一起500 kV電流互感器爆炸引起母差動作的分析

穆云龍，翁 凌，都小利，臧 偉

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司，安徽 合肥 230061;2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心，安徽 合肥 230022;3.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051)

0 引言

電流互感器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其作用是把電力系統(tǒng)的一次大電流變換成與其正比的二次小電流，然后輸入到測量儀表或繼電保護及自動裝置中，用來測量、監(jiān)視、控制電力系統(tǒng)的潮流及運行工況。當系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，由繼電保護快速切除故障，確保設(shè)備和系統(tǒng)的安全。

傳統(tǒng)電磁式電流互感器利用鐵芯耦合進行傳變，絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長期運行中存在部分易爆的危險，而電流互感器又是許多保護使用繞組集中的地方，發(fā)生故障后極易造成區(qū)內(nèi)、區(qū)外轉(zhuǎn)換、二次斷線等比較復(fù)雜的故障現(xiàn)象，對保護裝置的暫態(tài)動作性能將會是個嚴格的考驗。

1 母線保護的作用和意義

在大型發(fā)電廠和樞紐變電站，母線連接元件甚多。主要連接元件除出線單元之外，尚有TV、電容器等。運行實踐表明，在眾多的連接元件中，由于絕緣子的老化，污穢引起的閃絡(luò)接地故障和雷擊造成的短路故障次數(shù)甚多，其次還有母線電壓互感器和電流互感器的故障，另外，運行人員的誤操作，如帶負荷拉隔離開關(guān)、帶地線合斷路器造成的母線短路故障，也有發(fā)生。

當發(fā)電廠和變電站母線發(fā)生故障時，如不及時切除故障，將會損壞眾多電力設(shè)備及破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而造成全廠或全變電站大停電，乃至全電力系統(tǒng)瓦解。因此，設(shè)置動作可靠、性能良好的母線保護，使之能迅速檢測出母線上的故障并及時有選擇性的切換故障是非常必要的。

2 事故經(jīng)過

某500kV變電站系統(tǒng)一次主接線如圖1所示。保護均采用雙重化配置，其中2號主變保護配置為PCS-978T5和CSC-326T5，斷路器保護配置均為PCS-921A-DG-G和CSC-121A-DG-G，II母線保護配置為PCS-915C和NSR-371C，母線保護差動啟動定值設(shè)為0.7A，該母線保護接入5012、5023、5043、5053支路，CT變比均為4000/1，基準CT變比為4000/1，5023跟5022開關(guān)之間接入2號主變。

圖1 系統(tǒng)一次接線圖

2019年1月22日13點29分44秒，變電站內(nèi)5023開關(guān)B相流變本體爆炸著火。500kV II母母差保護、2號主變保護動作，5012、5023、5043、5053、5022、4802斷路器跳閘；因3臺主變并列運行，并未造成負荷損失。

檢查保護裝置動作情況如下：2號主變第一套差動保護(PCS-978T5)動作，差動電流5.031A；第二套分相電流差動保護(CSC-326T5)動作，差動電流6.156A。5022、5023開關(guān)第一、二套保護均動作斷路器三相跳閘。500kV Ⅱ母線第一套差動保護(PCS-915C)啟動；第二套差動保護(NSR-371C)動作。

從保護動作情況可看出兩套主變保護及四套開關(guān)保護均正確動作，唯有母差保護第一套未動作，第二套動作。實際運行中，當兩套主保護動作情況不一致時，需要格外引起注意，因此下面就對兩套保護的動作行為進行分析。

3 原因分析

3.1 第一套PCS-915C動作分析

PCS-915C包含變化量比率差動元件及穩(wěn)態(tài)量比率差動兩種差動元件。變化量比率差動利用電流工頻變化量起動元件自適應(yīng)地開放加權(quán)算法。當發(fā)生母線區(qū)內(nèi)故障時，工頻變化量差動元件△BLCD和工頻變化量電流元件△si基本同時動作，而發(fā)生母線區(qū)外故障時，由于故障起始CT尚未進入飽和，△BLCD元件動作滯后于工頻變化量電流元件變化量。穩(wěn)態(tài)量比率差動則利用了CT飽和時差流波形畸變和每周波存在線性傳變區(qū)等特點，根據(jù)差流中諧波分量的波形特征檢測CT是否發(fā)生飽和。

圖2所示為第一套母差保護錄波波形，包含差動電流B相及各支路B相電流。分析此波形，發(fā)現(xiàn)裝置感受到差動電流持續(xù)時間約兩個周波(40ms)，故障開始時差流為0，可判斷為區(qū)外故障，而后8～10ms慢慢發(fā)展為區(qū)內(nèi)故障，第一個周波5023波形與其他三個開關(guān)相反因此差動電流較小(峰值約0.76A)，待5023開關(guān)CT電流消失后，第二個周波內(nèi)差動電流開始變大(峰值約7.69A)。

圖2 母差保護錄波

使用錄波分析工具進一步分析母差波形，情況如圖3，其中第一幅圖中的綠色波形為制動電流，紅色波形為差動電流；第二幅圖的動作標志從上到下依次為差流啟動標志，穩(wěn)態(tài)量比率差動(0.5)動作標志及諧波抗飽和判據(jù)動作標志。(由于時標不同，可以把0.05S當做啟動時刻)

圖3 母差保護錄波分析

由于故障起始第一個周波差動電流較小，制動電流較大，所以變化量比率差動不滿足動作條件。因為變化量比率差動保護是比較故障起始階段工頻變化量差動元件△BLCD和工頻變化量電流元件△si的動作先后順序，所以從保護啟動開始只開放一個周波，所以第二個周波變化量比率差動保護被閉鎖。變化量比率差動保護未動作是差動保護動作時間較慢的原因。

500kV II母第一套保護(PCS-915C)啟動時間為2019年1月22日13點29分44秒579毫秒，穩(wěn)態(tài)量比率差動保護的差流啟動標志在2019年1月22日13點29分44秒588毫秒(相對時間9ms)滿足動作條件，穩(wěn)態(tài)量比率差動(0.5)動作標志在2019年1月22日13點29分44秒602毫秒(相對時間23ms)滿足動作條件，諧波抗飽和判據(jù)動作標志在2019年1月22日13點29分44秒610毫秒(相對時間31ms)滿足動作條件。因為滿足飽和判據(jù)后故障持續(xù)時間較短，只有十幾毫秒，雖然穩(wěn)態(tài)量比率差動元件動作的持續(xù)時間已大于動作延時，但是諧波抗飽和判據(jù)動作的持續(xù)時間未大于動作延時，所以穩(wěn)態(tài)量比率差動保護未動作。

3.2 第二套NSR-371C動作分析

從第二套母差保護錄波中可以看出，5023支路B相發(fā)生故障，500kV II母第二套保護(NSR-371C)啟動時間為2019年1月22日13點29分44秒576毫秒，而后制動電流明顯上升，但母線保護三相均無差流，表明此時發(fā)生了母線區(qū)外故障，從13點29分44秒585毫秒起，母線保護出現(xiàn)差流，且各支路波形良好無明顯畸變，說明此時區(qū)外故障轉(zhuǎn)換為母線區(qū)內(nèi)故障，同第一套保護顯示的波形情況一致。

母線差動保護由突變量差動、采樣值差動和相量差動組合構(gòu)成，三者為或邏輯，即任一種滿足即動作出口。突變量差動利用故障發(fā)生時突變量差流和突變量制動電流產(chǎn)生的時序關(guān)系決定區(qū)內(nèi)外故障，其動作速度快，抗飽和能力強，能抗2ms的深度飽和，但突變量差動在同名相的轉(zhuǎn)換性故障時可能無法起作用，因此設(shè)計了采樣值差動和相量差動。采樣值差動具有較好的抗飽和能力，能保護轉(zhuǎn)換性故障，但速度較慢，動作時間至少長于一個工頻周波。相量差動采用基波值進行判斷計算，靈敏度高，但對波形質(zhì)量要求高，其結(jié)合諧波等抗飽和判據(jù)，作為差動保護的保底段。

本次故障為區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)換性故障，突變量差動未能動作，由采樣值差動完成差動保護的出口動作，因此動作時間較長。母線保護的整組動作時間是從保護啟動開始計時，本次故障過程中，先發(fā)生的區(qū)外故障使保護啟動，8ms左右后轉(zhuǎn)換為區(qū)內(nèi)故障，之后12ms的時間內(nèi)，如圖3所示虛線之前，采樣值差動的比率制動特性(采樣值差流與0.5倍的采樣值制動電流比較)一直不滿足，判斷是由于區(qū)外故障分流導(dǎo)致，圖3虛線之后，差流變大，采樣值差動的比率制動特性滿足，20ms左右后采樣值差動動作，實際從有動作故障差流到保護發(fā)跳令用時18ms，因此裝置顯示整組動作時間為37ms。符合采樣值差動的原理設(shè)計。

圖4 B相故障采樣值差動分析

圖5(Y軸為差流，X軸為制動電流)顯示了B相差動保護動作時刻，動作點于比率制動曲線的位置，其位于動作區(qū)，本次母線差動保護正確動作。

圖5 動作時刻的比率制動曲線

4 結(jié)語

本次故障是由于電流互感器爆炸引起的區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)的綜合故障。整個故障持續(xù)約48ms，開始故障位于母差區(qū)外，主變區(qū)內(nèi)，主變保護3ms動作，故障8～10ms后轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)內(nèi)，由于突變量或變化量動作時序的先后順序，突變量或變化量差動均判為閉鎖未動作。而轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)內(nèi)后先期動作電流不大，穩(wěn)態(tài)量母差沒有第一時間動作。等到20ms左右后差流才增大，從錄波圖上可以看出，兩套母差保護差流波形基本一致，此時兩套保護差動均達到動作值，但由于兩套保護閉鎖原理不同，雖然穩(wěn)態(tài)量比率差動元件動作的持續(xù)時間已大于動作延時，但是對于PCS-915C保護諧波抗飽和判據(jù)動作的持續(xù)時間未大于動作延時(31ms才滿足條件)，等于又推遲了8ms才滿足出口條件，此后故障由于主變保護瞬時動作切除，只維持了15～18ms，沒有達到出口的延時，因此第一套母差未動作。而NSR-371C則在20ms 時已滿足條件(無抗飽和判據(jù)動作延時)，經(jīng)過18ms動作延時出口，整組動作時間顯示為37ms。當然如果故障能夠再多持續(xù)5～10ms，兩套保護均能動作出口，后經(jīng)研發(fā)人員測算，第一套母差保護大概還差3到4個采樣點也就能出口動作了。

對于本次故障，主變保護動作切除三側(cè)開關(guān)，故障已經(jīng)可以得到隔離，母線保護可不需要動作，而且正是由于南瑞繼保的抗飽和判據(jù)比較多樣，在某些特殊場合下能更好的防止誤動，因而兩套均按照既定原理進行判別，均應(yīng)認定為正確動作。但就保護原理而言，發(fā)生區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)的故障時，裝置應(yīng)能快速可靠動作，實際中確實也發(fā)生了母差區(qū)內(nèi)故障，對于本次轉(zhuǎn)換型故障，更應(yīng)該偏向于第二套保護正確動作。

針對此種變換且特殊的故障，最新的十八項反措也強調(diào)，為防止裝置家族性缺陷可能導(dǎo)致的雙重化配置的兩套繼電保護裝置同時拒動的問題，雙重化配置的線路、變壓器、母線、高壓電抗器等保護應(yīng)采用不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品。