一次区外故障导致主变差动保护动作分析

王志刚

（广东国华粤电台山发电有限公司，广东 江门529228）

受雷雨天气影响，某电厂220 k V某线路发生A、B两相接地故障，线路三相跳闸未重合。保护的故障测距显示故障点靠近电厂侧2.6 k m附近。线路跳闸同时，1号主变差动保护动作导致1号发变组跳闸。对于主变差动保护范围而言，本次线路两相接地故障属于区外故障，主变差动不应该动作，那是什么原因导致了主变差动保护的动作呢？

2 原因分析

此电厂1号发电机—变压器组采用单元制接线方式接入220 k V母线，220 k V母线为双母线接线，1号主变中性点直接接地运行。事件发生后，检查相关一次设备无异常，1号主变保护装置M－3311“主变差动保护87 T”动作，动作信息及故障录波文件完整，经校验，保护装置定值整定正确，保护装置采样准确，逻辑功能良好。

考虑到主变差动保护使用的为5P级CT，此类型CT剩磁系数相对较高，易饱和，且事件发生时为强雷雨天气，线路故障点附近多个铁塔上有多处不规则的雷电击伤痕迹。结合故障录波数据，从CT的工作性能方面进行原因分析。

2.1 对故障录波数据的分析

如图1所示，线路故障发生后，58 ms故障切除（与线路录波一致），第71 ms保护动作出口；在此期间，第27 ms开始出现发电机机端L相电流，并且持续增长至第58 ms，然后L相电流开始衰减。

图1 发电机端电流波形图

发变组故障录波数据计算：以下为按差动保护的计算方法，根据故障录波数据计算的差动保护各侧电流和各相差流（折算到发电机侧的二次电流）。图2中：

高压侧电流IHa＝高压侧平衡系数×（高压侧IA－高压侧IB）／

低压侧电流ILa＝发电机IA－高厂变高压侧IA

差流Ida＝IHa－ILa

图2 主变差动电流波形图

从图2中可以看出，故障发生第28 ms时，低压侧A相电流开始畸变，A相出现差流。低压侧A相电流呈负偏移，在负半波到达峰值前开始畸变，在正半波过程恢复正常，这种现象符合CT饱和的特征。由于高厂变高压侧的电流非常小，可以认为低压侧A相电流饱和畸变所反映的就是发电机侧A相电流饱和畸变。

查看主变保护装置M－3311录波数据，故障发生后61 ms主变差动保护动作。在此期间，故障发生后约30 ms，发电机侧二次电流中3I0开始增长，此现象与故障录波装置反映的一致。鉴于故障过程中主变各侧电流的直流分量都非常明显，且发电机侧出现了理论上不应有的零序电流，同时发电机侧A相二次电流出现了明显的饱和畸变特征，因此可以初步判定，本次主变差动保护误动作是由于在较强的直流分量作用下，发电机侧CT饱和引起传变误差所致。

2.2 对发电机出线端保护用CT进行暂态性能试验分析

2.2.1 进行CT特性试验

CT铭牌参数：25 000／5，5P20，200 VA，相关试验数据如表1所示。伏安特性曲线如图3所示。

表1 CT特性试验数据记录表

二次负载：CT的二次负载没有实测数据，根据二次电缆的线径及长度，按0.8Ω估算。

2.2.2 区外短路故障时的机端CT暂态分析计算

设外部三相短路时，一次电流为：

图3 CT伏安特性曲线图

CT的基本关系式：

2.2.3 简化计算分析

2.2.3.1 系统参数

发电机直阻：相电阻R＝0.001 23Ω，换算至以发电机阻抗为基准的标幺值：

式中，667为发电机额定视在功率（MVA）；20为发电机额定电压（k V）。

发电机的暂态电抗：

主变等值电阻：短路损耗1 157 k W（1.157 MW），换算至以发电机阻抗为基准的标幺值：

主变等值电抗：短路电压15.05%，换算至以发电机阻抗为基准的标幺值：

式中，720为主变额定视在功率（MVA）。

按主变高压侧三相短路计算一次时间常数：

式中，f为频率（Hz）。

2.2.3.2 C—100 ms—O循环

一次C—100 ms—O循环所需暂态面积系数：

高压侧短路流过发电机机端的电流为54.9 k A，约为2.2倍CT额定电流。

要求所选CT的准确限值系数Kalf＞2.20 Ktd＝61。

按本次实测结果：在二次负载估算为0.8Ω的情况下，机端侧CT的Kalf约为56，即实际Ktd＝25.5，经估算如不考虑剩磁则约在90 ms时CT可能开始饱和。

饱和时间的简化计算公式为：

2.2.3.3 C—100 ms—O—800 ms—C—100 ms—O循环

所需暂态面积系数：

与一次C—100 ms—O循环相比，CT在C—100 ms—O—800 ms—C—100 ms—O循环中的饱和情况会更严重，暂态性能不理想。

2.2.4 数值计算分析

由数值分析计算得出：主变高压侧故障时，在不考虑CT剩磁的情况下，机端侧CT约120 ms开始饱和；如考虑故障前CT剩磁为60%，则46 ms开始饱和。B－t趋势线如图4所示。

图4 CT B－t趋势线

按照上述分析，发电机机端CT在不考虑剩磁的前提下，按主变高压侧短路且电流全偏移计算，开始饱和的时间约为90～120 ms，基本满足一次C—100 ms—O循环的暂态性能要求。在本次事件中，如果机端CT的饱和起始时间在100 ms后，则差动保护不会误动作。但是，由于5P级CT的剩磁系数较高，根据实测结果，机端CT的剩磁系数在80%以上。发生若干次区外故障后，在剩磁的积累作用下，CT的饱和时间会大大提前。本次区外故障时机端CT饱和应该就是由剩磁过大引起的。

3 结论及措施

按上述分析，此发变组的一次时间常数非常大，外部故障时一次电流中直流分量衰减非常缓慢，机端CT的剩磁系数较高，在多次区外故障电流的剩磁积累作用下，CT的饱和时间会大大提前，不能保证良好的暂态性能，因此，本次区外故障时主变差动保护动作是由于机端CT剩磁过大、同时在故障电流作用下铁芯迅速饱和引起的。可通过以下方法解决：（1）为防止剩磁过大引起CT饱和，可结合机组的大、小修试验，定期对差动保护的CT作消磁处理。（2）CT的暂态性能不够理想，可以从减小CT二次负载方面采取措施。（3）由于大型发电机—变压器组的一次时间常数较大，暂态饱和问题普遍严重，可考虑选用TP级CT。

［1］王维俭.电力主设备继电保护原理及应用［M］.北京：中国电力出版社，1996

［2］国家能源局.大型发电机变压器继电保护整定计算导则［M］.北京：中国电力出版社，2012