220 kV线路重合闸中变压器差动保护动作的原因分析

陈启萍，柳海波，陆 健

（乌江渡发电厂,贵州 遵义 563104）

220 kV线路重合闸中变压器差动保护动作的原因分析

陈启萍，柳海波，陆 健

（乌江渡发电厂,贵州 遵义 563104）

通过对一起220 kV线路重合闸过程中变压器差动保护动作的原因分析，揭示出在非周期分量作用下TA(电流互感器)暂态饱和对变压器差动保护的影响，并针对该变压器差动保护动作情况提出了解决方法和防范措施。

非周期分量；暂态饱和；差动保护；重合闸

乌江渡发电厂位于贵州省遵义县乌江镇境内，是贵州省主力调峰调频厂，乌江老厂0号变压器采用PST-1202型数字式变压器保护，其中A套采用谐波制动原理，B套采用波形对称原理。

1 故障概况

2009年07月14日16时03分，乌江老厂220kV江阳Ⅰ回205线路B相发生近区永久性接地故障，在205线路开关重合于故障时，0号变压器A套差动保护动作出口，跳0号变压器高压侧200开关及中压侧100开关，当时系统运行方式见图1。

保护动作信息：

0号变压器A套差动保护：0 ms后备保护启动，1 144 ms差动保护启动，1 171 ms差动保护出口跳0号主变，A相差流5.5 A，制动电流7.4 A，B相差流5.4 A，制动电流6.9 A，C相差流0.2 A，制动电流0.6 A。

0号变压器B套差动保护：0 ms后备保护启动，1 144 ms差动保护启动。

保护动作及开关跳闸时序如图2：

从205线路B相第一次故障及重合过程中0号变压器录波图（图3a）可以看出，0号变压器高压侧Ib和中压侧Ib相位一致，0号变压器流过的电流为穿越性故障电流，但在205线路重合过程中高压侧电流波形有畸变（图3b）。

图3 205线路故障0号变高、中压侧B相电流波形

2 变压器差动保护动作原因分析

0号变压器B套差动保护采用波形对称原理，当高压侧电流波形畸变、产生较大差电流时，该保护判断电流波形不对称，闭锁差动保护，因此B套差动保护仅启动而未出口。

0号变压器A套差动保护采用谐波制动原理，差动保护动作条件为：（差流-差流启动值）＞比例制动系数×（制动电流-拐点电流），整定值为差流启动值1.07 A，拐点电流3.5 A，比例制动系数0.5，二次谐波制动系数整定为0.2。当205线路第一次故障时0号变压器高压侧及中压侧后备保护均启动，0号变保护检测到高压侧和中压侧B相电流均为正弦波，且为幅值相同相位相反的穿越性电流，三相差电流均接近0，0号变压器200开关一次电流有效值约1 842 A，其中直流分量约占总电流的21.1%。从B相电压录波图可以看出，短路初相角为63.7°，经理论计算，一次电流中非周期分量占稳态分量幅值的44%。当205开关重合过程中，0号变压器200开关一次电流有效值约2 582 A，其中直流分量约占总电流的51.7%，直流分量所占比例很大，合闸角很小，短路初相角为31.6°，一次电流中非周期分量将达稳态电流幅值的85.2%，电流波形大部偏移，使0号变压器高压侧电流互感器产生了严重的暂态饱和，从而引起二次侧的电流波形发生畸变，变压器差动保护A套检测到较大差流，其中A相差流5.5 A，制动电流7.4 A，B相差流5.4 A，制动电流6.9 A，C相差流及制动电流都接近0，而二次谐波含量A相为18.9%，B相为15.2%，均小于20%。A、B相满足差动保护动作条件，保护动作跳开变压器两侧开关。

一次系统非周期直流分量对电流互感器的特性影响以及二次波形畸变对变压器保护的影响：

2.1 非周期分量产生的机理

一次系统发生故障时，设一次系统空载，短路阻抗角φ=90°，则一次系统可用RL等值电路描述[1]。故障电流i(t)=iL(t)，一次时间常数τ=L/R，U（t）=sin (wt+θ)，为电源电动势。

对上图等值电路列方程有：

利用任意激励下一阶电路的三要素法解方程[2]，得流过互感器的归算到二次侧的一次电流为：

其中Ipm=Um/Z为归算至二次侧的一次侧稳态短路电流幅值，τ1为一次系统时间常数，对大型发电机变压器支路通常为80～100 ms。θ为短路初相角。显然一次电流中按指数衰减的非周期分量是导致暂态变化的原因，θ越接近0，非周期分量越大；τ1越大，非周期分量的衰减越慢。短路发生瞬间，θ=0即电压过零点时，一次系统出现最大的非周期直流分量，一次短路电流全偏移。

本次故障中，205线路第一次故障时其故障初发角较大（63.7°），最大非周期分量约为稳态电流幅值的44%；而重合于故障时故障初发角较小（31.6°），其最大非周期分量约为稳态电流幅值的85.2%，且因为一次系统时间常数较大、衰减较慢，对TA暂态特性造成了严重影响。由以上分析可知：一次系统产生的非周期直流分量与故障初发角θ相关。θ越接近0，即越接近电压过零点，非周期分量越大；τ1越大，非周期分量的衰减越慢。

2.2 非周期分量对TA暂态特性的影响

电流互感器的暂态特性是指一次系统短路时，其一、二次侧电流及励磁电流、铁芯磁密和暂态误差的变化特性。

作如下假设：

(1)不计电流互感器铁芯饱和，在短路暂态过程中电流互感器工作在磁化曲线的直线部分，励磁支路的励磁电感Le为常数。

(2)不计电流互感器铁损，励磁支路中的励磁电阻为零，铁芯合成磁通正比于励磁电流ie.

电流互感器的等值电路如图5：

根据等值电路，不计电流互感器二次绕组的漏抗和铁芯损失，当二次负载为纯电阻时，在一次电流作用下有：

式中Le为励磁电感，Rb为二次总电阻。可解得：

式中τ2为二次侧时间常数。根据0号变高压侧TA伏安特性测试曲线可估算二次侧时间常数τ2=1.18 s，因此arctan(шτ2)接近90°，励磁电流ie很小。

当传变非周期电流（ ，τ1为一次侧时间常数）时，代入式(3)解得：

将τ1=0.1，τ2=1.18，t=0.02，Im=2 580×1.414/120=30.4代入由（3）式得=0.281 5 A，既使不计稳态量引起的励磁电流，已超过0号变高压侧TA拐点值0.236 A进入饱和区，而进入饱和区后，TA励磁电抗大幅下降，二次时间常数减小，将使励磁电流ie进一步增大，进入深度饱和区。由以上计算可知，电流互感器传变非周期分量时所需的励磁电流幅值远大于传变周期分量电流时所需的励磁电流幅值，这是引起铁芯饱和的主要部分。当非周期分量为正时，励磁电流也为正，当非周期分量为负时，决定了所产生的励磁电流为负。因此，短路电流所含非周期直流电流决定了电流互感器的饱和方向，从而影响其饱和时间。

电流互感器一次电流、二次电流和铁芯磁通密度的关系如图6所示，（a）为无非周期分量时；（b）为非周期分量为周期分量100%时。

图6 电流互感器一次电流与磁密及二次电流的关系[3]

由该图可以看出：1）一次电流仅取决于系统状况，与互感器的剩磁和饱和程度无关；2）磁通密度与一次电流的幅值和所含直流分量有关，二次电流则取决于磁通密度剩磁和饱和程度，剩磁与非周期分量方向一致时，TA将加速进入饱和区，产生很大的暂态励磁电流。所以，二次电流不仅与一次电流，而且与铁芯特性有关。

经以上分析可以看出，重合于故障时由于故障初发角较小，一次系统故障电流中含有很大的非周期直流分量，造成了0号变压器高压侧TA暂态饱和，使其二次电流波形发生严重畸变，其波形（见图3b）具有明显的饱和特征。

综上分析：在205线路重合于近区B相永久性故障时，因非周期直流分量较大，0号变压器高压侧TA运行时间长，使0号变高压侧故障电流在传变过程中波形畸变引起差流，且电流中二次谐波分量未达到整定闭锁值，从而造成A套差动保护跳闸。

3 采取的措施及建议

（1）差动保护的可靠性与启动电流、拐点电流、斜率有关，同时也与二次设备的电气性能有很大关系，保护的安全性并非只与保护装置的性能有关，它是一个一次和二次部分的系统工程，如果TA的暂态传变特性与一致性都很好，就不存在TA饱和造成的差动保护误动的问题，为提高TA的传变特性，减小TA暂态饱和对二次电流波形引起的畸变，将0号变高压侧保护用 TA变比由 600/5改为 1 200/5；

同时乌江老厂0号主变高压侧GIS设备运行30余年，TA绕组配置不足，只有4组，TA回路串联负载较多，TA额定容量为50 VA，对应二次负荷电阻为2 Ω，实际测试二次负载阻抗为2.7Ω左右，二次负载阻抗略为偏大，建议GIS改造时更换TA，选择具有抗饱和能力的TPY型TA，TA二次负载应留有足够的余度。

（2）为保证主变带负荷重合时，主变三相差动电流中的二次谐波分量能达到二次谐波制动系数的要求，有效的闭锁差动保护不误动，在二次谐波制动系数0.15～0.2中将0号变差动保护定值整定低值0.15；

4 结论

本文针对一起220 kV线路故障跳闸后在重合闸过程中引起变压器差动保护动作的情况，通过对非周期分量产生机理及其对TA暂态特性的影响进行了定性分析和理论推导，揭示出在非周期分量作用下TA可能出现暂态饱和，从而导致故障电流在传变过程中出现波形畸变引起变压器差动保护动作。为了避免变压器差动保护电流互感器在区外故障时因非周期分量影响出现饱和而导致差动保护误动作，除了在设备选型上要确保选用容量足够的保护级电流互感器外，尽可能减小二次负载的阻抗，还应采用具有抗饱和能力的TPY型电流互感器，并将二次谐波制动系数整定低值。

[1]邱关源.电路[M].第四版.北京：高等教育出版社，1999.

[2]刘伟,潘伟,黄守鹏,等.任意激励下一阶电路的三要素法[A].西南交通大学，2006-2007.

[3]白忠敏.电力用互感器和电能计量装置设计选型与应用[M].北京：中国电力出版社，2004.

book=20,ebook=10

TM774

B

1672-5387（2010）04-0020-03

2010-05-18

陈启萍（1982-），女，工程师，工学学士，从事继电保护检修管理工作。