一起35 k V变电站主变差动保护误动作事故分析与处理
2013-10-15郭宜果
郭宜果,魏 鑫
(1.山东电力经济技术研究院,山东 济南 250001;2.枣庄供电公司,山东 枣庄 277102)
0 引言
变压器是变电站中关键的供电元件,其运行状况直接关系着电力系统的安全稳定[1]。根据GB-T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》的要求:“电压在10 kV以上、容量在10 MVA及以上的变压器,采用纵差保护”。纵差保护作为变压器电气量主保护,反映变压器绕组及其引出线的相间短路、中性点直接接地侧接地短路、绕组的匝间短路等故障,对变压器的安全运行具有十分重要的意义[2]。变压器差动保护具有较高的灵敏度和速动性,但是,由于该类型保护为元件保护,必须保证其动作的选择性,绝不应该在区外故障的情况下动作[3]。
2011年9月8日23时12分,某35 kV变电站10 kVⅠ段母线17号出线开关柜发生C相金属性接地故障,本间隔过流保护动作跳闸,重合闸成功。随后2号主变差动保护动作,跳开主变两侧开关,造成全站失压,发生了保护误动作的故障。
1 现场检查
1.1 事故相关运行方式
该站1990年3月9日投运,电压等级为35/10kV,35 kV 2回进线,单母线双刀闸分段接线;主变2台,型号分别为:SZ11-M-16000/35 (1 号主变)、SZ10-20000/35(2号主变);10 kV 单母线分段,共有出线 7回。35 kV侧为电源端,10 kV侧为负荷端,主变差动保护电流回路采用全星型接线。事故发生时,35 kV君安线53号开关带2号主变、10 kVⅠ、Ⅱ段母线运行,另一条35 kV进线及1号主变处于热备用状态,如图1所示。
图1 2号主变差动保护动作时变电站运行方式
1.2 故障现象及处理
2011年9月8日23:12:17,变电站10 kV安工 I线17号开关过流Ⅰ段保护动作跳闸,重合成功;2011年9月8日23:12:18,安城站 2号主变差动保护动作,52号开关、12号开关跳闸,10 kVⅠ、Ⅱ段母线失电。
故障后,迅速通过远方遥控操作将1号主变投入,恢复供电。抢修人员及时赶到现场迅速组织现场检查和设备抢修处理,运行人员到达现场指导、配合工作。
8日23:16,拉开全部10 kV开关,并投入 1号主变及10 kV I段母线上的出线开关,发现C相电压过高(7.6 kV)。
9日00:00,运行人员赶到变电站检查,发现 17号开关柜内铝排断线,随即将17号开关转为冷备用。
9日00:04,2号主变外观检查未发现异常,转为冷备用。
9日00:16,10 kV母联 10号开关及Ⅱ段母线出线恢复送电,至此,除 17号出线外其余出线全部恢复供电。
9日00:48,完成 17号间隔安措,开始抢修 17号间隔,同步开展17号线路巡视检查。
9日03:13,完成 17号柜抢修,03:15完成线路检查未发现问题,03:23,恢复 17号出线送电。
9日03:34,将2号主变转为检修,开始进行检查试验。
2 保护动作分析
2.1 外部故障分析
在变电站10 kV 17号开关柜内,开关至 173号刀闸之间C相套管下部铝排烧断(图 2),引起弧光短路,过流Ⅰ段保护动作跳闸,重合成功。分闸和重合时间分别为23:12:26:499、23:12:27:542,保护定值为12 A,不完全星型接线。保护动作正确。
图2 外部故障照片
23:12:18:645,2号主变差动保护动作,52号开关、12号开关跳闸,B相差流为41.03A,定值35.7 A,保护动作正确。
根据现场核对,17号保护装置时钟较2号主变保护装置时钟快9 s,以2号主变装置时钟为基准换算后,17号开关分闸、重合时间应为23:12:17:499、23:12:18:542,动作过程应为:17号柜 C相铝排断线引起弧光短路(短路电流近10 kA),开关跳闸、重合,之后2号主变差动动作。
17号开关保护动作原因清晰,为该开关柜铝排弧光短路引起,但2号主变差动动作原因不清晰,属于误动作。为此,在抢修完成后立即将该主变转为检修状态,进行试验检测,检测结果如下:一、二次设备、接线外观检查均未发现异常;设备绝缘测试均合格,12号开关断口两侧绝缘电阻700 MΩ(23℃、湿度70%),52号开关断口两侧绝缘电阻1500 MΩ(23℃、湿度70%),二次绝缘电阻30 MΩ (23℃、湿度70%);一次设备耐压试验分别于9日凌晨和10日上午复测,均正常;直流电阻测量合格;油色谱分析结论合格;2号主变差动回路CT极性测量,无差错;2号主变全部保护传动试验正常。
针对以上情况,需要专门进行2号主变差动跳闸原因分析。
2.2 主变差动保护动作原理
主变差动保护装置为2001年深圳南瑞ISA387F型产品,装置的差动保护由复比率差动和差动电流速断保护组成,动作特性如图3所示。
图3 主变差动保护动作特性
图4 差动速断保护逻辑
定值d042以上为差动速断动作区,d045和d043以上为比率差动保护动作区。差动电流门槛定值d045用以躲过变压器正常运行时的不平衡电流,复式比率特性 Id/Ir>d043用以躲过外部故障。 Id>042 进入差动速断区。保护动作逻辑如图4、图5所示。
图5 比率制动差动保护逻辑
变压器为Y,d11接线,高压侧CT变比400/5,低压侧 CT变比1500/5,均为5P20级别。差动保护各侧CT均按星型接线,同时由软件对各侧CT变比不一致进行调整,各侧CT变比调整系数由装置自动计算。变比调整系数
式中:UH为高压侧额定线电压,UL为低压侧额定线电压,NH为高压侧CT变比,NL为低压侧CT变比。
其动作电流及制动电流:
式中:Idx(x=a,b,c)为差动电流;Irx(x=a,b,c)为制动电流;IX(X=A,B,C)为高压侧 CT 二次电流;Ix(x=a,b,c)为低压侧CT二次电流;K为CT变比调整系数。
本站差动保护相关定值见表1。
2.3 保护动作报告及录波记录
相电流越限记录。2011年9月8号23:12:18:570,第 2 个事件,Idb=47.21 A,累计时间:0.14 s。
表1 保护定值整定表
保护事件记录。2011年 9月 8日 23:12:18:645,第 8个事件:pcpu复式比率差动动作,B相,Idb=41.03<0 A;2011 年 9 月 8 日 23:12:18:645, 第 7个事件:pcpu 差动电流速断动作,B 相,Idb=41.03<0 A;2011年9月8日23:12:18:648,第6个事件:pcpu差动电流速断返回;2011年 9月 8日 23:12:18:702,第5个事件:pcpu复式比率差动返回。
保护录波记录。由于没有ISA通信管理机,故障波形无法从装置导出,只能通过拍摄的方法获得粗略分析,如图 6、图 7、图 8所示。
图6 高压侧电流波形
图7 低压侧电流波形
图8 差动电流波形
2.4 保护动作解析
从电流录波数据分析,根据主变低压侧电流波形,故障发生的现象为:首先低压侧出线B、C相短路,一个周波以后引起A相故障造成三相短路。但是A相短路电流要小于B、C两相。根据差流图片,找装置差动启动和差动启动后第19个点的三相进行粗略分析,记保护启动时保护电流为IX0,第19个点时保护电流为Ix19,记录如表2所示,表中,保护启动时记为IX0,保护启动后记为Ix19,X与故障相别对应。如,保护启动时高压侧A相电流记为IA0。
表2 故障录波数据统计表 A
将表2数据代入式(2),计算差动保护启动时保护装置的差动电流及制动电流如表3所示。表中,保护启动时记为 Idx0、Irx0,保护启动后记为 Idx19、Irx19,X 与故障相别对应,如保护启动时a相差动电流记为Ida0。
表3 故障电流计算结果列表 A
分析差动保护的动作情况:
Idb0/Irb0=3.71
Idc0/Irc0=无穷大
Ida19/Ira19=无穷大
Idb19/Irb19=1.06
Idc19/Irc19=0.62
可见,无论是保护启动时还是保护启动后,复比率值均大于定值0.4,在保护动作范围内,2号变压器差动保护装置正常动作,排除装置异常及整定不当的原因。
进一步分析主变高压侧电流波形。在外部故障后高压侧CT二次电流波形畸变严重,其中BC相最为明显,电流值在到达波峰的时候突然变为平顶波,这是典型的CT饱和现象。
从另外一个角度考虑,2号主变高低压侧均采用5P20(5A)级CT,当外部故障时如穿越电流不超过额定电流的20倍,CT二次侧电流不超过100 A,差动保护不应误动作。但本站2号主变差动保护误动作时,高低压侧CT二次侧动作电流均不超过70 A,应是2号主变某一侧CT绕组不满足20倍额定电流的要求,导致CT过早饱和引起保护动作。
3 结语
得到保护动作分析的结论后,召集有关技术人员进行分析。经查,该断路器型号LW8-35,产品各项报告齐全,各CT均有合格证。为进一步核实分析结论,试验班分别于9月11日上午、下午两次对52号开关进行套管CT试验,在伏安特性试验时发现开关(斜柱侧)套管CT出厂标明的保护绕组LH3的伏安特性与出厂报告不符合,而出厂标明的测量绕组LH4的伏安特性与保护绕组伏安特性曲线吻合。为进一步核实,又分别在主变端子箱、开关机构箱和本体CT接线板处进行特性试验校核,结果均一致。
据此确定该断路器套管CT测量绕组和保护绕组接反,发生10 kV出线短路时,故障电流穿越 2号主变,高压侧CT饱和,差动回路出现超过整定值的差流,引起保护误动作跳闸。这与前述故障波形分析结论一致。
为确保该变电站安全运行,决定在调整接头并恢复接线后,将2号主变投入运行,将运行方式调整为10 kV母线I、II段母线分段运行。经再次全面复核无误后,于11日19:44完成操作,2号主变转运行。2号主变接带负荷(4.6 MW)后,带负荷做六角图结果正确,差动回路差流在合格范围内,主变高压侧电流折算后和低压侧出线电流和基本吻合,该变压器差动保护误动作故障得到圆满处理。
[1]张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社,2005.
[2]国家电力调度中心.电力系统继电保护典型故障分析 [M].北京:中国电力出版社,2000.
[3]陈曾田.电力变压器保护[M].北京:中国电力出版社,1989.