TA饱和引起发电机差动保护误动的分析及对策

杨 涛，车军浩，吴跨宇

（1.浙江省电力试验研究院，杭州 310014；2.绍兴电力局，浙江 绍兴 312071）

某燃机发电厂1号机组整套启动过程中，当发电机额定电压合闸于空载主变与厂变时，发生发电机差动保护动作跳机事故。经查发现事故由励磁涌流使机端侧电流互感器（TA）饱和从而使发电机差动保护误动引起。空载合闸于主变或高厂变而造成发电机或主变压器差动保护误动的事例时有发生，对电网稳定运行产生了较大影响[1-2]。因此研究此类事故发生的原因，并从运行方式及设计上提出具体解决措施，对避免跳机事故的发生并提高电力系统安全稳定运行有着重要意义。

1 事故简述

1号燃机的电气主接线如图1所示。在整套启动过程中进行高压侧断路器（52L）开关的假同期试验，因此需要1号主变带电。发电机空载并调节励磁使其机端电压额定（10.5 kV），52L开关断开状态。合闸发电机出口断路器（52G）开关时，发电机差动保护动作，跳开52G开关、灭磁，燃机跳闸。对发电机保护检查发现，B相差动保护动作。调取保护装置内故障录波如图2所示，可见在合闸时电流最大值约为发电机额定电流的两倍，波形有明显的间断角，并向时间轴一侧偏移，符合变压器励磁涌流的波形特征[1]，应为发电机额定电压下空载合闸于主变与高厂变时产生的励磁涌流。

如图1所示，发电机差动保护连接于中性点侧与发电机出口断路器（GCB）侧的TA，励磁涌流对发电机差动保护来说为穿越性涌流，差动保护不应动作。仔细分析发现，B相GCB内TA与中性点TA的电流波形存在差别，因此出现了差流，在此差流出现40 ms后，发电机差动保护动作。检查发电机差动保护的TA变比设置、保护定值、差动保护电流极性均无误，且先前进行的发电机短路试验（短路点在主变低压侧）已验证差动保护的正确性。因此初步推断差动保护动作是由于TA饱和引起。

图1 1号机主接线图

图2 故障录波图

在初步确定原因后，再次启动燃机，发电机在无压状态下合闸52G开关，后缓慢升压至额定电压，在升压及额定电压运行过程中均未出现任何保护报警或动作。随后成功进行了52L开关的假同期试验，并将发电机并网运行。

2 原因分析

发电机保护为ELIN公司生产的DRS COMPATA2保护装置[3]，该保护采用每周波12点采样的傅里叶滤波算法，差动保护为分相电流差动，每相机端机尾电流的最大值作为各相电流差动保护的制动电流。

发电机差动保护启动值的整定值为0.09In（In为发电机额定二次电流），其动作特性为三段折线式。第一段是斜率为0的启动段。由图2分析可知，B相的制动电流为0.56In，而其差动电流达到了0.13In，已经处于保护动作区内，理应动作。但发电机差动保护启动电流整定值较低，仅为9%的发电机额定二次电流，并且小于保护装置说明书所推荐的0.2In的整定值，因此保护启动定值过低是造成其动作的重要原因之一。

差动保护动作的根本原因是由于差动电流的出现。变压器励磁涌流对于发电机差动保护来说为穿越性电流，本应无差流。由图2可见，AC相GCB与中心点侧TA的二次电流波形完全相同，从而差流为零，只有B相发电机两侧的二次电流出现不同，故应是B相GCB侧或中性点侧TA的传变环节出现问题，导致差动电流的出现。在每个周波中，B相电流的前1/4周波两侧电流完全相同，无差流出现，在电流过顶点后，随后的1/4周波电流不再相同，GCB电流的瞬时值总是小于中性点侧电流，且先于中性点侧归零。对中性点与GCB侧TA电流进行谐波分析，其结果如表1所示。

表1 不同时刻下的直流分量 %

发电机两侧的TA均为PX级低漏磁电流互感器，国内机组应用较少，国外则应用较多[4]。发电机两侧的TA变比均为5500/1 A，决定PX级电流互感器特性的额定拐点电动势、计算系数等重要参数，厂家并没有提供。但是仍可以确定TA传变问题应不是PX级电流互感器的稳态复合误差引起。因为如果是稳态传变误差，此误差在每个周波中都将存在，不会是周期性的前1/4周波准确而随后1/4周波存在误差；且GCB侧三相TA的参数、二次回路负载都相同，不会仅在B相出现误差，显然是GCB侧B相TA在每个周期的后1/4周波铁芯出现饱和现象，励磁电流增大，二次电流减小出现缺损，从而使差动电流出现。

TA的饱和一般可以分为3类[5]，一类是由于大容量稳态对称电流引起的饱和，二次电流的波形取决于TA负载类型，称为稳态饱和；另一类是短路电流中混合有非周期分量，这时TA的工作区间非对称，称为暂态饱和；还有一类是和TA的剩磁有关，在剩磁较大时的小电流传变问题也不能忽视，称为局部暂态饱和。

如表1所示，B相电流中含有大量非周期分量，且在故障切除前，非周期分量几乎是无衰减的。因此在非周期分量的作用下，TA可能会逐渐进入饱和区[5-6]。但是对于GCB的三相TA来说，其特性参数是一致的，且二次回路负载是相同的，AC相非周期分量的成分较B相更大，但却只有B相出现饱和。磁链的数学表达式为：

式中：Ψ（0）为剩磁；L2，R2分别为 TA 二次侧的电感与电阻；i2为TA二次电流。

根据式（1）可知，由于B相TA铁芯中存在较大含量的剩磁，同时在非周期分量的作用下，铁芯磁链已接近饱和区，同时由于二次回路中电阻的磁链积分效应的影响，铁芯逐渐进入饱和区，然后励磁电流增大，二次电流出现偏差。在一次电流消失后，铁芯退出饱和区，并在下一个周波重复相同的过程。综上所述，GCB侧B相TA由于剩磁与非周期分量的影响，出现了暂态饱和，其二次电流出现缺损现象，从而导致了差动电流的出现。

3 应对措施及思考

为了解决上述问题，首先可以选择在发电机无压时合上GCB，发电机带主变厂变、零起升压至额定再并网，即可防止励磁涌流的出现。另外，应考虑增大发电机差动保护的启动电流定值。根据《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》[7]，发电机差动保护启动定值实际可取0.1～0.3In。因此建议将发电机差动保护的启动定值设为0.2In，其灵敏度仍可满足要求，并可减少实际运行中发电机差动保护的误动作。

另外，为了防止此种事故情况的再次发生，应该更多从保护用TA的设计上及设备选型等方面综合考虑。

（1）300 MW及以上发电机变压器组，由于系统一次时间常数较大，TA暂态饱和较严重，由此导致保护误动或拒动的后果严重。因此，在条件允许的情况下，宜选用TP类互感器，保证在实际短路故障发生时不致出现TA的暂态饱和。

（2）100～200 MW发电机变压器组及大容量电动机差动保护用的TA，暂态饱和问题及其影响后果相对较轻，可选用P类、PR类或PX类TA。但应该根据应用情况与运行经验，选择适当的暂态系数，以减轻TA饱和对保护的影响。

（3）应该充分考虑剩磁对TA饱和带来的影响，剩磁的存在使TA更容易饱和，且差动保护两侧TA剩磁不一致可能形成较大的不平衡电流。对于容量较小的发电机组，差动保护回路的互感器可以考虑选用有剩磁限值的PR型TA。

（4）发电机保护差动保护的两侧TA的型号应完全一致，并且两侧互感器的饱和特性和两侧的二次负荷应尽量匹配以减少差流。

4 结语

发电机额定电压合闸于空载主变与厂变，产生了励磁涌流，由于发电机差动保护定值设置不合理，并且穿越性励磁涌流导致TA暂态饱和，从而使发电机差动误动作。差动保护是发电机组的主保护，其误动将使机组停机并对系统稳定运行带来严重影响。因此，应合理整定差动保护的定值，并从设计与设备选型上充分考虑TA暂态饱和对差动保护的影响，防止发电机差动保护的误动，提高其运行可靠性。

[1]王维俭．电气主设备继电保护原理与应用[M]．北京：中国电力出版社，2001．

[2]方愉冬，杨涛，吴春娣．UR T35/T60变压器差动保护误动分析[J]．电力 系统保护 与控制，2009，37（14）:118-121．

[3]ELIN．Elin DRS Library of protective functions of the protection system[G]．1996．

[4]袁宇波．变压器差动保护理论分析[D]．南京：东南大学，2006．

[5]刘小宝，蒋平．电流互感器饱和特性分析与仿真[J]．浙江电力，2006，25（3）:1-5．

[6]DL/T 684-1999大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S]．