变电站主变的差动保护研究

变电站主变的差动保护研究

丁西春

（江苏省电力公司海安县供电公司江苏海安226600）

摘要：随着微机保护装置广泛应用，电力系统运行过程中，变压器作为变电站最主要的设备，其主要负责电能分配、电压变换和提供电力服务等，因此，电力系统安全运行的重要保障就是变压器运行的稳定性。因此，为了确保变压器能够安全稳定的运行，则需要采取一定的保护措施，而其中一种较为常见的保护方法就是差动保护。

关键词：变电站；差动保护；原因；误动

前言

随着我国电力建设取得了进一步发展，变压器已经成为电力系统的重要组成部分，在保障电力系统稳定运行等方面具有积极作用，然而，变压器在运行过程中，受到各类因素的影响，极易出现差动保护误动现象。在实际工作中，为了确保变压器能够安全稳定的运行会采取多种保护措施，而差动保护作为变压器运行过程中极为重要保护措施之一。但在电力系统运行过程中，一旦出现励磁涌流或不平衡电流时，都会发生差动保护误动，进而导致电力系统的正常运行受到影响。

1故障案例

2013年4月16日21时45分40秒～21时48分07秒，某220kV变电站35kVⅢ段母线频发接地告警信号；21时48分14秒，该A线开关柜内发生三相短路故障，保护装置过流Ⅰ段保护动作跳开断路器，切除故障；同时，1号主变压器B屏PST1200（波形对称原理）主变压器差动保护动作出口，跳开主变压器三侧开关，而1号主变压器A屏PST1200（二次谐波原理）保护未动作。

2差动保护误动的原因分析

2.1保护动作情况分析

通过故障时的运行方式和主变压器差动保护的原理分析可知：该A线三相短路故障其保护装置动作是正确的，但是它属于主变压器区外故障，1号主变压器差动保护感受的应该是穿越性电流，其差动保护不应动作，从而可知此次1号主变压器差动保护动作应属于误动作为了查找误动的原因，工作人员核查了保护装置定值、保护装置逻辑、二次回路及接线情况，未发现异常情况，表明此次误动可排除外部因素，确定是装置在正常情况下的动作结果。根据上述分析可知此次误动存在两个疑点：①区外故障，差流理论上应该为0，那么引起误动的差流是如何形成的？②既然差流已经存在，为什么会出现2套保护动作不一致的现象？

2.2差流成因分析

分析差流的形成，从根本上来说就是分析故障时主变压器三侧的电流情况。由图1可知，故障时主变压器低压侧B、C相电流的波形出现了严重的畸变。根据主变压器差动保护的原理可知，差流是主变压器三侧电流折算到同一侧的矢量和，当主变压器高、中压侧电流正常，而低压侧有畸变时，差流就出现了。电流的畸变主要由谐波、励磁涌流、CT饱和等原因引起。根据此例事故时电网的运行情况：电流正常无谐波、并且不存在励磁涌流，只有低压侧区外故障有很大的电流，因此可得出主变压器低压侧电流畸变的原因是：低压侧区外故障短路电流过大，导致主变压器低压侧的CT饱和。

2.2.1CT饱和的影响因素

查找CT饱和的原因是此次故障分析的关键，具体需分析CT的自身特性。CT的等效电路如图2所示，其中i1为一次电流，i2为二次电流，iμ为励磁电流，Lμ为励磁回路等效电感，ZL为二次负载的等效阻抗。

按照图2所示等效模型，可得：

CT的二次电流为i2=i1-iμ，CT的传变误差就是励磁电流iμ，因此有（其中Z1一般可做纯电阻分析）：

假设主变压器低压侧发生区外故障，此时变压器三侧的一次侧电流为i11=-（ih1+im1），故由CT饱和引起的不平衡电流为：

式中：ih1、im1、i11—主变压器高、中、低三侧折算到二次侧的一次电流；

ih2、im2、il2—主变压器高、中、低三侧二次电流；

iμh、iμm、iμl—主变压器高、中、低三侧励磁电流；

根据式（2）可知，不平衡电流实际上就是三侧CT励磁电流之差，而CT饱和所引起的二次电流传变误差本质就是这里的不平衡电流，这就表明励磁电流的大小决定了CT的饱和程度。由式（1）可知励磁电流iμ的大小主要和一次电流i1、励磁回路电感Lμ以及一次侧电流频率ω有关。一次电流i1和励磁回路电感Lμ对CT饱和的影响主要在稳态方面。当i1比较小时，CT不饱和，此时由于Lμ很大且基本不变，励磁电流iμ很小并随i1按比例增大。当励磁电流iμ增大到铁心饱和时，励磁电感Lμ减小，励磁回路分流增大。而励磁回路的分流增大又导致励磁电感进一步下降，其结果是励磁电流iμ迅速增大，产生不平衡差流，导致二次电流畸变。

一次侧电流的频率ω对CT饱和的影响主要在暂态方面。区外故障的短路电流一般都包含较大的非周期分量，不衰减的非周期分量就是频率为0的直流分量。实际短路电流的非周期分量都是按一定时间常数衰减的，可以粗略地看成一个低频分量。CT的励磁特性是按工频设计的，在传变低频非周期分量时，励磁电流iμ（即铁心磁通）需要大大增加。这就意味着频率越低iμ越大，CT越容易饱和，二次电流畸变越大。

2.2.2故障时CT饱和的原因分析

为了查找此次故障中CT饱和的原因，查阅了故障时的录波数据。故障时主变压器低压侧B、C相二次侧电流大小分别为14.974A、19.227A。由于变比为2500/5，折算到一次侧电流则分别为7487A、9613.5A，这就意味着1号主变压器低压侧CT在一次电流不到4倍额定电流时就饱和了。

对于主变压器低压侧所采用的10P10的CT来说，当一次电流达到额定电流的10倍时，其稳态变化都不会超过10%。这就表明在正常情况下，4倍额定电流还不足以导致CT饱和。因此，此次故障中CT饱和稳态方面的影响因素可以排除。同时，继电保护人员对1号主变压器三侧CT进行了伏安特性和10%误差测试。结果表明1号主变压器三侧CT1次流过10倍额定稳态电流时，其2套差动保护二次绕组误差都不会超过10％，这也排除了CT故障的可能性。

根据图1故障时的波形图可知，1号主变压器低压侧B、C相电流波形都有明显的偏移，B相偏向正半轴，C相偏向负半轴，这是含有非周期分量的典型特性——波形偏向时间轴的一侧。再结合上述的分析可得：此次故障中的1号主变压器低压侧CT饱和是由于低压侧区外故障短路电流中含有大量非周期分量，导致CT暂态饱和，从而致使二次电流畸变。

非周期分量初始值最大或者为0的情况只能在一相中出现，其他两相分别超前或滞后120°。这就很好地说明了此次故障中1号主变压器低压侧A相电流基本上无畸变，但B、C相分别出现正、负偏移的现象。

2.3差动保护动作不一致分析

由于2套差动保护装置所感受到的电流都是一样的，其差流大小也必定是相同的，却出现2套保护动作不一致的情况。为此，根据保护装置显示的差流和各侧折算后的电流绘制了B屏动作时刻比率制动特性图。如图3所示，B、C相差流均在动作区。

2.3.1A屏差动保护不动作的原因

根据差动启动20~100ms的录波数据，提取出三相差流大小和三相差流中二次谐波的大小，得出图4所示的二次谐波的含量。从图4中可以看到三相差流的谐波一直都大于15%（二次谐波制动的定值），由于A屏采用二次谐波闭锁原理且采用或门制动，即有一相二次谐波达到定值则闭锁三相差动，所以A屏差动保护一直处于闭锁状态，因此A屏差动保护没有误动。

2.3.2B屏差动保护动作原因

B屏采用波形对称原理，采取“三选二”的闭锁方式，即本相不满足闭锁条件（闭锁条件为波形不对称）且其他两相中任何一相不满足闭锁条件则开放本相差动。波形对称判断方法如下：对差流进行微分，将微分后差流的前半波和后半波做对称比较。设差流导数前半波某一点为I′i，后半波对应点的数值则为I′i+180，若数值满足式（3）时称为对称。连续对比半个周波，若有50%的点对称则认为波形对称。

PST-1200保护装置中K为1/3，根据录波数据得到差动电流的对称点的百分比如图5所示。在差动保护启动后37ms时，由于C相差流大小满足差动动作条件，并且波形对称度正好达到50%，同时A相差流的波形对称度又大于50%，此时满足差动保护开放条件，从而导致差动动作。

综上所述，此次1号主变压器差动保护误动作的原因如下：

先是1号主变压器低压侧区外该A线发生三相短路故障，由于短路电流中B、C相含大量非周期分量，导致低压侧电流互感器B、C相出现严重暂态饱和，以致二次电流波形出现严重畸变，从而形成差流。A、B2套保护由于波形畸变产生的差流均满足比率差动动作条件。A套保护采用的是谐波制动原理，整个过程中差流中的二次谐波含量大于定值而闭锁差动保护，故A套保护差动未动作。B套保护采用的是波形对称原理，在启动后37ms时C相差流满足动作条件且A、C相差流不满足波形对称闭锁条件，故C相差动保护动作，从而B套差动保护动作。

3预防措施

通过上述分析可知，此次主变压器差动保护误动的根本原因在于CT的饱和以及波形对称原理自身的不完善，为了防范此类事故再次发生，本文给出以下预防措施：

（1）针对CT的饱和问题，首先要检查低压侧CT二次回路电阻是否满足要求，其次可以更换低压侧电流互感器，建议采用PR级电流互感器，即剩磁系数有规定限值的电流互感器。此外，P级电流互感器的铁心剩磁情况非常严重，一般剩磁都在20%以上，在剩磁的作用下理论上CT饱和的开始时间将从10～20ms减少到10ms以下；而PR级电流互感器的剩磁小于10%，剩磁的作用对CT影响很小。因此，采用PR级电流互感器可以大大延长故障后电流互感器线性传变时间，在CT饱和之前区外故障将有足够的时间来切除故障，从而避免差动保护的误动作。

（2）针对波形对称原理差动保护自身的不完善，可采取的措施有：调节波形对称判别式中的K值，认为K取0.4时可以很好的闭锁保护，取0.3则对三相短路可能拒动。因此，可将K值作为定值整定中的一项，根据实际现场的变压器接线和实际运行参数的情况调节K的取值，要通过实际现场情况来获取波形最不对称的情况，从而进行K值的最小选择，保证在故障时差动保护快速出口，在CT饱和时能够可靠闭锁保护。当前的保护装置都将K值固定，不能根据现场情况灵活变动，一定程度上会影响保护动作的可靠性。将K值作为保护装置的一项定值，可以根据现场实际情况合理地选择K值大小，从原理上可以保证保护装置的可靠动作。

4结论

（1）由区外故障引起的主变压器差动保护误动事故的原因：一是区外故障短路电流含大量非周期分量引起主变低压侧CT暂态饱和，致使主变压器低压侧二次电流不能正确传变产生差流；二是2套差动保护采用的原理不同，波形对称原理的差动保护未能闭锁CT饱和引起的差流，导致保护误动作。

（2）将P级电流互感器更换为PR级电流互感器可改善CT的暂态饱和，延长故障后CT的线性传变时间，保证了主变压器低压侧CT在区外故障切除时电流不会产生畸变，避免差流的产生，从根本上消除了差动的误动。

（3）将波形对称判别式中的K值作为保护装置的定值项，并根据现场实际整定，可提高差动保护判断的准确性。

（4）220kV及以下电力系统的暂态问题较轻，电流互感器选择时主要考虑稳态特性和剩磁特性，因此可选用PR级电流互感器；而500kV及以上电力系统由于一次时间常数较大，电流互感器选择时要着重考虑其暂态特性，不宜使用PR级电流互感器。

参考文献：

[1]李建阁.变压器差动保护误动作原因分析及措施[J].科技创新导报，2015.

[2]刘杰.变压器差动保护误动作原因分析[J].电子测试，2015.