一起主变差动保护误动作原因分析及解决办法

高守龙

（本钢板材股份有限公司能源总厂，辽宁本溪 117021）

1 故障前系统运行情况描述

本钢三连铸66 kV变电站共有5台主变，正常情况下5台主变独立运行。其中3#主变容量为40000 kVA，66/35 kV两圈变，其35 kV母线主要负载为5#LF炉电炉变以及相应的无功补偿TCR设备和一系列滤波设备。变压器采用差动保护，保护装置DEP-581综保装置。事发前，由于部分滤波设备故障，仅三次滤波设备投入运行。相应的电气接线图如图1。

图1 系统运行简图

2 3#主变差动动作情况描述

2017年12月13日19时3分5秒，三连铸3#主变发生AC相比率差动保护动作，导致6307及3531开关跳闸，35 kV母线失电，具体动作信息如表1所示。

表1 3#主变比率差动保护动作信息

从表1中可以看到，差动动作电流为3.29 A，根据动作时故障录波计算对应时刻的制动电流，对比表2中主变比率差动保护定值可以看出此次动作符合比率差动动作特性曲线。

表2 3#主变比率差动定值

差动保护动作后，安排专业人员对变压器进行技术检查和试验，各项参数正常，判断为此次保护动作为误动作，变压器重新投运后工作正常。

3 差动保护误动作分析

3.1 故障录波分析

通过调阅3#变差动主保护设备相关信息，可以确认继电保护设备记录下了比率差动完整的动作过程，差动保护动作时高、低压测电流具体的波形如图2所示。

从图2可以看出几个波形特征：

（1）差动保护动作时高低压侧存在较大的冲击性电流，其中高压侧首波瞬时值达到10 A以上。

（2）高压侧三相冲击性电流都明显偏向坐标轴一侧，表明冲击电流中存在较大的非周期性分量。

（3）高压侧三相冲击性电流波形有畸变，但波形虽有缺口，仍基本符合下游故障或大负荷启动时的冲击性波形的形状。

（4）低压侧冲击电流首半波非常大，然后迅速跌落变小，波形严重畸变失真。

（5）冲击电流发生前，高低压侧波形也偏向坐标轴一侧，表明正常电流中也存在非周期性分量。

图2 比率差动保护动作时各侧故障电流

为了更加直观的对比故障时高、低压侧电流情况，可以根据保护装置差动电流的计算方法，将波形相对正常的高压侧电流折算为低压侧理想电流与低压侧实际采样电流进行对比，如图3所示。

图3 比率差动保护动作时高低压侧电流对比

其中，振幅较大的曲线是高压侧电流折算到低压侧时的理想电流曲线，振幅较小的曲线是实际电流曲线，两者差异部分就是差动电流。对比两种波形可以看出：

（1）冲击电流发生时，低压侧理论上应该存在较大的非周期性（见理想电流波形明显偏向坐标轴一侧）。

（2）冲击电流发生时，低压侧实际波形除了冲击首波局部（冲击发生的6～7 ms）与理想波形基本吻合外，后续波形两者严重偏差。表明在冲击发生时，低压侧CT已经发生快速饱和。低压侧采集到的波形严重失真。

（3）低压侧冲击波形失真主要发生在A、C两相，B相虽然波形中也含有明显的非周期性分量（波形也明显偏向坐标轴一侧），但由于冲击电流偏小（首波峰值为5.8 A），波形失真并不严重。

（4）冲击发生前，电流波形已有局部失真，表现在两条曲线大部分吻合和局部背离的情况。

进一步地，通过故障录波计算出上述波形的差动电流波形见图4。

图4 比率差动保护动作时差动电流波形

显然从差动电流波形中，我们可以进一步佐证前面几个现象：

（1）冲击电流发生前，电流波形确实已经出现局部失真，导致冲击发生前就存在差动电流。且该差动电流偏向坐标轴一侧，含有明显的非周期性分量和二次谐波分量。

（2）冲击电流发生时，高低压侧电流均有失真，但低压侧电流失真严重，CT严重饱和，导致冲击发生时产生很大的差动电流，该差动电流中含有明显的非周期性电流分量。该非周期性分量是因为低压侧CT严重饱和后，CT已经无法传变非周期性分量和交变电流分量所导致（高压侧CT能传变非周期性分量，低压侧CT基本不能传变非周期性分量，这导致差动电流中出现了非周期性分量）。

3.2 保护动作原因分析

通过上述故障录波的分析，造成此次保护动作存在以下几个方面原因：

（1）故障时有高压侧最大瞬时值约10 A的冲击电流，这个冲击电流是什么原因产生的?

（2）波形中，故障前就存在一定的不连续的差动电流，带有明显的直流分量及二次谐波成分，这个差动电流是如何产生的?

关于冲击性电流，可以结合LF炉电弧加热系统的工作原理来理解：以石墨电极与钢液之间产生电弧光加热钢液。由于电极通过炉盖孔插入泡沫渣或渣中，故称埋弧加热。因此每次当三根高压电极插入钢液时，对3#变压器来说，就相当于一次区外三相短路，将产生比较大的冲击电流。而每次石墨电极起弧瞬间（冲击电流发生时），根据电流相角的不同，就会产生不同大小和极性的电流非周期分量。

关于事发前后的差动电流产生，有几种可能：

其一，在本次冲击电流发生前，刚刚发生过一次冲击，冲击产生的非周期性分量使低压侧CT出现了剩磁，且在本次冲击发生时，该剩磁还未被完全退磁。

其二，35 kV动态无功补偿设备采用TCR，TCR工作原理是通过电压斩波方式来动态调节施加到电抗器上的电压的大小，以改变电抗支路的电感电流来实现无功动态补偿。从电压斩波调压的工作原理可以知道，一旦TCR控制器的正负极性触发脉冲相角不同，或者某种原因多次丢失同一极性脉冲（例如短时多次丢失负脉冲），就会在电网中注入直流分量。

其三，二次滤波设备停用，导致负载电流中二次谐波分量很大（见差动电流曲线），与奇次谐波的影响不同，富含二次谐波的负载电流，波形是正负半波不对称的，也就是电流波形的正最大值和负最大值是不相等的，对CT来说，这种正负最大值的不相等的励磁电流（即CT原边电流）将导致CT铁芯内的剩磁无法短时消除。

结合上述分析，可以确定在冲击发生的时刻是低压侧CT出现了严重饱和，饱和原因可能如下：

（1）CT二次回路负载太重，这可能是二次回路中有接触不良。

（2）低压侧差动CT错误使用了测量级，测量级CT的抗饱和能力极差。

（3）低压侧CT的抗饱和能力本来就比较差，例如保护级精度仅为10P10级。

（4）现场35 kV负载中事发前就出现直流电流分量，导致一次CT事发前就已经出现饱和，事发时的冲击电流中的非周期性分量让差动保护深度饱和，导致差动动作。

为了对上述判断进行验证，我们安排专业技术人员在现场进行了排查，排除了第1条、第2条原因的可能性。

为验证正常情况下装置的差动电流情况，以及谐波对差动电流的影响，我们在现场设备正常运行、生产的情况下，对3#变差动保护进行了手动录波，具体波形如图5所示。

图5 正常运行时手动录波

在图5中，对A3A4A5通道，高压侧电流折算到低压侧的理想电流曲线与实际电流曲线几乎完全重合。虽然正常运行时波形畸变也很严重，谐波含量丰富，但从图5可以看出，几乎没有任何差动电流。由此判断谐波不是导致CT饱和的主要原因，而直流分量才可能是真正的原因，但丰富的偶次谐波仍然是导致已含有剩磁的CT无法及时退出饱和的原因之一。

如前所述，每次当三根高压电极插入钢液时，对3#变压器来说，就相当于一次区外三相短路，将产生比较大的冲击电流。而每次石墨电极起弧瞬间（冲击电流发生时），根据电流相角的不同，就会产生不同大小和极性的电流非周期分量。在熔炼过程中，根据生产工艺，将产生频繁多次冲击性电流，且每次冲击都会产生非周期性分量。当两次冲击产生时间相距很近时，如果前一次冲击电流的非周期性分量与后一次冲击电流的非周期性分量极性相同时，在前一次冲击时的剩磁作用下，后一次冲击电流时CT更容易饱和。当短时连续多次出现非周期性分量极性相同时，CT就会逐步进入深度饱和。但当前后两次出现反极性非周期性分量时，前一次冲击电流产生的剩磁，反而会明显提升CT对后一次冲击抗饱和能力。

由于前后多次非周期分量同极性的概率相对较小，同时相邻两次冲击如果间隔时间较长时，前次冲击电流产生的CT剩磁，会被正常负荷电流逐渐消磁（但富含二次谐波的负荷电流会导致消磁变得困难）。所以日常生产中，上述LF炉生产工艺产生的固有的非周期性电流分量，并不会导致差动保护频繁动作。

当CT出现极为严重的饱和时，差动电流波形与变压器内部故障几乎无异，因而差动保护也仍然可能判为是内部故障而保护动作。

从故障波形看，事发当时高压侧CT与低压侧CT抗饱和能力是明显不同的，高压侧CT只有轻微饱和，原因在于：

（1）高压侧一次冲击电流小于低压侧，根据变压器变比，高压侧电流仅为低压侧的0.53倍，而高压侧CT的变比却是低压侧的0.8倍，因此，相对于各侧CT的额定电流，高压侧冲击电流仅为低压侧的0.66倍，所以高压侧不容易饱和。

（2）变压器稳态情况下是不能传递直流分量的，在暂态情况下，虽可以传递一定的直流分量，但却不能100%传递。因此高压侧的直流电流分量占比，相对于低压侧会低些。

（3）从低压侧B相电流看，也存在明显的直流分量，却未发生严重饱和。原因在于B相冲击电流，只有A相电流的0.57倍。显然，当冲击电流相对较小的时候，CT是不容易饱和的。这一点与高压侧CT在此次事故中未发生明显饱和类似。

4 整改措施

通过上述分析，我们判断造成差动保护动作的主要原因是低压侧的负载电流中经常性的存在非周期性电流分量，这些非周期分量主要是有冲击电流造成的，但不排除TCR工作异常的影响。前后几次冲击中，相同极性的非周期性电流分量产生相同极性的剩磁累加，二次滤波设备退出运行又导致CT退剩磁更为困难，最终导致导致了低压侧一次CT逐步进入严重饱和而差动保护动作。为避免今后再有此类问题发生，可采取以下两种办法：

（1）3#主变低压侧更换抗饱和能力更强的一次CT，例如将CT规格由保护级5P20改为5P30。提升CT抗饱和能力最简便的解决方案，就是将现在额定电流1000 A的CT（变比为1000/5），更换为相同保护级精度，但额定电流不小于1500 A的CT（1500/5），如有可能，更换为2000 A的CT（变比2000/5）将更好。增加CT变比在表面上是提高了CT的额定电流，实际上是增加CT的铁芯截面积。在相同的一次电流的励磁下，CT铁芯截面积越大，抗饱和能力就越强。例如将额定2000 A的5P20的CT，用到额定1000 A的场合，其抗饱和能力相当于额定1000 A下5P40。经过上述整改，低压侧冲击电流将下降到 10 A（1500/5）或者 7.5 A（2000/5）以下，通过前文的分析可知，此举可基本解决冲击电流的非周期性分量导致的CT饱和问题。（2）修改差动保护的定值，改变差动保护的涌流制动判据，例如将二次谐波制动改为偶次谐波制动判据，也可一定程度上减少因CT饱和而导致差动保护动作。但不提升一次CT的抗饱和能力，仅靠定值调整产生的效果是有限的。

5 结束语

差动保护原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不需延时，一直用于变压器做主保护，其运行情况直接关系到变压器的安危，因此变压器差动保护动作是供电系统头等大事。但由于目前用电负荷性质复杂，造成差动保护误动作的几率也大为增加。本钢连铸LF炉供电系统多次出现主变差动保护误动作现象，谨以此文向同业者提供一种防变压器差动保护误动作的思路。