一起主變電抗器開(kāi)關(guān)故障跳閘的分析及處理

作者簡(jiǎn)介：馮躍亮（1977—），男，浙江嘉興，工程師，主要從事電力工程及其自動(dòng)化的研究。

王偉嘉（1994—），男，浙江嘉興，助理工程師，主要從事變電運檢方面的研究。

周剛（1966—），男，浙江湖州人，高級工程師，高級技師，主要從事電氣試驗方面的研究。

電力系統中由于發(fā)生故障，繼電保護裝置會(huì )作用于斷路器，將故障部分從電網(wǎng)中迅速切除，保證電網(wǎng)的無(wú)故障部分正常運行。電流互感器作為電力數據的采集單元，對繼電保護裝置的準確動(dòng)作起到至關(guān)重要的作用，如果電流互感器存在問(wèn)題，就會(huì )引起斷路器的誤動(dòng)作，影響電網(wǎng)的安全穩定運行。為了避免此類(lèi)事故的發(fā)生，需要嚴格把關(guān)電流互感器的設備質(zhì)量，提升對關(guān)鍵電氣參數的重視，保證電網(wǎng)的供電可靠性。

1   事件概況

調度監控在A(yíng)VC 投入某變電站主變電抗器后，其保護動(dòng)作跳開(kāi)電抗器斷路器?，F場(chǎng)檢查主變低抗A 相比率差動(dòng)保護動(dòng)作（動(dòng)作值0.5Ie，Idc = 0.579Ie），保護正確動(dòng)作。運維人員對一、二次設備初步檢查未見(jiàn)異常。

2   設備情況

該電抗器為BKS-60000/35 型三相一體油浸式電抗器，于2017 年8 月1 日生產(chǎn)，2018 年3 月27 日投運。該電抗器為前置投切方式，投切開(kāi)關(guān)為L(cháng)W36-72.5W/T4000-50型彈簧開(kāi)關(guān)。電抗器采用差動(dòng)保護，電抗器首端采用獨立流變，互感器為L(cháng)B6-35W3 型油浸電流互感器，電抗器尾端電流互感器采用套管流變，電抗器接入差動(dòng)保護的電流互感器次級采用5P30。該電抗器接入AVC 后平均每天投切一次，至今未見(jiàn)異常。

3   檢查分析與處理情況

為查明異常原因，對一、二設備展開(kāi)檢查與數據分析工作。

3.1 一次設備檢查情況

在設備跳閘前，該組電抗器結合檢修開(kāi)展過(guò)一次檢修試驗，電抗器試驗^[1]（包括絕緣電阻、吸收比、泄露電流、直流電阻等），試驗情況正常，試驗結束后電抗器正常復役。

故障跳閘后，對該組電抗器取油樣。油樣呈透明狀，無(wú)雜質(zhì)或懸浮物。油中酸性產(chǎn)物會(huì )使其導電性增高，降低油的絕緣性能，高溫時(shí)會(huì )加快絕緣材料老化和腐蝕。如果油的含水量增加，也會(huì )導致絕緣性能下降并促使油老化。測試介質(zhì)損耗因數可以判斷油老化與污染程度。擊穿電壓可以檢驗油耐受極限電應力的情況，若油中存在雜質(zhì)顆粒會(huì )對擊穿電壓產(chǎn)生較大影響。油色譜分析能夠分析油中溶解的氣體，判斷潛在放電、過(guò)熱等故障。經(jīng)過(guò)試驗測定，電抗器油樣情況正常。

3.1 二次設備情況分析

1）差動(dòng)保護是比較電力設備流入和流出電流的大

小和相位構成的一種保護。在理想情況下，當電力設備正常運行或發(fā)生外部故障時(shí)，流經(jīng)差流回路的電流為0，而實(shí)際上由于磁飽和特性、勵磁電流等因素的影響，差流回路一定存在不平衡電流，一旦其超過(guò)差動(dòng)繼電器的動(dòng)作整定值時(shí)，會(huì )導致差動(dòng)保護的誤動(dòng)作。為了防止區外故障時(shí)微機保護的誤動(dòng)作，往往采用比率差動(dòng)式繼電器，其動(dòng)作電流隨不平衡電流的增大而按比率增大，并且增速也快于不平衡電流^[3]。比率差動(dòng)動(dòng)作曲線(xiàn)的原理圖如圖1 所示。

圖1 比率差動(dòng)動(dòng)作曲線(xiàn)

當發(fā)生區外故障時(shí)，如果短路電流增大，制動(dòng)電流也隨之增大，從而防止了區外故障時(shí)發(fā)生差動(dòng)保護的誤動(dòng)作。對保護動(dòng)作行為進(jìn)行分析，該電抗器保護取首端獨立電流互感器電流與油抗尾端套管電流互感器電流做比率差動(dòng)保護。根據獲得的保護波形記錄，電抗器保護比率差動(dòng)動(dòng)作時(shí)，A 相差流達到0.579Ie，大于差動(dòng)動(dòng)作值Icdqd=0.5Ie，滿(mǎn)足保護動(dòng)作條件，保護動(dòng)作行為正確。

2）分析電抗器的合閘波形，通過(guò)現場(chǎng)檢查開(kāi)關(guān)跳閘當天該電抗器投入后保護錄波波形，如圖2 所示，三相電流均偏向時(shí)間軸一側，其中A 相偏移程度最大，即出現較大的直流分量，同時(shí)首端電流中二次諧波含量比較大，導致這一現象的原因是：電抗器作為電感元件，電流不能突變，在合閘瞬間電流只能從零緩慢上升，如果合閘角合適（電壓角度為90°或270°，電流角度為0°或180°），那么電流正好經(jīng)過(guò)0 點(diǎn)，波形完全對稱(chēng)；如果合閘瞬間電流角度不在0°或180°，那么電流將從零點(diǎn)開(kāi)始慢慢爬升，根據 ，電流將在電壓等于0°或180°時(shí)爬到峰頂，由此導致電流偏于時(shí)間軸一側。觀(guān)察圖2 波形，三相電流峰峰值基本一致，僅有波形整體偏移的區別，首端波形與尾端波形對比分析來(lái)看，首端波形的畸變明顯較尾端電流互感器大。

電流互感器采樣波形產(chǎn)生畸變的原因有以下幾種：

①一次電流本身含有高次諧波。理想的電流波形為正弦波，而由于高次諧波的頻率和幅值與基波的差別使得波形疊加后產(chǎn)生一定程度的畸變，因此電網(wǎng)運行時(shí)需要采取消除諧波的措施。

②鐵芯處于弱磁區。根據磁化曲線(xiàn)可知，當磁場(chǎng)較弱時(shí)互感器的鐵芯處于非線(xiàn)性區間，此時(shí)電流容易發(fā)生畸變。

③鐵芯處于飽和區。當鐵芯處于飽和狀態(tài)時(shí)，磁通量不會(huì )有較大變化，電流互感器的電流波形會(huì )產(chǎn)生畸變效應。發(fā)生飽和的原因有一次電流過(guò)大、二次負荷過(guò)大、直流偏磁等。

圖2 電抗器跳閘保護動(dòng)作錄波

圖2 中，IA1.IB1 和IC1 為電抗器首端電流互感器電流，IA2.IB2 和IC2 為電抗器尾端套管電流互感器電流，正常首端和尾端電流互感器方向均指向電抗器。正常情況首端電流互感器與尾端電流互感器電流之和為零。

進(jìn)一步對該組電抗器其他的投切時(shí)段的波形展開(kāi)分析，如圖3 所示。圖3 中電抗器投入時(shí)刻，B、C 相電流同樣出現明顯的偏移，保護內部錄波B 相差流值基波分類(lèi)最大0.605Ie，此時(shí)制動(dòng)電流不滿(mǎn)足動(dòng)作條件，保護未動(dòng)作。進(jìn)一步分析其他月份幾次投切情況，均有類(lèi)似情況，電抗器投切時(shí)首端電流互感器的波形畸變均比較明顯。

圖3 電抗器未跳閘時(shí)投入保護錄波

關(guān)于電流互感器采樣波形產(chǎn)生畸變原因的分析：

電力系統采用了多種方式抑制諧波電流。在諧波源處吸收諧波電流，目前常采用無(wú)源濾波裝置和有源濾波裝置等，無(wú)源諧波濾裝置也稱(chēng)LC 濾波器，一般濾除諧波量為20% ～ 50%；有源諧波濾除裝置是在無(wú)源裝置的基礎上發(fā)展起來(lái)的，在其額定無(wú)功功率范圍內，可實(shí)現完全濾波。加裝靜止無(wú)功補償裝置，可有效減小波動(dòng)的諧波量，同時(shí)抑制電壓波動(dòng)和三相不平衡。通過(guò)現場(chǎng)檢測也證實(shí)電流的諧波分量大小符合電網(wǎng)運行要求，一次電流本身不含有高次諧波。同時(shí)電力系統的運行需滿(mǎn)足用電負荷的需求，互感器應運行在磁化曲線(xiàn)的線(xiàn)型區域，不會(huì )有弱磁現象發(fā)生。

正常運行時(shí)，電流互感器鐵芯工作在低磁密區，勵磁阻抗很大，勵磁電流很小，能正確傳變一次電流；故障情況下，由于故障電流大，使鐵芯的工作磁密過(guò)高，進(jìn)入飽和區，磁路進(jìn)入非線(xiàn)性工作區，這時(shí)電流互感器的二次電流就不能正確反映一次電流，若此時(shí)發(fā)生區外故障，差動(dòng)保護就會(huì )誤動(dòng)。

關(guān)于電流互感器飽和^[2] 的特征如下：

一次電流過(guò)零點(diǎn)附近存在1 個(gè)線(xiàn)性傳遞區，使得區外故障時(shí)差動(dòng)電流在一個(gè)周期內不是連續的；短路后電流互感器中的勵磁電流上升到使鐵芯飽和需要時(shí)間，在此之前電流互感器能準確傳變，時(shí)間一般為（3 ～ 5）ms^[4]。

同時(shí)為了防止變壓器或者電抗器等區外故障等狀態(tài)下飽和使比率差動(dòng)保護誤動(dòng)，利用二次電流中的二次和三次諧波含量來(lái)判別是否飽和，若差動(dòng)電流為電流互感器飽和引起的，則閉鎖比率差動(dòng)保護。一般主變或電抗器內部嚴重故障，電流互感器飽和時(shí)，將使比率差動(dòng)保護被閉鎖。因而此時(shí)是差動(dòng)速斷保護起作用，不考慮勵磁涌流、電流互感器飽和等影響，只要差流的有效值大于差動(dòng)速斷定值，將迅速動(dòng)作切除故障設備。

一般情況下，電流互感器飽和會(huì )引起比率差動(dòng)保護的閉鎖，但由于設備抗飽和能力、磁場(chǎng)飽和判別能力的差別，可能會(huì )導致閉鎖不成功。同時(shí)，此次事故不是由于區外故障導致的，不存在大量的高次諧波來(lái)提供飽和的判據，所以保護裝置沒(méi)有閉鎖比率差動(dòng)保護。

綜合分析該組電抗器跳閘及投切情況，電流的畸變極可能是由于電流互感器飽和引起。由于該電流互感器準確級為5P30，在30 倍額定電流時(shí)能保證5% 的采樣精度，而該次動(dòng)作中最大電流有效值不超過(guò)1.5Ie，因此不是由于電流幅值過(guò)大而引起的。通過(guò)前面分析合閘時(shí)電抗器電流有較大的直流分量，而直流分量會(huì )引起直流偏磁，直流偏磁也會(huì )引起電流互感器飽和，導致電流波形畸變。同時(shí)懷疑該組電抗器首端電流互感器與套管電流互感器在特性上存在差異，且首端電流互感器存在抗飽和度比較差的問(wèn)題，導致電抗器在投入后產(chǎn)生差流并超過(guò)保護定值動(dòng)作跳閘。

3）對異常情況進(jìn)行比對，發(fā)現該電抗器首端電流互感器生產(chǎn)廠(chǎng)家為某電感器廠(chǎng)家，尾端電流互感器為油抗廠(chǎng)家自帶的套管電流互感器，首尾段電流互感器存在差異。同時(shí)該電感器廠(chǎng)家在其他變電站的電抗器投入操作中已發(fā)生過(guò)跳閘現象。跳閘原因分析為該間隔流變直流偏磁^[5]導致電流互感器（電抗器開(kāi)關(guān)電流互感器或保護裝置內部輔助小電流互感器兩者之一）飽和，引起二次電流波形畸變，使保護采樣值減小，達到低流保護整定值，造成保護動(dòng)作跳閘，其電流采樣情況與本次跳閘時(shí)錄波顯示基本一致，如圖4中IC 電流。

圖4 低抗跳閘時(shí)主變35kV側錄波圖

4   故障原因分析

經(jīng)現場(chǎng)檢查與試驗，一次設備電抗器、二次設備保護裝置不存在故障，比率差動(dòng)保護跳閘邏輯正確。通過(guò)分析電抗器的合閘波形，發(fā)現三相電流均發(fā)生直流偏磁現象，同時(shí)互感器電流發(fā)生畸變，排除高次諧波和弱磁的影響，判斷為直流分量的原因。

綜上所述，造成該電抗器在合閘瞬間比率差動(dòng)保護動(dòng)作跳閘的原因為直流偏磁導致電流互感器飽和，同時(shí)電抗器首、末端電流互感器特性不一致引起二次電流波形畸變程度不一樣，從而產(chǎn)生差流，達到比率差動(dòng)保護整定值，造成保護動(dòng)作跳閘。

5   后續措施

聯(lián)系互感器廠(chǎng)家，對該組電抗器首端電流互感器進(jìn)行分析，對三相電流互感器均進(jìn)行電流傳變試驗，包括抗飽和度試驗，分析電抗器電流互感器傳變特性是否存在異常。如果確認該電抗器首端電流互感器存在異常，則對該組流變進(jìn)行更換，并根據相應的試驗數據結果，研究電抗器電流互感器飽和原因，整理完整的設備缺陷報告，指導以后工作的開(kāi)展。

6   結束語(yǔ)

電流互感器作為電力數據的采集單元，對繼電保護裝置的準確動(dòng)作起到至關(guān)重要的作用。本文通過(guò)研究某變電站的電抗器開(kāi)關(guān)跳閘，分析得出電流互感器的抗飽和度和不同廠(chǎng)家產(chǎn)品差異性對保護動(dòng)作可靠性的影響。所以在以后的互感器驗收中需將此項作為一個(gè)重要標準，從而避免類(lèi)似異常再次出現，保證電網(wǎng)的安全穩定運行。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）