海上平台一起电力变压器纵联差动保护跳闸故障原因剖析

2021-09-16陈永强

天津科技 2021年8期

周洋，陈永强

(中海石油(中国)有限公司天津分公司辽东作业公司天津 300457)

0 引言

变压器是目前电力系统中大量使用到的设备，一般需要为其安装纵联差动继电保护器，纵联差动保护一般用来保护变压器线圈及引出线上发生的相间短路和大电流接地系统中的单相接地短路。对于变压器线圈的匝间短路等内部故障，通常可以用作后备保护。本文主要对某海洋石油生产平台一起电力变压器差动保护故障原因进行了分析，希望可以为相关工作人员提供一定的参考。

1 故障现象

1.1 电网运行基本状况

海上石油平台供电系统采用IT系统，如图1所示，其相关设备参数如下：1号变压器额定变比为35 kV/6.3 kV，额定容量2 500 kVA，接线组别 DY11，阻抗百分数7%，此变压器纵联差动保护的保护CT(35 kV高压侧)额定变比为100∶1，差动CT(6.3 kV低压侧)额定变比为600∶1，均为星型连接；6号变压器额定变比为0.4 kV/2 kV，额定容量315 kVA，接线组别DY11，阻抗百分数6%，此时电网潮流有功功率为738 kW，无功功率为227 kVA。

1.2 故障现象

当合闸ACB6开关对6号变压器一次侧进行送电时，导致1号断路器VCB1开关保护动作分闸(变压器35/6.3 kV一次侧开关)，引发失电。通过调取VB1开关柜继电保护器相关记录及报警信息进行确认，确定为差动保护动作。从报警信息中显示差动电流A相：0.64 Iref(Iref为基准电流，取变压器低压二次侧额定电流)，B和C相均为0 Iref；制动电流A相：1.041 Iref，B相为0.311 Iref，C相为0.307 Iref。其数据如表1所示。

表1 VB1开关柜跳闸时继电保护器相关记录Tab.1 Relay protector record when tripping of VB1 switchgear

根据电网在线检测数据显示，跳闸前1号变压器高压侧实际运行电流为三相电流均为14 A，低压侧实际运行电流均为84 A；但继电保护器监测到的高压侧运行数据为A相电流5 A，B相及C相电流为14 A，低压侧运行与实际运行电流相符；二次侧差动电流为A相0.244 Iref、B相0.008 Iref、C相0.005 Iref，二次侧制动电流为A相0.235 Iref、B相0.345 Iref、C相0.368 Iref，见表2。

表2 VB1开关柜跳闸前相关记录Tab.2 Relevant records before tripping of VB1 switchgear

2 故障分析

2.1 故障初步分析

当合闸ACB6开关对6号变压器一次侧进行送电时，引发越级跳闸，导致1号断路器VCB1开关差动保护分闸。本次事故看似是由于空载6号变压器导致停电，但是由于VCB1开关柜差动保护的对象为1号变压器，6号变压器不在差动保护范围内，即对6号变压器一次侧进行送电应该不会引起VCB1开关柜差动保护动作，另外对6号变压器进行送电，引发VCB1开关动作，跳跃4级分闸也不太合理，所以单纯从6号变压器存在问题考虑此次停电事故较为片面，应首先从VB1开关柜差动保护跳闸原因进行分析。

根据VB1开关柜继电保护器报警记录及实际工况进行初步分析，跳闸前继电保护器测量的变压器高压侧运行电流与实际运行不一致，且继电保护器显示的A相差动电流、制动电流存在明显异常；跳闸时继电保护器显示的A相差动电流、制动电流同样存在异常。针对此种情况，初步怀疑故障如下：

①1号变压器发生内部故障，引发差动保护跳闸；

②A相高压二次侧线路存在故障，导致继电器无法检测真实运行电流，从而引起继电器检测电流与实际运行数据不一致；

③A相高压侧CT出现故障，导致继电器无法检测真实运行电流，从而引起继电器检测电流与实际运行数据不一致；

④继电保护器出现运算错误，导致A相差动电流、制动电流计算值存在异常；

⑤继电保护器的保护整定可能存在问题，导致误动作。

根据以上5个方面进行问题分析、现场检查追溯问题所在：

①将1号变压器进行电气隔离，对1号变压器外观、绕组直流电阻、绕组绝缘电阻、吸收比、交流耐压试验、合闸冲击试验进行检查，但并未发现异常情况。

②对A相高压侧二次回路进行检查，发现二次回路CT出线与地线被短接片短接，导致其二次侧接地故障。由于该生产平台采用IT供电系统，当发生单相接地后，故障电流为容性电流。根据相关公式可以算出流出A相高压侧二次回路电流为0.14 A，接地故障电流为0.09 A，流入继电保护器电流为0.05 A，通过继电保护器换算成A相一次侧电流为5 A，与高压侧实际运行电流14 A有差异，表明继电保护器测量的高压侧电流与高压侧实际运行电流不符是由于二次侧接地故障所致。

接地故障电流计算公式：

式中：S为电缆芯线的标称截面，mm2；Ur为线路额定线电压，kV；L为线路长度，km；Ic为接地电容电流，A。

VCB1开关柜1 A相高压侧二次回路接线图和故障点如图2所示。

③对VCB1开关柜A相CT进行检查，也未发现问题。

④根据继电保护器检测到的运行电流数据及相关计算公式分析，A相差动电流、制动电流计算数据与继电保护器记录信息一致，表明继电保护器不存在运算问题。

差动电流计算公式：

式中：Id为互感器二次侧差动电流，A；Ires为互感器二次侧制动电流，A；Im为高压侧互感器二次电流，A；In为低压侧互感器二次电流，A。

结合变压器纵联差动保护整定国家相关规范计算要求及电网相关数据，进行跳闸可能性分析，其整定曲线如图3所示。

各项数据结合整定结果相对比，可以得出跳闸前三相电流均在保护整定的不动作区域，不会引起差动保护跳闸；跳闸时A相处于动作区，引发差动保护分闸，故VB1开关柜差动保护整定也不存在问题。

2.2 深度原因分析

根据此前研究分析可以得出，由于VCB1开关柜A相高压侧二次回路发生了接地故障及受到实际工况因素影响，使差动电流值变大，但没有达到跳闸条件，未引起差动保护跳闸，但空载合闸6号变压器时发生VCB1开关保护跳闸，其可能原因如下：

①由于VCB1开关柜A相高压侧二次回路发生了接地故障，使差动电流值接近于继电保护动作电流整定限值，当空载合闸6号变压器时，由于6号变压器产生励磁涌流及谐波影响，其产生的励磁涌流最大可达变压器额定的电流8～10倍，并且带有很大的高次谐波分量(主要是二次和三次谐波)，导致1号变压器不平衡电流加剧，从而引起1号开关柜VB1差动故障跳闸。

②当空载合闸6号变压器时，变压器发生匝间短路，且VCB1出线各级断路器整定缺陷均无法保护跳闸，导致1号变压器不平衡电流加剧，从而引起1号开关柜VB1差动故障跳闸。

③当空载合闸6号变压器时，变压器发生相间短路，且VCB1出现各级断路器整定缺陷均无法保护跳闸，导致1号变压器不平衡电流加剧，从而引起1号开关柜VB1差动故障跳闸。

针对上述情况进行问题排查，对变压器绝缘、直阻进行测量及耐压试验测试，均未发现异常状况，对各级VCB6整定值进行排查，也未发现整定缺陷，可见原因①是引起越级跳闸的主要原因。