TA飽和引起發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的分析及對(duì)策

楊 濤，車軍浩，吳跨宇

（1.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014；2.紹興電力局，浙江 紹興 312071）

某燃機(jī)發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組整套啟動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)發(fā)電機(jī)額定電壓合閘于空載主變與廠變時(shí)，發(fā)生發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)事故。經(jīng)查發(fā)現(xiàn)事故由勵(lì)磁涌流使機(jī)端側(cè)電流互感器（TA）飽和從而使發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)引起?？蛰d合閘于主變或高廠變而造成發(fā)電機(jī)或主變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的事例時(shí)有發(fā)生，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了較大影響[1-2]。因此研究此類事故發(fā)生的原因，并從運(yùn)行方式及設(shè)計(jì)上提出具體解決措施，對(duì)避免跳機(jī)事故的發(fā)生并提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。

1 事故簡(jiǎn)述

1號(hào)燃機(jī)的電氣主接線如圖1所示。在整套啟動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行高壓側(cè)斷路器（52L）開(kāi)關(guān)的假同期試驗(yàn)，因此需要1號(hào)主變帶電。發(fā)電機(jī)空載并調(diào)節(jié)勵(lì)磁使其機(jī)端電壓額定（10.5 kV），52L開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)。合閘發(fā)電機(jī)出口斷路器（52G）開(kāi)關(guān)時(shí)，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)52G開(kāi)關(guān)、滅磁，燃機(jī)跳閘。對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)檢查發(fā)現(xiàn)，B相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。調(diào)取保護(hù)裝置內(nèi)故障錄波如圖2所示，可見(jiàn)在合閘時(shí)電流最大值約為發(fā)電機(jī)額定電流的兩倍，波形有明顯的間斷角，并向時(shí)間軸一側(cè)偏移，符合變壓器勵(lì)磁涌流的波形特征[1]，應(yīng)為發(fā)電機(jī)額定電壓下空載合閘于主變與高廠變時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流。

如圖1所示，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)連接于中性點(diǎn)側(cè)與發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB）側(cè)的TA，勵(lì)磁涌流對(duì)發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)來(lái)說(shuō)為穿越性涌流，差動(dòng)保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，B相GCB內(nèi)TA與中性點(diǎn)TA的電流波形存在差別，因此出現(xiàn)了差流，在此差流出現(xiàn)40 ms后，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。檢查發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的TA變比設(shè)置、保護(hù)定值、差動(dòng)保護(hù)電流極性均無(wú)誤，且先前進(jìn)行的發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)（短路點(diǎn)在主變低壓側(cè)）已驗(yàn)證差動(dòng)保護(hù)的正確性。因此初步推斷差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作是由于TA飽和引起。

圖1 1號(hào)機(jī)主接線圖

圖2 故障錄波圖

在初步確定原因后，再次啟動(dòng)燃機(jī)，發(fā)電機(jī)在無(wú)壓狀態(tài)下合閘52G開(kāi)關(guān)，后緩慢升壓至額定電壓，在升壓及額定電壓運(yùn)行過(guò)程中均未出現(xiàn)任何保護(hù)報(bào)警或動(dòng)作。隨后成功進(jìn)行了52L開(kāi)關(guān)的假同期試驗(yàn)，并將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。

2 原因分析

發(fā)電機(jī)保護(hù)為ELIN公司生產(chǎn)的DRS COMPATA2保護(hù)裝置[3]，該保護(hù)采用每周波12點(diǎn)采樣的傅里葉濾波算法，差動(dòng)保護(hù)為分相電流差動(dòng)，每相機(jī)端機(jī)尾電流的最大值作為各相電流差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)電流。

發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)值的整定值為0.09In（In為發(fā)電機(jī)額定二次電流），其動(dòng)作特性為三段折線式。第一段是斜率為0的啟動(dòng)段。由圖2分析可知，B相的制動(dòng)電流為0.56In，而其差動(dòng)電流達(dá)到了0.13In，已經(jīng)處于保護(hù)動(dòng)作區(qū)內(nèi)，理應(yīng)動(dòng)作。但發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)電流整定值較低，僅為9%的發(fā)電機(jī)額定二次電流，并且小于保護(hù)裝置說(shuō)明書(shū)所推薦的0.2In的整定值，因此保護(hù)啟動(dòng)定值過(guò)低是造成其動(dòng)作的重要原因之一。

差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的根本原因是由于差動(dòng)電流的出現(xiàn)。變壓器勵(lì)磁涌流對(duì)于發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)來(lái)說(shuō)為穿越性電流，本應(yīng)無(wú)差流。由圖2可見(jiàn)，AC相GCB與中心點(diǎn)側(cè)TA的二次電流波形完全相同，從而差流為零，只有B相發(fā)電機(jī)兩側(cè)的二次電流出現(xiàn)不同，故應(yīng)是B相GCB側(cè)或中性點(diǎn)側(cè)TA的傳變環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致差動(dòng)電流的出現(xiàn)。在每個(gè)周波中，B相電流的前1/4周波兩側(cè)電流完全相同，無(wú)差流出現(xiàn)，在電流過(guò)頂點(diǎn)后，隨后的1/4周波電流不再相同，GCB電流的瞬時(shí)值總是小于中性點(diǎn)側(cè)電流，且先于中性點(diǎn)側(cè)歸零。對(duì)中性點(diǎn)與GCB側(cè)TA電流進(jìn)行諧波分析，其結(jié)果如表1所示。

表1 不同時(shí)刻下的直流分量 %

發(fā)電機(jī)兩側(cè)的TA均為PX級(jí)低漏磁電流互感器，國(guó)內(nèi)機(jī)組應(yīng)用較少，國(guó)外則應(yīng)用較多[4]。發(fā)電機(jī)兩側(cè)的TA變比均為5500/1 A，決定PX級(jí)電流互感器特性的額定拐點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)、計(jì)算系數(shù)等重要參數(shù)，廠家并沒(méi)有提供。但是仍可以確定TA傳變問(wèn)題應(yīng)不是PX級(jí)電流互感器的穩(wěn)態(tài)復(fù)合誤差引起。因?yàn)槿绻欠€(wěn)態(tài)傳變誤差，此誤差在每個(gè)周波中都將存在，不會(huì)是周期性的前1/4周波準(zhǔn)確而隨后1/4周波存在誤差；且GCB側(cè)三相TA的參數(shù)、二次回路負(fù)載都相同，不會(huì)僅在B相出現(xiàn)誤差，顯然是GCB側(cè)B相TA在每個(gè)周期的后1/4周波鐵芯出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，勵(lì)磁電流增大，二次電流減小出現(xiàn)缺損，從而使差動(dòng)電流出現(xiàn)。

TA的飽和一般可以分為3類[5]，一類是由于大容量穩(wěn)態(tài)對(duì)稱電流引起的飽和，二次電流的波形取決于TA負(fù)載類型，稱為穩(wěn)態(tài)飽和；另一類是短路電流中混合有非周期分量，這時(shí)TA的工作區(qū)間非對(duì)稱，稱為暫態(tài)飽和；還有一類是和TA的剩磁有關(guān)，在剩磁較大時(shí)的小電流傳變問(wèn)題也不能忽視，稱為局部暫態(tài)飽和。

如表1所示，B相電流中含有大量非周期分量，且在故障切除前，非周期分量幾乎是無(wú)衰減的。因此在非周期分量的作用下，TA可能會(huì)逐漸進(jìn)入飽和區(qū)[5-6]。但是對(duì)于GCB的三相TA來(lái)說(shuō)，其特性參數(shù)是一致的，且二次回路負(fù)載是相同的，AC相非周期分量的成分較B相更大，但卻只有B相出現(xiàn)飽和。磁鏈的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Ψ（0）為剩磁；L2，R2分別為 TA 二次側(cè)的電感與電阻；i2為TA二次電流。

根據(jù)式（1）可知，由于B相TA鐵芯中存在較大含量的剩磁，同時(shí)在非周期分量的作用下，鐵芯磁鏈已接近飽和區(qū)，同時(shí)由于二次回路中電阻的磁鏈積分效應(yīng)的影響，鐵芯逐漸進(jìn)入飽和區(qū)，然后勵(lì)磁電流增大，二次電流出現(xiàn)偏差。在一次電流消失后，鐵芯退出飽和區(qū)，并在下一個(gè)周波重復(fù)相同的過(guò)程。綜上所述，GCB側(cè)B相TA由于剩磁與非周期分量的影響，出現(xiàn)了暫態(tài)飽和，其二次電流出現(xiàn)缺損現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了差動(dòng)電流的出現(xiàn)。

3 應(yīng)對(duì)措施及思考

為了解決上述問(wèn)題，首先可以選擇在發(fā)電機(jī)無(wú)壓時(shí)合上GCB，發(fā)電機(jī)帶主變廠變、零起升壓至額定再并網(wǎng)，即可防止勵(lì)磁涌流的出現(xiàn)。另外，應(yīng)考慮增大發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)電流定值。根據(jù)《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》[7]，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)定值實(shí)際可取0.1～0.3In。因此建議將發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)定值設(shè)為0.2In，其靈敏度仍可滿足要求，并可減少實(shí)際運(yùn)行中發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)作。

另外，為了防止此種事故情況的再次發(fā)生，應(yīng)該更多從保護(hù)用TA的設(shè)計(jì)上及設(shè)備選型等方面綜合考慮。

（1）300 MW及以上發(fā)電機(jī)變壓器組，由于系統(tǒng)一次時(shí)間常數(shù)較大，TA暫態(tài)飽和較嚴(yán)重，由此導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)的后果嚴(yán)重。因此，在條件允許的情況下，宜選用TP類互感器，保證在實(shí)際短路故障發(fā)生時(shí)不致出現(xiàn)TA的暫態(tài)飽和。

（2）100～200 MW發(fā)電機(jī)變壓器組及大容量電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)用的TA，暫態(tài)飽和問(wèn)題及其影響后果相對(duì)較輕，可選用P類、PR類或PX類TA。但應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用情況與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，選擇適當(dāng)?shù)臅簯B(tài)系數(shù)，以減輕TA飽和對(duì)保護(hù)的影響。

（3）應(yīng)該充分考慮剩磁對(duì)TA飽和帶來(lái)的影響，剩磁的存在使TA更容易飽和，且差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)TA剩磁不一致可能形成較大的不平衡電流。對(duì)于容量較小的發(fā)電機(jī)組，差動(dòng)保護(hù)回路的互感器可以考慮選用有剩磁限值的PR型TA。

（4）發(fā)電機(jī)保護(hù)差動(dòng)保護(hù)的兩側(cè)TA的型號(hào)應(yīng)完全一致，并且兩側(cè)互感器的飽和特性和兩側(cè)的二次負(fù)荷應(yīng)盡量匹配以減少差流。

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)額定電壓合閘于空載主變與廠變，產(chǎn)生了勵(lì)磁涌流，由于發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)定值設(shè)置不合理，并且穿越性勵(lì)磁涌流導(dǎo)致TA暫態(tài)飽和，從而使發(fā)電機(jī)差動(dòng)誤動(dòng)作。差動(dòng)保護(hù)是發(fā)電機(jī)組的主保護(hù)，其誤動(dòng)將使機(jī)組停機(jī)并對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響。因此，應(yīng)合理整定差動(dòng)保護(hù)的定值，并從設(shè)計(jì)與設(shè)備選型上充分考慮TA暫態(tài)飽和對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響，防止發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)，提高其運(yùn)行可靠性。

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