一起220kV主变跳闸事件的分析

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[摘 要]本文研究了一起变电站内220kv主变跳闸事件。根据监控系统信号、保护动作检查情况、故障录波图、一、二次设备检查情况，对保护动作行为进行了详细分析。结合系统中性点接地方式的变化而引起零序网络的改变，对保护动作的正确性加以论证。同时对主变差动保护、间隙零序保护等原理作出动态、深度的分析。

[关键词]差动保护；零序网络；中性点接地；间隙零序保护

中图分类号：R331.5+3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0116-02

引言

某地区雷雨交加，冰雹袭击，强对流天气先后造成该220kV变电站#3主变变中A相接地故障、#2主变变中A相接地故障，引起#3、#2主变差动保护动作，跳开主变各侧，现对该起主变跳闸事件进行分析。

1 主变跳闸事件简要经过

1.1 故障前运行方式：（见图1）

220kV 1M、2M母线并列运行；#3主变压器变高、变中中性点地刀合上，#1、#2主变压器变高、变中中性点地刀打开；110kV 1M、2M、5M、6M母线并列运行：

1.2 故障经过：

06：03：57：429，#3主变差动1保护动作；

06：03：57：429，#3主变差动2保护动作；

06：03：57：472，#3主变变中103开关断开；

06：03：57：474，#3主变变高2203C相开关断开；

06：03：57：475，#3主变变高2203A相开关断开；

06：03：57：477，#3主变变高2203B相开关断开；

06：03：57：479，#3主变变低503开关断开；

06：03：59：061，#2主变差动1保护动作；

06：03：59：061，#2主变差动2保护动作；

06：03：59：092，#2主变变高2202C相开关断开；

06：03：59：093，#2主变变高2202A相开关断开；

06：03：59：096，#2主变变高2202B相开关断开；

06：03：59：104，#2主变变中102开关断开；

06：03：59：119，#2主变变低502开关断开；

1.3 保护故障信息

该变电站#2、#3主变配置双重化保护，南瑞继保RCS-978G2型主变保护装置。

#3主变压器变高A相故障电流3264A；变中A相故障电流9372A；差流值为9.22Ie（定值：差动起动电流0.5Ie，差动速断电流5.0Ie），差动保护在06：03：57：009 启动，分别经415ms（差动速断）、422ms（工频变化量差动）、423ms（比率差动），跳主变三侧。

#2主变压器变高A相故障电流2008A；变中A相故障电流4500A；差流值为7.46Ie（定值：差动起动电流0.5Ie，差动速断电流5.0Ie），差动保护在06：03：58：778启动，分别经278ms（差动速断）、284ms（工频变化量差动）、285ms（比率差动），跳主变三侧，故障录波如图2、图3所示。

2 故障类型确定及故障点位置初步判断

当主变保护动作跳闸，可通过电压变化来判断一些常见的故障类型，并确定故障点位于哪一相、哪一侧：1、接地故障相的电压幅值最小，相间短路故障相的电压几乎相等；2、电压突变量最大的一侧是故障侧；3、假如各侧的电压突变量差不多，证明故障点位于电源侧，因为电源侧电压变化会导致负荷侧电压相应变化。

比较#2、#3主变压器保护动作时三侧电流、电压录波图发现，变中A相电压幅值最小，B、C相电压基本正常，零序电压约为64V（见图2、图3），可判断#2、#3主变压器故障均为变中（110kV侧）A相接地故障。

3 确定故障点位置

通过对#3主变差动保护动作信息及录波图的分析，判断故障点位于主变差动保护区内，即变中区内故障。

3.1 根据差动保护的特点判断（以下均以二次电流、电压作分析）

从#3主变差动保护动作录波图（图5）得知，差动保护在06：03：57：009 启动，变高（220kV侧）开关CT采样IA1、IB1、IC1，变中（110kV侧）开关CT采样IA3、IB3、IC3均有电流，且两侧电流方向相反、大小一致，差流（DIA、DIB、DIC）为零，根据差动保护原理得知（见图4），保护启动是由外部故障引起。启动375ms后，变中A相电流方向变为与变高A相电流相同，导致A相差流陡增至9.22Ie（有效值），差动速断保护动作跳闸。由此可见，变中A相电流反向流入主变压器，证明故障点位于区内[1]。

3.2 根据变中零序电流判断

见图3，#3主变的变中开关CT零序电流为零，变中中性点电流很大，通过这种特征也可判断故障点位于变中区内。

见图6，当故障点位于变中区内，即变中开关CT至变中中性点之间区域内，由于该变电站#1、2主变中性点均不接地，且110kV线路对侧为中性点不接地系统，因此在故障点的110kV母线侧，零序回路不通，变中开关CT无零序电流，零序电流只流入主变变中中性点（如图7）。反之，若故障点位于变中区外，则零序电流必须通过开关CT流入变中中性点。因此，当开关CT无零序电流，而主变中性点有电流时[2]，证明故障点位于区内。

3.3 #2主变故障点确定

#2主变差动保护动作的录波数据与#3主变的相似，故障电流较小，原因是主变跳闸后，该站110kV侧变为中性点不接地系统，#2主变变中区内又发生A相接地故障，主变中性点电压抬高，中性点间隙击穿，同理，#1主变变中中性点间隙也同时击穿，故障点与两台主变中性点间隙分别构成零序回路。变中电流反向流入主变，证明故障为变中区内故障。

4 关于非故障相有差流的疑问

从#3主变差动保护动作录波图（图5）可看出，启动375ms后，除A相外，B、C相也有差流，这是为什么呢？

4.1 差动保护对参与差流计算的各侧电流作了调整

针对主变各侧存在接线方式不一样的情况，如Y0-，Y-，Y0-Y-等接线方式，为抵消Y-变换给差动保护带来的角度差，微机保护对主变参与差流计算的电流均作调整。不同保护厂家、型号的调整方式可能有所区别，主要有以下两种，Y->变换（多数保护采用），->Y变换（RCS-978保护采用）。

RCS-978保护对主变各侧二次电流的相位进行软件调整，采用->Y变换调整差流平衡（以Yd11接线方式为例），在Y侧，I’=I-I0；在侧，Ia’=（Ia-Ic）/ ，Ib’=（Ib-Ia）/，Ic’=（Ic-Ib）/ 。

对于降压变来讲，Y侧一般为变高侧，若把Y0侧电流经过Y->变换（如Ia’=（Ia-Ib）/），空载涌流产生的谐波分量将减小，降低涌流谐波制动的灵敏度。而采用->Y变换的方式来抵消角度误差，则可避免上述不良影响，但后果是Y侧的零序电流保留了下来，当Y0侧区外发生接地故障时，Y0侧开关CT的零序电流不能被抵消，导致差流中含有零序电流，保护可能出现误动，因此，需在Y侧作I-I0的处理。

4.2 A相接地时参与差流计算的各侧电流情况

由于故障为变中区内A相接地，根据上文分析，变中开关CT无零序电流，只有正、负序电流。因此变中开关CT电流：Ima1=Ima2，Ima=Ima1+Ima2=2Ima1，Imb=ej（-120°）Ima1+ ej120°Ima2=-Ima1，Imc=ej120°Ima1+ ej（-120°）Ima2=-Ima1。由于I0=0，所以经I-I0调整后不变，I’ma=-2I’mb=-2I’mc，如图5。

变高开关CT电流含有正、负、零序分量，其中Iha1=Iha2，Iha=Iha1+Iha2+I0=2Iha1+I0，Ihb=ej（-120°）Iha1+ ej120°Iha2+I0=-Iha1+ I0，Ihc=ej120°Iha1+ ej（-120°）Iha2+I0=-Iha1+I0。经I-I0调整后，I’ha=2Iha1，I’hb=-Iha1，I’hc=-Iha1，I’ha=-2I’hb=-2I’hc，如图5。

4.3 差流的产生

根据变高、变中开关CT调整后电流，DIa= I’ma+ I’ha=2（Ima1+ Iha1）=2Ia1=2I0，DIb= I’mb+ I’hb= -Ima1- Iha1= -Ia1=-I0， DIc= I’mc+ I’hc= -Ima1-Iha1= -Ia1=-I0，如图5。

根据以上分析，当变中区内A相接地故障时，差动保护B、C相均有差流，且满足DIb=DIc=-I0。

5. 主变间隙的作用

当#3主变跳闸后，该变电站变为失地系统，为什么#2主变变中发生单相接地故障时，差动保护会动作？间隙零序过流过压保护反而不动作？

220kV变电站采用部分中性点接地方式，每条母线通常只允许有一个接地点，可减少接地时的短路电流，实现简单可靠的零序保护，同时开关遮断容量不受单相接地电流的限制。从零序保护角度分析，在考虑变压器中性点接地位置和数目时，一般应使零序电流的分布尽可能保持不变或变化较小，保证零序保护有足够的灵敏度和不使变压器承受危险的过电压。在变压器中性点经避雷器加放电间隙接地方式中，避雷器应承担变压器中性点的雷电过电压保护，而放电间隙则需保证失地系统存在接地故障时保证电站避雷器运行安全。据此，变压器中性点放电间隙动作条件可以描述为[3]：

l）接地变压器跳开前，在系统最高运行电压下发生接地故障时，间隙不误击穿。

2）接地变压器跳开导致系统失地后，在系统允许的最低运行电压下发生接地故障时，间隙可靠击穿。