩磁B(0) 的方向与大小对TA铁芯的饱和有相应的影响。

4）二次回路负担：二次回路阻抗L2与R2的大小对TA饱和具有影响，即常规的二次负担核算能有效防止TA 饱和的出现。

5）TA本身铁芯截面积以及磁通饱和密度Bs。

3.3 对应本次事故分析

在本次事故中，重合于永久性故障，为中压侧A、C两相短路接地故障，其故障电流数值较高，但不足以导致TA发生饱和。

根据主变高压侧电流波形，变换得到中压侧故障相一次电流波形如图5所示，并对波形进行分析，得到其非周期分量如图中虚线所示。可以得到，在重合时故障相一次电流中存在最大幅值为20.96 A，衰减时间为18.72 ms 的非周期分量，该非周期分量对于本次事故中TA饱和起着较为重要的作用。

图5 故障时一次电流及其非周期分量Fig.5 Primary current and its aperiodic component at the time of fault

在剩磁方面，第1 次故障跳开断路器时以及后续重合期间主变中压侧A 相电流波形如图6 所示，从图中可以看出，在第1 次故障跳开时刻，刚经历正半周波，而重合时同样起始于正半周波，从电流产生磁场的角度而言，即剩磁与重合时的磁场方向相同，故障时剩磁的存在进一步促进了TA的饱和。

图6 第一次故障跳开以及重合时故障电流Fig.6 Fault current at the first failure tripping and reclosing

除此之外，TA 本身暂态特性不佳，抗饱和裕度不够也是本次事故的原因之一。

3.4 变电站保护TA选型

根据国家电网有限公司反措要求规定，TA 容量、变比及相关特性的选取应满足系统短路容量的要求，选取时需要考虑保护装置整定配合以及可靠性的规定［18］。相关标准对于电流互感器的暂态特性、选型要求也做出了相关规定［19-21］，但对于生产工作仅具有一定参考价值，与实际生产工作存在一定出入。

保护用电磁型TA按功能可分为：P类与TP类电流互感器，而TP 类按照标准又可分为TPS、TPX、TPY 及TPZ 4 级［22］。TPY 型电流互感器带有小气隙，具有限制剩磁功能，暂态抗饱和特性较好，由于经济原因，一般仅在330 kV电压等级以上的保护中采用，而220 kV及以下的保护中采用的一般都是P 类电流互感器［23-24］。本次事故中发生饱和的420TA 即为P 级，其不具有小气隙，在暂态特性方面不如TPY级TA。

4 改进措施与建议

通过上文对于典型事故的过程分析以及TA 传变特性的数学建模和饱和影响因素研究，针对性地提出以下措施，防止同类型误动作事故的再次发生，保护电网的安全稳定运行。

4.1 差动保护装置改进

针对本事故差动速断保护误动，考虑调整速断保护、增加制动特性措施以及增加比率差动的饱和判据等方式［17，24］。但以上几种措施分别存在着实际可操作性不强，不能保证速断灵敏性或者快速性的要求等问题［25］。

在保护装置中引入识别TA 饱和与否的各种算法［26］［27］，判断故障差流是否是由于TA 的饱和而引起的，若有效识别出TA 已饱和，便闭锁差动速断保护出口［28］，从而达到防止差动速断保护误动作的目的。典型方案是采用基于同步识别法的TA饱和判别方法，其基本原理是铁磁元件的磁化曲线在一次电流过零时刻附近的线性传变区域，从而使区内外故障的差流出现时刻存在差异。即区内故障的差流与故障同时出现，而区外故障的差流要在一次电流过零点附近的线性传变区域之后才会出现。进而可根据差流与故障时刻是否同时刻来区分区内外故障［14］。

除此之外，也可以采用基于采样值差动原理的抗TA 饱和方法［25］。该方案取连续R个采样点的数据比率特性，以S个符合差动条件点作为判据判断保护是否动作。正常情况下，基于快速性要求，R值选取小于一周波的数据窗。将S值根据二次谐波情况进行动态调整，谐波含量高时即饱和特征明显情况下，设置S值为大值，差动条件更难满足；反则反之。通过在差动速断逻辑中增加该辅助判据，能够有效防范TA饱和导致的差动速断保护误动作，也不影响差动速断保护本身要求的动作特性。

4.2 TA结构工艺改进

根据3.2节分析，TA本身结构、生产工艺以及铁芯也严重影响其饱和特性，设计和生产厂家可以对其生产工艺结构等进行优化，实现技术迭代，进一步提升TA抗饱和能力［29］。

4.3 设计及运维过程管控

在实际使用中，可以采用提高TA变比的方式提升TA 抗饱和能力，要求全面采用二次电流为1 A 制的TA，在条件允许的情况下采用抗饱和性能较好的TPY级TA［23，30］。对新改扩建工程中使用的TA 在可研、设计阶段优化选型，在调试、验收阶段严格把关，有效提升TA抗饱和能力。

各检修单位严格按照规程要求开展TA 伏安特性核算工作，结合停电检修使用“伏安特性自动核算表”，对于核算不合格的TA及时更换，预防事故发生。

5 结语

本文以一起典型事故为例展开研究与分析，讨论在变压器区外故障时由于TA 饱和而导致的主变差动速断保护误动作原因、过程以及改进措施与建议，为预防和减少此类典型事故的发生提供帮助。