高压厂变有载合闸时的差动保护误动作分析

李军保

（浙江省能源集团有限公司，杭州310007）

高压厂变有载合闸时的差动保护误动作分析

李军保

（浙江省能源集团有限公司，杭州310007）

分析了一起厂用负荷由起备变低压侧切到高压厂变低压侧时，高压厂变差动保护误动的案例，结果表明由于起备变和高压厂变低压侧电压之间相位差较大，导致切换过程中产生了有载合闸励磁涌流，衰减直流分量使电流互感器局部暂态饱和，两侧校正电流出现了较大的相位偏差，从而产生了差动电流，导致比率差动保护动作。为了防止再发生类似事故，可采取提高厂变比率差动保护启动定值或二次谐波综合制动等技术措施。

变压器；差动保护；励磁涌流；有载合闸；二次谐波制动

长期以来，励磁涌流一直是变压器纵联差动保护研究的焦点，国内外学者进行了大量的研究，提出了很多防止励磁涌流导致变压器差动保护误动的判据，如二次谐波制动法、波形对称法、间断角原理和等效瞬时电感判别法等[1-3]，但研究的重点大多集中在空载合闸励磁涌流或和应涌流上，而对于有载合闸励磁涌流则研究较少[4-5]，尚未引起足够重视。

本文分析了一起高压厂用变压器（简称高压厂变）有载合闸励磁涌流导致变压器差动保护误动的案例，根据合闸过程中励磁涌流的特征，提出防止变压器差动保护误动的几项技术措施。

1 保护误动概况

某发电厂34号起备变保护改造施工结束，进入34号起备变带负荷试验，在4号机带负荷试验完成后，6 kV 4A段厂用负荷由34号起备变切至4A高压厂变（如图1所示），厂用电快切装置采用并联切换方式，6 kV工作段4A进线开关合闸后，4A高压厂变第二套差动保护动作跳闸。

对保护装置进一步检查发现，4A高压厂变第2套保护装置T60的B，C相差动保护均启动，其中C相差动只启动未出口，B相差动约7.5 ms后动作出口；检查4A高压厂变第1套T60的事件记录，发现B相差动保护启动，但是未出口。由于2套变压器差动保护只有1套动作，根据以往经验，初步判断第二套T60动作不正确。

图1 厂用负荷的切换示意

2 保护录波数据分析

4A高压厂变采用DY-1接线方式，容量为34 MVA，电压变比为22/6.3 kV，高压侧TA变比1500/5 A，低压侧TA变比5000/5 A。经计算，高压侧二次额定电流为2.97 A，低压侧二次额定电流为3.12 A。

T60变压器比率差动保护定值为：启动定值0.2 pu（相当于0.34Ie），比率制动斜率0.25，二次谐波制动系数15%，采用分相制动方式。

保护装置记录下了高压厂变的高、低压侧电流波形，如图2和图3所示，高压厂变高压侧电流中含有明显的衰减直流分量，并且衰减的速度比较慢，高压厂变低压侧电流发生了比较明显的畸变。高压厂变低压侧相间电压没有明显变化，不具有故障特征。

高压厂变差动电流计算采用Y→Δ相位转换方式，以高压厂变高压侧为基准，高压侧平衡系数为1，低压侧平衡系数为0.952，高、低压侧校正电流及三相差动电流波形如图4和图5所示。可见，高压厂变三相差动电流均完全偏向横轴一侧，含有明显的衰减直流分量。

由图4可见，高压厂变高、低压侧校正电流之间产生了一定的相位偏差（正常运行情况下，两者之间的相位差应为180°），采用傅立叶算法计算的三相校正电流相位差如图6所示。可见，高、低压侧B，C相校正电流之间的相位差偏离180°接近20°，A相的偏差要小得多。

图2 高压厂变高压侧三相电流波形

图3 高压厂变低压侧三相电流波形

图4 高压厂变高、低压侧校正电流波形

图5 高压厂变三相差动电流波形

图6 高、低压侧校正电流之间的相位差

图7 高、低压侧校正电流的基波幅值

高、低压侧校正电流的基波幅值计算结果如图7所示。由图7可见，高、低压侧A，B两相校正电流之间产生了比较大的幅值偏差，而C相比较接近，再考虑到两侧B，C两相校正电流的相位差比较大，最终产生了比较大的B相差流。

三相差动电流基波幅值与比率差动的动作门槛之间的关系如图8所示。可见，B相差动电流满足了比率差动保护的动作条件。

图8 差动电流与比率差动保护实时动作门槛的关系

变压器差动保护还需要经二次谐波制动，三相差流的二次谐波幅值I2ω与15%的基波幅值I15%的关系如图9所示。

图9 三相差流的二次谐波幅值与15%的基波幅值的关系

由图9可见，B相差流最大的时段，二次谐波制动只开放了不到10 ms，第二套差动保护并没有动作，随后B相差流的基波分量开始衰减，二次谐波分量也在衰减，并且二次谐波衰减的速度比基波快得多，最终导致B相差流中的二次谐波含量低于15%，由于T60选择了分相制动方式，因此，满足了比率差动保护动作条件。

当然，如果采用单相制动三相的方式，能够防止误动，但该方式可能导致变压器空投于内部故障时延缓动作甚至拒动，因此，不值得推荐。

国内有保护厂家采用如式（1）所示的二次谐波综合制动判据[6]：

式中：IA2ω、IB2ω和IC2ω分别为三相差流的二次谐波幅值；IAω、IBω和ICω分别为三相差流的基波幅值；k为二次谐波制动系数定值。

k值一般整定为15%，当三相差流的二次谐波最大值与三相差流基波最大值的比值超过二次谐波制动系数时，闭锁比率差动保护。综合制动方式的制动效果介于分相制动和单相制动三相之间，能够兼顾防误动和防拒动。

由图8和图9可见，本案例中三相差动电流基波最大相为B相，而二次谐波的最大相为A相，因此，A相差流二次谐波幅值与B相差流基波幅值的比值必然大于图9中B相差流的二次谐波含量而实现制动。

3 分析结果与改进措施

经确认，厂用负荷切换前高压厂变低压侧与起备变低压侧电压之间有超过16°的角差，而正常时角差一般不超过11°，当厂用负荷由起备变低压侧切换到高压厂变低压侧时，高压厂变等效励磁电感上的电压出现了非周期的波动，产生了有载合闸励磁涌流（与和应涌流的产生机理类似，都是由于公共母线电压非周期的变化引起的[2]），使得高压厂变高压侧电流中含有衰减速度很慢的直流分量，导致高压厂变两侧电流互感器局部暂态饱和，两侧校正电流之间出现了相位差，从而产生了幅值并不是很大的差动电流。

由于该过程中相电流并没有明显增大，差动保护的制动电流不大，B相差动电流处于比率制动曲线之上，并且B相差动电流的二次谐波含量不高，采用的又是分相制动方式，B相比率差动无法实现制动，使得变压器差动保护发生误动。

由于进口差动保护没有二次谐波综合制动方式，为了防止再发生类似误动情况，可采取以下技术措施：

（1）适当提高高压厂变比率差动保护的启动定值。

（2）将二次谐波制动方式由“分相制动”改为“单相制动三相”。

[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社，1996.

[2]袁宇波，李德佳，陆于平，等.变压器和应涌流的物理机理及其对差动保护的影响[J].电力系统自动化，2005，29（6）∶9-14.

[3]毕大强，孙叶，李德佳，等.和应涌流导致差动保护误动原因分析[J].电力系统自动化，2007，31（22）∶36-40.

[4]翁汉琍，林湘宁，刘沛.变压器有载合闸时纵联差动保护误动的分析[J].中国电机工程学报，2006，26（20）∶27 -31.

[5]林湘宁，刘沛，刘世明，等.变压器有载合闸的超饱和现象及对变压器差动保护的影响[J].中国电机工程学报，2002，22（3）∶6-11.

[6]许正亚.变压器及中低压网络数字式保护[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

（本文编辑：杨勇）

Analysis on Mal-operation of Differential Protection of High-voltage Auxiliary Transformer During On-load Switch-in

LI Jun-bao
（Zhejiang Provincial Energy Group Company Ltd.，Hangzhou 310007，China）

This paper introduces a case of mal-operation of auxiliary transformer differential protection during the auxiliary load is switched from low voltage side of standby transformer to that of auxiliary transformer.The analysis results show that the phase difference between low voltage side of standby transformer and low voltage side of auxiliary transformer causes excitation surge current during the switching.The partial transient saturation of the current transformer due to the slowly attenuated direct component of the surge current and significant phase difference of correcting current at both sides that causes differential current are main reasons of mal-operation of differential operation.In order to prevent the next reoccurrence of similar accidents,measures such as elevation of ratio differential starting value and comprehensive harmonic restraint mode may be taken.

transformer；differential protection；excitation surge current；loaded transformer energization; second harmonic restraint

TM771

：B

：1007-1881（2013）07-0018-04

2013-01-29

李军保（1965-），男，浙江仙居人，高级工程师，主要从事发电厂电气专业技术管理工作。