一起主变及电抗器差动速断保护误动事故的分析

毛爱民

(张家港保税区长源热电有限公司，江苏 苏州 215634)

微机差动保护作为电力变压器等设备的主保护，通常动作时间小于25 ms。为加快在区内发生严重故障时保护的动作速度，同时为避免因电流互感器铁芯饱和出现大量高次谐波可能误将比率制动原理的差动保护闭琐，因而设置了差动速断保护作为差动保护的辅助保护，一般动作时间不大于15 ms[1]。差动速断保护是差动电流过电流瞬时速动保护，反应区内严重故障时动作，区外故障不动作。但实际生产中，时常出现区外故障时差动速断保护误动作，扩大了故障范围，给用户安全生产造成了严重影响。本文结合一起10 kV电动机短路故障造成上级电抗器和主变跳闸的实际案例，分析差动速断保护误动原因，并提出改进意见。

1 故障概况

1.1 运行方式

某发电企业2台30 MW汽轮发电机，额定机端电压为10.5 kV，分别通过2台主变升压至110 kV，110 kV母线采用单母线分段方式接入电网。10 kV厂用系统共分4段，其中，从1号发电机出口支接一路厂用分支，经过1号电抗器(并联1号大容量高速开关)作为10 kV一、二段母线工作电源；从2号发电机出口支接一路厂用分支，经过2号电抗器(并联2号大容量高速开关)作为10 kV三、四段母线工作电源。10 kV一、二、三、四段母线备用电源均取自10 kV备用段母线，通过备自投装置实现自动切换。10 kV一段母线接有1、2号给水泵，10 kV二、三、四段母线分别接3、4、5号给水泵。电气主接线见图1。故障前2台汽轮发电机组运行，2、3、4号给水泵运行。

图1 电气主接线示意图

1.2 故障过程

某日10:07，4号给水泵开关跳闸，10 kV三段工作进线开关103、10 kV四段工作进线开关104跳闸，2号电抗器上侧开关112A跳闸，2号发电机开关112跳闸，2号主变高侧开关1102跳闸；10 kV四段备自投动作成功，10 kV四段备用电源开关114合闸；2号大容量高速开关动作告警。现场检查发现，故障为4号给水泵电动机引出线三相短路。

1.3 继电保护动作情况

经检查，确认4号给水泵电流速断保护动作，2号电抗器差动速断保护动作，2号主变差动速断保护动作。主要继电保护动作情况见表1。

表1 继电保护动作情况

2 故障分析

2.1 大容量高速开关动作情况

大容量高速开关原理接线见图2，实物见图3。高速开关动作过程：正常运行时，电流几乎全部流过高速隔离器QSB(桥体)，发生短路故障时，暂态电流互感器TA将实时检测的电流信号送到控制器WK，WK通过分析处理，故障电流达到整定值时，发出点火信号使桥体在50 μm内断开，短路电流随即转移至特种熔断器FU，FU在0.5 ms内熔断，短路电流转移至电抗器，同时在限压器RV两端建立弧压，将过电压限制在允许范围内。从短路开始，开断截流时间为5 ms。

图2 高速开关接线原理图

图3 大容量高速开关实物图

2号大容量高速开关与2号电抗器并联，正常运行时，电抗器仅流过微小的负载电流，因而可以减少损耗；下侧发生短路故障时，大容量高速开关快速熔断，通过电抗器限制故障电流。该高速开关整定值为17 kA，经检查，2号大容量高速开关有动作告警，控制器WK发出了点火指令，而桥体QSB并未断开，因而2号电抗器并未起到限制短路电流的作用，巨大的短路电流经大容量高速开关流过(故障电流通过2号电抗器两侧差动TA)，并穿越2号主变。

2.2 故障录波分析

保护TA安装位置见图4。通过装置自带故障录波功能查看故障波形，2号主变低后备故障电流见图5，2号电抗器差动两侧分支故障电流波形分别见图6和图7。

图4 TA安装位置示意图

图5 2号主变低后备故障电流波形

图6 2号电抗器差动Ⅰ侧分支电流波形

图7 2号电抗器差动Ⅱ侧分支电流波形

分析以上故障录波电流波形如下。

a.2号主变低侧后备保护故障电流波形正常，基本为正弦波形；而电抗器两侧差动电流波形均发生较严重畸变和波形丢失，这是短路电流中非周期分量导致TA铁芯严重饱和的典型现象。

b.短路故障发生后，非周期分量电流经过2～3个周波衰减，TA逐渐恢复正常电流传变，电流波形趋于正常。

c.通过2号主变低侧电流波形数据估算通过2号主变的故障电流(取偏移时间轴最小的B相电流)为

再加上近端的2号发电机提供的故障电流，实际通过2号电抗器差动TA的短路电流将更大。

2.3 TA负载阻抗校验

2号主变采用三侧差动保护，分别取主变高侧、发电机侧和厂用分支侧电流，保护装置安装于升压站保护间，距离主变高侧TA距离较近；而其他两侧差动TA(均为AS12，3000/5，10P20，30 VA)安装位置距离保护装置较远。根据阻抗公式[2]:

式中：Z为电流互感器允许的负载阻抗，Ω；S为电流互感器容量，VA；I为电流互感器的二次额定电流，A。

计算出2号主变发电机侧和厂用分支侧的差动TA允许负载阻抗为1.2 Ω。实测TA负载交流阻抗见表2，可见差动保护厂用分支侧的TA负载阻抗已接近TA允许最大负载阻抗，基本无裕量。

表2 主变差动TA阻抗试验结果

2号电抗器采用双侧差动，下侧2个分支电流并联作为II侧电流接入保护装置。上下两侧TA均为AS12，1000/5，10P20，30 VA，计算TA允许负载阻抗为1.2 Ω。实测负载交流阻抗见表3(下侧为10 kV三段侧TA)。可见下侧TA负载阻抗已达到TA允许最大负载阻抗。值得注意的是，根据以上公式计算的TA允许负载阻抗，仅保证稳态情况下的10%误差，并不保证暂态误差。

表3 电抗器差动TA阻抗试验结果

2.4 互感器传变分析

通过ETAP建立仿真模型[3]，并采用实际电气参数，计算出10 kV电动机三相短路故障时流过2号电抗器差动TA的短路电流为37.067 kA；流过2号主变的短路电流为19.672 kA。由故障录波数据计算流过2号主变B相短路电流为17.904 kA(最大C相为19.567 kA)，录波与仿真计算结果基本吻合。

结合电抗器差动TA的10%误差曲线(见图8)，取短路电流35 kA估算，此时允许二次负荷约为12 VA，折算阻抗为0.48 Ω。而根据TA负载阻抗校验结果，交流负载阻抗分别达到1.0 Ω和1.2 Ω(见表3)。电流互感器实际负载阻抗超过保证10%误差的允许负载阻抗2倍以上，这是故障波形畸变的主要原因。

图8 电抗器差动TA10%误差曲线

2.5 保护动作过程及原因分析

结合前述分析及现场排查情况，2号电抗器和2号主变差动速断保护动作过程为10 kV电动机(4号给水泵电机)发生三相短路故障后，电流速断保护动作，70 ms内切断故障(综保整组动作时间小于35 ms，真空断路器分闸时间25～35 ms)；同时，2号大容量高速开关检测到故障，控制器发出信号驱动高速隔离器熔断(正常开断截流时间5 ms内)，但实际高速隔离器并未熔断；故障电流经2号电抗器差动TA，并穿越2号主变，因TA深度饱和，出现差流引起2号电抗器差动速断保护动作(动作差流23.03 A，整定差流20 A)，跳2号电抗器上侧开关112 A、10 kV三段工作进线开关103和10 kV四段工作进线开关104；2号主变差动速断保护动作(动作差流23.56 A，整定差流19.74 A)，跳2号主变高压侧开关1102、2号发电机开关112、2号电抗器上侧开关112 A。

对2号电抗器和2号主变差动保护而言，4号给水泵电动机三相短路属区外故障，差动速断保护本不应动作。2号大容量高速开关动作后未正常熔断桥体，致使2号电抗器未起到限制短路电流的作用，巨大的短路电流致使2号电抗器差动上下侧TA及2号主变差动厂用分支侧TA深度饱和，这是造成2号电抗器和2号主变差动速断保护动作的根本原因。

3 解决方案

3.1 拆除大容量高速开关

大容量高速开关虽然能够减少正常运行时的电能损耗，但是，如果其不能正确可靠动作，短路电流将超出设计预期，扩大故障范围，甚至可能造成设备损坏。采用爆炸桥式的大容量高速开关，其火工系统可靠性有待提高，需要定期停运设备更换瞬发电子管，也给现场运行带来不便。文献[4]对基于电磁斥力机构的高速真空断路器和基于改进型永磁操作机构的快速真空断路器从原理、技术参数和性能等方面进行了详细阐述，对基于快速真空断路器的深度限流装置进行了风险评价分析并持谨慎态度。针对该型大容量高速开关在该发电企业的运行情况(除发生不止一次拒动情况外，也曾发生充电时误动作情况)，考虑到即使采用快速真空断路器依然存在较大风险，建议采取如下解决方案：拆除该型大容量高速开关，将1000 A铝芯电抗器更换为1500 A铜芯电抗器，短路阻抗的选择要保证短路电流满足现有10 kV真空断路器开断能力为25 kA的要求。

3.2 更换电抗器差动TA二次电缆

根据差动TA负载阻抗校验结果，当控制短路水平到25 kA以下时，文献[5]推荐应根据所用保护装置的特性和可能引起的后果等因素，慎重确定互感器暂态影响的对策，必要时应选择能适应暂态要求的TP类电流互感器。而文献[6]在其条文说明中明确，110 kV及以下系统和小机组因回路时间常数较小，选择满足稳态要求的P类电流互感器即可。实际工程中，对采用继电器的差动保护TA，考虑可靠系数1.3～2.0，对微机差动保护TA，也应留有一定裕量[2]。如果考虑更换满足暂态特性的TP型电流互感器，必须将各侧TA均更换为TP型，以保证“同型”；如果仅更换单侧，将增加不平衡电流，更易造成保护误动[7]。结合现场情况，建议将截面积为4 mm2的TA二次电缆更换为6 mm2电缆，以减小负载阻抗。下面核算二次电缆更换后是否满足要求，根据计算公式[8]：

式中：Rl为导线电阻，Ω；L为电缆长度，m；A为铜导线截面，mm2；γ为电导系数，铜取57，m/(Ω·mm2)。

实际电缆长度约250 m，计算6 mm2导线电阻为0.73 Ω。全星型电流互感器接线方式下，发生三相或两相短路时的阻抗换算系数为1，考虑接触电阻取0.1 Ω，忽略综保装置差动继电器阻抗，则TA负载阻抗为0.83 Ω,满足要求并有裕量。

4 结语

差动速断保护作为差动保护的辅助，为快速切除区内严重故障提供了保障。电流互感器铁芯饱和致使传变电流波形发生畸变是保护误动的常见原因。为了防止区外故障时差动速断保护误动作，必须可靠地将短路电流限制在设计水平以下；优先选用带小气隙的TPY型电流互感器；校核互感器容量及二次负载阻抗满足误差曲线要求；对于互感器和保护装置安装距离较远的情况，优先考虑次级额定电流为1 A的互感器。如果过流倍数不大，也可选用保证稳态特性的P级电流互感器(5P20)，但应根据短路电流水平并考虑足够的可靠系数来确定其容量大小。