一起10kV线路近区故障引起主变差动保护误动的分析

李东波

（云南电网有限责任公司红河供电局）

0 引言

主变压器是变电站或者单位用来输变电的一个总升（降）压变压器，此为变电站的核心环节。主变保护是主变压器的可靠性保障，然而，因线路运行期间动荡或者设计、安装问题，会存在向保护装置传递错误信号的可能性[1]。近年来，我国电力技术水平不断提升，变压器一、二次设备也越来越完善，电网安全性也随之增加。继电保护装置从以往的电磁式升级为微机型，保护装置工艺、结构以及逻辑复杂性不断提升，但对于电力系统来说，继电保护设备可靠性依旧是重中之重[2]。本文基于主变电器在电力系统内所承担的职责，分析一起10kV线路近区故障引发主变差动保护误动的实际案例，并提出有效的解决方案。

1 主变压器在电力系统中的职责

基于功能用途、用电量和所处环境等具体要求，通常配电系统需要应用结构类型与数量都比较合适的主变压器，以承担电压转换功能，有助于科学合理调配与控制变电站设备，此为变电站的一种核心设备[3]。第一，电压数值变动控制环节，主变压器充当变电主要设备，对电能输送与转换具有辅助作用，能够满足电力系统中所连接用户与设备的多样化需求，而且还能对电压等级进行变换，为传送过程中的数值精准性提供保障，实现电压运送效率的提升，防止出现重过载风险[4]。第二，电力设备调配控制环节，因为电力设备内部线圈特殊结构，便于针对设备性能持续调整电能供应，确保额定功率、输送电压以及实际功率等处于正常范围内，进而对变电站设备提供安全保护[5]。

2 一起10kV线路近区故障引起主变差动保护误动的案例

2.1 故障概况

2021年3月4日16时27分，某10kV线路088断路器过流Ⅰ段保护跳闸，110kV #2主变低后备保护装置发“复压过流Ⅰ段1、2时限保护启动、复压过流Ⅱ段1、2时限保护启动、复压过流Ⅲ段保护启动、复压过流Ⅳ段保护启动”，#2主变差动保护装置发“差流越限报警启动”、“C相比率差动保护动作”、“低压侧TA断线启动”，某10kV线路088断路器一次重合闸动作成功。10kV备自投装置出现“桥备投合桥开关动作”、“桥备投跳主电源开关动作”以及“桥备投成功”，接下来，某10kV线路088断路器出现二次动作跳闸；#1主变低后备保护装置发“复压过流Ⅱ段1、2时限保护启动、复压过流Ⅰ段1、2时限保护启动、复压过流Ⅲ段保护启动以及复压过流Ⅳ段保护启动”，之后35kV备自投装置显示“桥备投合桥开关动作”、“桥备投跳主电源开关动作”以及“桥备投成功”，见图1。

图1 线路近区故障示意图

2.2 现场检查原因和处理情况

经检修人员检查发现事件原因为：#2主变10kV侧002断路器C相电流互感器差动回路绕组C4141-1：3与N4141-1：6接线端子因工艺不良长期相互挤压，导致绝缘胶套受损，在某10kV线路088短路的故障大电流的冲击下，C相与N端挤压部位击穿，引起分流作用，影响主变差流平衡，主变差动差流越限，导致主变比率差动保护动作跳闸，见图2。检查2号主变本体油枕油位、套管油位，均处于正常状态，没有渗漏油情况发生，且油温、绕温正常。经化验主变本体油样，结果显示为合格，对#2主变瓦斯继电器进行检查，结果为正常，没有气体产生。技术人员查看后台的SOE故障数据记录发现，在某瞬间线路保护动作出口位置，跳开088断路器，而主变差动速断保护出口在某瞬间跳开002断路器。基于以上情况能够判断出，发生故障的原因是#2主变10kV侧002断路器C相TA差动绕组与N端挤压部位击穿，引起分流作用，影响主变差流平衡，主变差动差流越限，导致主变比率差动保护动作跳闸。

图2 故障具体位置

2.3 故障波形分析

通过观察图3发现，在最初出现故障的情况下，2号主变高压侧中的A、B及C的三相电流偏向时间轴一侧非常严重，可以看出故障最初产生时，存在非常大的直流分量，其中A相电流与C相电流的幅值显著大于B相电流，其原因在于A电流和C电流相间出现故障。然而，波形并未畸变，可见电流互感器铁心不饱和，而且CT有着优良的传变性能。

图3 088断路器电流波形

观察图4发现，#2主变低压侧的A相电流与C相电流在首周波的前半周波向时间轴一侧偏离非常严重，可见存在较大的直流分量。然而，波形并未畸变，所以A相电流和C相电流出现故障后，并未即刻进入饱和状态，第二周波才会逐渐饱和，而且故障电流在首周波内出现的磁通，还不能使TA形成饱和状态。峰值附件是饱和畸变发生，另一侧峰值近区退出饱和，时间在1/4个周波左右。

图4 002断路器电流波形

依照装置说明书具体要求，设备装置采样值应超过差动速断定值，而且还要持续大约10ms，该情况下的差动速断方可动作出口，A相差电流值在53s062ms时达到13.856A的基波幅值，而在53s076ms的位置则达到15.632A的基波幅值，在该时间范围内，电流表现为持续升高趋势，也就是说，差动电流值比差动速断定值大，并且持续10ms左右，差动速断保护动作。

故障发生过程中，各次谐波与低压侧直流分量占比都非常小，直流分量值最大出现在故障第一周波前半周波，其中A相电流值最大，占比80.91%，在该直流分量情况下，#2主变低压侧很容易出现饱和。自第二个周期起，电流互感器会进入深入饱和状态，电流谐波含量明显比故障前大，因为衰减直流分量在暂态饱和情况下所产生的影响，二次电流谐波主要是偶次，最大二次谐波出现在差动速断保护动作出口时，此期间的C相电流值二次谐波分量为56.55%。

综合以上分析，在故障最初发生的时间段，谐波具有相对较小的含量，深入饱和后，达到最大二次谐波有效值，在基波幅值中的占比约56.55%，而三次谐波占比则在16.48%左右，五次谐波在7.42%左右，偶次谐波值显著比奇次谐波值大。以上故障谐波与录波波形分析符合实际波形与谐波分析现状。所以得出结论，造成#2主变差动速断保护误动的因素主要在于，10kV线路故障还没有彻底切除的情况下，#2主变低压侧002CT存在暂态饱和，造成低压侧波形畸变，而且低压侧二次电流无法将一次电流精准反应出来，所产生差流比较大，造成C相电流的瞬时值为21.91A，比13.7A的差动速断定值大，持续时间也在10ms以上，由此引发差动速断动作。

3 处理措施

3.1 提升P级电流互感器稳态性能

低于220kV电压等级P级电流互感器选型过程中，通常仅对电流互感器自身稳态性能加以考虑，而P级互感器达到普通验算的稳态性能要求，且准确限值系数比较低与系统容量增大的情况下，必须补充验算实际准确限值系数曲线与额定二次极限电动势。额定二次极限电动势要保证比保护校验所需二次感应电动势大。如果增加准确限值电流有具备饱和可能的情况下，二次基线电动势法则不符合其要求，应该基于厂家所提供精确的误差曲线，根据实际二次负载，对真实的准确限值系数进行查阅。工程应用实践中，若电流互感器稳态性能由于母线短路容量和原有设计水平相接近，而无法满足实际要求的情况下，应降低二次负载或者二次负载容量，以符合基线电动势法计算要求，使电流互感器应用稳态性得到持续提升，最终解决互感器暂态饱和问题[6]。

本文所提到的故障案例，额定二次准确限值系数是20，容量值在20VA，根据性能验算，与互感器稳态性要求相符合。为实现互感器抗饱和性能的提升，应基于现场运行实际，二次侧与同型号电缆相连接，以降低电流互感器在暂态下的饱和程度。

3.2 选择PR级或者TPY级的电流互感器

通常来说，TPY级电流互感器存在气隙保护暂态特性，且铁心内部气隙会导致磁阻的持续增加，降低电势相等情况下的铁心磁通数值，由此就很难使电流互感器饱和。然而，500kV电压、220kV线路的电流互感器，会选择与暂态饱和相满足的TPY级电流互感器[7]。P级的电流互感器之所以能达到饱和状态，主要是铁心铁磁材料存在非线性励磁特征，也就是说，在设备运行过程中，铁心磁通密度会比拐点电压对应密度值大，在电流传变情况下，铁心磁通的密度会比材料饱和磁通密度大，这是导致电流互感器饱和的主要原因。

此外，P级电流互感器通常不会限制剩磁，系统短路故障发生的情况下，互感器铁心剩磁能够超过80%，故障出现后，互感器可能会在短时间内出现饱和状态。而PR级电流互感器则会对剩磁系数产生限制，因为铁心本身有小气隙，铁心剩磁系数在10%以内，外形尺寸、符合误差和重量等接近P级电流互感器，而且价格比P级要高，但比TPY级互感器低，所以可选择PR级电流互感器，从而消除剩磁影响系统保护的情况[8]。

3.3 选择抗饱和能力强的保护装置

通常主变保护装置会选择CT饱和判据，以避免变压器区外故障出现后，CT饱和导致差动保护误动作，CT饱和判据原理如下：通过铁磁元件B-H曲线能够得出，区外故障起始和电流过零点时，CT会有线性转变区，所以，区外故障CT出现饱和的情况下，差动电流波形会有间断。通过时差法，对变压器区外故障进行判断，若判断结果显示差动电流间断，需要闭锁差动保护。通过CT饱和识别专利技术，不仅能够避免区外故障保护误动，而且能够确保区外故障与区内故障演变成区内故障快速动作。在常规差动速断保护方面，选择半波积分法对差流进行计算，并实施工频量差动速断保护，工频量差流算法选择全周傅里叶算法，自主变侧电流采样值内将工频量提取出来，再计算电流工频量的和，最后得出差流有效值。

总而言之，对于已经投入运行的变电站，将同型号二次电缆并联在CT二次电缆中，是有效、经济的一种方案，如果想有效解决互感器暂态饱和问题，应以PR级互感器取代P级电流互感器，也可更换抗饱和性能更高的主变保护装置。

4 结束语

综上所述，电力系统安全和平稳运行，在很大程度上影响着我国国计民生，区域电力系统工作中，主变保护能够维持功能稳定，而且发挥着不可缺少的作用，特别是日常运行期间，为防止发生保护拒动或者误动，而导致事故范围的增加，专业人员应定期做好电力系统的维护试验，科学判断保护误动现象，及时制定防范与故障解决方案。除此之外，变电站检修人员应不断提升自身业务技能水平，对于装置严守与调试的质量关卡要严格把守，特别是新安装调试，必须严格根据定制单内容谨慎调试，确保数据准确和项目齐全。在设定主变保护定值环节，要对整定规程严格执行，定值单位标称、内容与数值必须符合设备要求，防止出现误整定事故，为电力系统稳定运行提供安全保障。