220 kV线路电抗器匝间保护误动作分析

张宪宝

(广东粤电珠海海上风电有限公司，广东 珠海 514000)

0 引言

海上风电是清洁可再生能源，大力发展海上风电，对保障能源供应安全、促进能源绿色转型、实现高质量发展具有重要意义。特别是当前“双碳”目标下，能源低碳转型愈加迫切，广东省作为能源消费大省，结合区域资源禀赋，大力发展海上风电或将为以可再生能源护航社会经济高速发展构建新的突破口。

海上风电送出线路继电保护的配置和性能对海上风电的发展至关重要。2020-10-29T17:27:24.065,某海风场在执行“遥控断开海风场开关站220 kV某甲线2708 开关”，220 kV 线路1 号高压电抗器B 套保护CSC-330A/N 匝间保护动作(保护动作跳风场甲线2708 开关)，由于开关已执行遥分，保护动作未改变开关状态。经事后检查，原因为B套保护CSC-330A/N 误动作。针对这起事件进行详细分析，并提出具体的应对措施。

1 事件概况

某海上风电场由220 kV 陆上开关站、220 kV海上升压站两部分组成，通过二回海底电缆连接，分别为220 kV 某甲线和220 kV 某乙线，开关编号2708，2711。陆上开关站采用单母分段接线，海上升压站采用内桥接线。1，2 号高压电抗器分别并联甲线、乙线运行，均布置于陆上开关站，一次设备主接线如图1 所示。陆上开关站IIM 配置三相电压互感器，海上风电场某甲线间隔仅配置单相(A相)电压互感器，电抗器容量为40 Mvar，额定电压230 kV，中性点直接接地。

图1 一次设备主接线示意

1.1 电抗器配置

1 号高压并联电抗器共配置2 套电量保护、1套非电量保护，保护动作均为断开2708 开关，保护配置如表1。

表1 保护装置配置表

电抗器保护采集电压取自220 kV IIM，采集电流取自电抗器首端(出线端)和末端(接地端)。双套保护零序电压3U0为外接三相电压的自产零序电压，北京四方、长园深瑞保护零序电流3I0均为外接末端三相电流的自产零序电流。

1.2 事故过程

现场完成220 kV 某甲线第一次充电启动，准备对海缆两侧开关遥分进行第二次海缆充电；对海上升压站2708 进行遥分操作，操作执行正常，继续对陆上开关站2708 遥分操作，操作执行后，1号电抗器B 套保护动作，2708 开关断开。

经分析，因遥分操作已执行，保护动作联动断开开关，实际未改变2708 开关最终状态。采集设备动作报文信息如下。

(1) 长园深瑞：保护启动时间为2020-10-29T17:27:24.066，经2.5 s 启动复归。

(2) 北京四方：保护启动时间为2020-10-29T17:27:24.065，126 ms 后匝间保护动作出口。动作值3I0为0.071 3 A，3U0为0.080 1 V。

现场检查海上风电场某甲线海缆、1 号高压电抗器外观完好，无击穿、闪络、烧弧现象；电抗器油温、绕组温度正常；对海缆、电抗器隔离摇绝缘测试，结果绝缘合格；对电抗器进行取油样分析，分析结果正常；检查电抗器气体继电器，正常无动作；检查二次回路接线正确，极性未接反。

检查保护装置各板卡正常，保护无告警或闭锁，采集回路正常并能正确反映。检查1 号高压电抗器A 套保护，显示保护启动；检查B 套保护，显示匝间保护动作。

查看相关定值结果：双套保护定值均为装置自整定(通过输入一次设备参数定值，装置自动计算整定定值，定值无须下装)，长园深瑞匝间保护零序过流定值为0.177 A，北京四方匝间保护零序过流定值为0.05 A。其余非自整定定值与定值通知单校对，均执行无误。

北京四方CSC-330A/N 保护动作时，零序电流为0.071 3 A，已达到CSC-330A/N 自整定定值，而未达到长园深瑞PRS-947S 自整定定值。

2 事故原因分析

2.1 录波数据分析

录波数据显示：陆上升压站甲线2708 开关手操跳开前，电抗器首尾端电流频率正常，其周期t1=20 ms；开关跳开后电抗器电流频率明显出现变化，经计算，其周期t2约为25 ms，结合现场的实际情况，判断应为电抗器与海缆发生了谐振；电抗器电压在开关跳开前后的频率仍维持在50 Hz，其周期t1=t2≈20 ms；开关跳开时零序电压3U0为0.3 V 左右，之后逐渐降低至0.08 V 左右，零序电流3I0从0.04 A 逐渐增大到0.14 A 左右。

故障录波信息可以分析出：当某甲线陆上2708 开关断开后，电抗器三相电流突变增大，A相由0.135 A 增大到0.219 A，B 相由0.134 A 增大到0.159 A，C 相由0.134 A 增大到0.187 A (线路三相对地电容不平衡及线路电抗器三相阻抗不完全一致造成)，并逐步下降，至断开后约340 ms时已全部低于额定电流0.133 A；同时开关断开后电流的相位和频率均发生明显变化，开关断开后电流周期26.5 ～27.5 ms；自产零序电流最大为0.145 A。开关断开前后电压无明显变化，自产零序电压始终在0.3 V 及以下，可认为是PT 及采样回路偏差。

2.2 长园深瑞PRS-747S 保护动作分析

(1) 保护起动后差流和零序差流接近0，远小于差动动作门槛，差动速断、比率差动、零序差动均不动作，保护行为正确。

(2) 启动后相电流短时大于过流保护定值0.184 A，但至保护启动后约340 ms 时，三相电流已全部减少至额定电流0.133 A 以下，过流持续时间未达到过流保护延时定值2 s，保护返回未动作出口，保护行为正确。

(3) 保护启动后自产零序电流最大值为0.145 A，小于零序过流定值0.177 A，零序过流不动作，保护行为正确。

(4) 三相电流均同时突变增大，后逐步减小，此特征不符合匝间保护动作条件。

综上，故障特征不满足长园深瑞PRS-747S保护出口条件，保护动作行为正确。上述提及的定值均为装置自整定定值。

2.3 北京四方CSC-330A/N 保护动作分析

CSC-330A/N 除匝间保护外，其余保护动作情况与长园深瑞PRS-747 一致。

根据CSC-330 A/N 保护动作报文，匝间保护动作，动作值3I0=0.071 3 A，大于“匝间保护零序启动电流”的设定值0.05 A。

CSC-330A/N 匝间保护的动作主要有以下两个条件。

(1) 匝间保护所计算的零序功率方向处于动作区之内或匝间保护配置的阻抗元件动作。

(2) 自产零序电流大于“匝间保护零序启动电流”定值。

“匝间保护零序启动电流”定值，为现场保护根据整定的电抗器参数自动整定的内部定值。该定值主要考虑保证电抗器发生小匝间短路时有灵敏度以及躲过正常运行时的最大不平衡零序电流。当装置选择自动整定时，其定值固定为max{0.2Irl2e,0.05 A}，其中Irl2e为电抗器末端二次额定电流，当计算的0.2Irl2e值低于0.05 A 时，计算值超整定下限，自整定定值取0.05 A 封底。

匝间保护零序启动电流自整定值计算如下：

故CSC-330A/N 装置匝间保护零序启动电流自整定值为0.05 A。

根据保护录波报文，CSC-330A/N 的自产零序电压经计算为0.080 1 V，小于可靠判断方向使用的零序电压门槛值5 V，因此程序自动投入电压补偿功能。而当零序电压接近零时，经过补偿后的零序电压与零序电流的方向是必然落入动作区的(满足动作条件1)，为此，匝间保护自动带100 ms的短延时。由于电抗器零序电流大于“匝间保护零序启动电流”0.05 A (满足动作条件2)的时间超过100 ms，最终导致电抗器匝间保护出口。

电抗器在与海缆发生谐振时，电抗器首尾端电流频率在38 Hz 左右，由于保护使用50 Hz 采样频率，从而方向元件在计算过程中会出现某点不满足动作区的情况，但考虑要躲扰动的原因特增加防抖处理，单个点不满足动作区时，匝间保护计时不返回。

装置自产零序电压接近于0，此刻电抗器的匝间保护基本变为零序过流，当零序电流(0.071 3 A)高于定值(0.05 A)时，最终导致匝间保护动作。

出现此次匝间保护误动作，主要存在以下4 点原因。

(1) CSC-330A/N 保护装置未能适应常规220 kV 的主接线方式(无线路三相PT)，尤其在海缆线路出现谐振时由于三相阻抗不平衡造成零序电流偏大的情况。

(2) 设计时未考虑主接线形式对CSC-330A/N 保护电气量采集需求的影响，未考虑断开断路器时电压不能正确反映谐振电压的情况。

(3) 设计选型时CT 变比选择过大导致装置自整定值偏小。

(4) CSC-330A/N 匝间保护自整定定值超限未告警或提醒，无法引起相关人员对此关注。

综上所述，判定为北京四方CSC-330A/N 匝间保护误动作。断路器断开后电抗器电流电压均在正常范围内，电抗器本体未发生故障。但由于保护装置采集电压未能正确反映线路开关断开时电抗器首端实际电压，自产零序电流高于定值，导致零序功率方向继电器动作，误判定为本体区内故障。

3 整改措施

3.1 现场临时措施

结合分析，将CSC-330A/N“自动整定定值”由“1”置为“0”，采用固定值，同时对保护的“匝间保护零序启动电流”进行修改，考虑1.5 的可靠系数，修改后的数值为0.21 A。其他定值不变，与自动整定结果一致。

3.2 下一步工作计划

(1) 对CSC-330A/N 保护装置版本进行更新，在通过相关测试后取得新的版本号及校验码，重新下装到现场保护装置。

(2) 增强电气人员对设备的隐患排查治理能力，加强人员技能培训工作。

(3) 对修改后的定值重新计算校对检验，确保定值的准确性。

4 结束语

随着调度自动化的高度发展以及用户对电能质量要求不断提高，电抗器广泛应用于电厂供电线路中。通过对该起电抗器匝间保护误动作事件的分析与排查，可见设备本体和产品软件对安全生产有着重要的影响，设计不当或者设备修改、选型、升级不当均可给设备安全运行埋下隐患。此次事故后，对该厂设备定值管理缺陷进行了整改，截至目前，再未发生此类事故，消除了发电安全隐患，保障了电网的安全运行。