一起220 kV主变压器保护装置发TV异常告警的原因分析

2019-07-10张巍周国鹏汪洋倪浩钟著辉

综合智慧能源 2019年6期

张巍，周国鹏，汪洋，倪浩，钟著辉

(1.湖北科技学院 a.电子与信息工程学院；b.工程技术研究院，湖北咸宁 437000； 2.国网常德供电公司，湖南常德 415000)

0 引言

由于受到一次设备的影响，二次电压往往包含三次谐波，引起电压波形畸变和开口三角电压升高，造成变电站内误发接地信号、无功测量不准确、录波频繁启动、方向元件不正确动作等诸多问题[1-3]。为保证主变压器(以下简称主变)保护装置正确、可靠动作，其接入的二次电压必须真实反映一次系统电压变化情况，防止保护装置误跳或拒跳，进而造成系统事故、损失大量用电负荷[4-5]。

一般情况下，保护装置都有一定的电压异常检测能力和零(N)线断线检测功能。电压异常往往都是由电压互感器(TV)的一/二次保险熔断、二次回路虚接或错误等造成的[6-7]，因二次电压本身存在波形畸变而引发个别保护装置TV告警的情况较少见。本文以一起220 kV主变保护装置发TV异常告警为例进行分析，并提出了相应的对策。

1 事件状况

某220 kV变电站位于湖南西北地区，承担着常德德山国家经济开发区工业用电的重任。为了适应该地区供电容量猛增和更新站内老旧保护设备的需要，根据《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》要求，对该站原#1主变保护装置进行技术改造，保护装置型号见表1，主接线图如图1所示：220，110 kV双母线接线； 10 kV单母线分段接线；#1主变610断路器，510断路器和310断路器三侧分别为220，110，10 kV I段母线供电。#1主变与110 kV侧TV主要铭牌信息见表2，其中Y代表星形，d代表三角形。

表1 主变保护装置更换Tab.1 Replacement of transformer protection

图1 变电站主接线图Fig.1 Main wiring of substation

表2 #1主变和10 kV侧TV铭牌主要信息Tab.2 Main information of nameplate of No.1 main trans-former and 10 kV side TV

投运后，#1主变A套保护频发10 kV低压侧TV异常告警信号，B套保护正常。通过带负荷检查,得到A套保护10 kV二次电压，见表3。

表3 A套保护10 kV二次电压Tab.3 Secondary voltage of 10 kV A protection

表3中的电压幅值及相位均正常，查看保护装置显示电压与实测值一致。A，B保护装置电压均取自10 kV电压并列屏的同一组电压，测量可知B套保护电压、10 kV电压并列屏电压均与A套保护一致,分析得出A套保护电压异常告警并非由外部电压引起。

2 现场检查

通过查阅PCS978变压器成套保护装置技术和使用说明书可得到，引起保护装置报TV异常有以下3种情况：

(1)正序电压小于30.0 V，且任一相电流大于0.04倍的额定电流(In)或开关在合位状态；

(2)负序电压大于8.0 V；

(3)相电压中的三次谐波分量超过工频分量的10%，TV的N相异常。

满足上述任一条件且保护装置未启动时，延时1.25 s报该侧母线TV异常，并闭锁与电压有关的保护。

从表3可得出前2个条件均不符合，且B套装置未告警，因此A套保护发电压异常与前2种情况无关。

测量得到TV并列柜10 kVⅠ段开口侧的零序电压为9.0 V，频率显示为150 Hz，表明开口侧电压是三次谐波电压。将该电压接入录波器分析波形，测试结果见表4，其中3U0为TV开口三角零序电压。

表4 三相电压测试数据Tab.4 Test data of three-phase voltage V

从表4中得出10 kV各相电压中均包含5 V左右的三次谐波。以A相电压为例，三次谐波含有率(即HR3)如图2所示。

由图2得到，HR3为10.54%(即>10%)，根据PCS978说明书可以判断，TV异常报警是由二次电压本身包含的三次谐波所造成。

3 原因分析

二次电压包含三次谐波最直接的原因是非线性用电负荷的存在，其反馈到电力系统中使一次系统电压本身包含有三次谐波。但由于变电站变压器采用YN/YN/d11接线，来自电网用户侧的三次谐波电流经低压侧三角绕组形成闭合回路，不能传递到二次侧。经查本站各10 kV出线均无谐波源，因此二次侧三次谐波来自电网的可能性基本排除。而TV励磁的非线性或二次回路也可能使二次电压带有三次谐波。

3.1 励磁电流构成

电磁型TV与变压器结构类似，由带有铁心的绕组构成。由于铁心具有非线性伏安特性，当一次绕组接入电压所产生的磁通超过饱和点时，绕组中的励磁电流Im为尖顶波，如图3所示。将尖顶波Im分解，可得基波和高次谐波。高次谐波中以三次谐波的含量最高，因此TV励磁电流中必定包含有三次谐波分量，谐波含量的大小与变压器的铁心材料、磁通密度、结构和使用条件等因素有关，取决于铁心的饱和程度。

图2 原电压测试结果Fig.2 Resuilts of voltage test

图3 TV励磁电流组成Fig.3 Composition of TV exciting current

3.2 分析原因

为了消除谐振，目前非有效接地系统常采取在TV一次中性点接入消谐器[8]。如图4所示，装置内小PT为保护装置内电压转换装置，可将TV取得的二次电压转换成微机保护装置的硬件电路能够采集处理的低电压；PTC为正温度系数热敏电阻；U2A，U2B，U2C分别为TV的二次绕组的三相电压；U3A，U3B，U3C分别为装置内经小TV电压变换后的三相电压；iAm，iBm，iCm分别为流过TV一次绕组的三相励磁电流。

图4 TV二次接线图Fig.4 Circuit diagram of Voltage transformer

变压器正常运行时，中性点引入消谐器对二次零序电压带来一定影响。当星形接线的TV接入三相对称电压时，流过中性点消谐器的电流3i0为三相励磁电流相量和，即

3i0=iAm+iBm+iCm。

(1)

励磁电流包含基波和高次谐波(以三次谐波为主)。对基波和三次谐波各自独立分析，若三相TV的励磁特性完全相同，则各相基波的幅值相同，相位相差120°，流过中性点的基波电流

3i01=IAm1∠0°+IBm1∠-120°+ICm1∠120°，

(2)

式中：IAm1，IBm1，ICm1分别为三相基波电流有效值。

而励磁电流中三次谐波相位相同，故流过中性点的三次谐波电流

3i03=IAm3∠0°+IBm3∠-360°+

ICm3∠360°=3Im3，

(3)

式中：IAm3，IBm3，ICm3分别为三相三次谐波电流有效值。

设消谐器电阻为R，则其两端电压

(4)

消谐器两端电压由TV三相励磁电流的基波分量和谐波分量(三次谐波)之和在其电阻上产生的电压降组成。当三相励磁电流大小不相等时，其电压包含有基波和谐波，若三相TV的伏安特性完全相同，则基波电压为0 V，但仍有三次谐波电流通过消谐器，进而产生三次谐波电压U0，该电压使中性点电位偏移，叠加到一次绕组上传变到二次侧，从而在二次产生三次谐波零序电压[9]。

4 解决对策

检查保护装置端子排至TV二次回路及接线，确认N线导通及接地良好，可排除二次N线断线问题。临时短接中性点消谐器后，测量二次电压见表5。HR3远低于10%，如图5所示，保护装置TV不告警，因此确认中性点消谐器是导致二次电压失真的原因。

表5 短接消谐器后三相电压测试数据Tab.5 Three-phase voltage test data after short vibration absorber V

图5 短接消谐器后的电压测试结果Fig.5 Results of voltage test after short vibration absorber

由于中性点消谐器是防止TV电压谐振、保护TV的主要措施，不宜短接，可采取下列措施来减小其对二次电压的影响。

(1)更换TV。选用励磁特性好的TV，减小其三次谐波励磁电流分量。

(2)更换高品质消谐器。消谐器本质是一个非线性电阻器，励磁电流在其两端产生的电压与其电阻值成正比，因此筛选常态电阻相对较小的消谐器，可减少其影响。

(3)在二次开口电压侧，接入PTC电阻(如图4所示)。正常时，PTC阻值较小，相当于短接开口绕组，使二次侧三次谐波电压被吸收，当一次接地时，开口绕组两端电压升高，流过PTC电阻的电流急剧增大，PTC电阻发热，电阻迅速增大，对高电压呈现高阻抗，防止接地故障时开口被短路，并保证接地监视装置能可靠动作，PTC电阻值可选15 Ω左右[10]。

本例实际采取的处理措施是更换另一种型号的中性点消谐器，更换后实测开口电压由9.0 V下降到4.5 V，电压三次谐波含量下降到基波的4%。保护装置不再发TV告警。