防止重瓦斯保护因穿越电流误动的保护策略研究吴嘉竣

防止重瓦斯保护因穿越电流误动的保护策略研究吴嘉竣

吴嘉竣

（广东电网有限责任公司东莞供电局）

摘要：变压器是电网中的重要设备，其运行状态对整个电力系统的安全运行起着决定性的关键作用。差动保护和重瓦斯保护作为变压器的主保护，使得保护范围内发生故障时，都能快速跳闸。由于重瓦斯保护受外界环境的影响较大，重瓦斯保护动作正确率偏低。本文首先对某500kV变电站重瓦斯误动进行原因分析，论证了短路穿越电流对重瓦斯保护的影响。其次，本文对三种可防止短路穿越电流使重瓦斯误动的保护策略进行对比分析，最终选择重瓦斯延时跳闸保护方式。最后，本文阐述了重瓦斯跳闸增加延时的实现方法。

关键词：重瓦斯保护；保护误动；保护策略；延时跳闸

0.引言

变压器的主保护包含差动保护和重瓦斯保护[1]。当主变发生2%以下匝间短路故障和铁心内部故障时，电气量保护可能无法动作，而重瓦斯保护都能快速跳闸，及时保护主变本体不受损伤，有非常高的灵敏性。但近几年的南网统计数据表明，由于重瓦斯保护受外界环境的影响较大，其正确动作率一直较低，误动次数大于正确动作次数。为了降低短路穿越电流使重瓦斯保护误动作的可能，可针对穿越电流的特征和瓦斯继电器的动作特性提出相应的保护策略。本文通过对三种保护策略进行对比分析，从理论、设备硬件、实现方法等方面进行论述，证明在当前电网形势下，重瓦斯保护跳闸增加延时的保护方式能较好地解决问题。

1.实施背景

2014年东莞某500kV变电站在进行220kV5M停电倒母线的过程中，220kV5M母线发生近区短路故障，220kV5M、6M母差保护动作，同时#1、#2、#3主变本体重瓦斯保护动作，跳开三台主变各侧开关。现场马上对三台主变本体进行仔细的外观检查、保护二次回路检查、主变本体各项试验、油样检查和录波分析，均未发现异常，最终确认变压器无故障后进行试送，试送后运行正常。由上述事件可以看出，区外故障穿越性大电流冲击会导致主变重瓦斯保护误动跳闸。

自2011年起，同一类型的主变在南网范围内已发生了8相次主变区外短路时重瓦斯误动事件，亟需提出可行方法以降低重瓦斯保护的误动率。

2.背景事件中重瓦斯误动原因分析

事件中的变压器为壳式变压器。当主变外部短路时，主变流过穿越故障电流，其内部绕组受到很大的短路电动力并产生了巨大的振动。鉴于壳式变压器绕组及油道排列的特殊性，振动的绕组像手风琴一样不断把绝缘油从绕组周围推向上层油箱空间。绝缘油挤压导致上层油箱压力增加。主变内部的压力升高达到了压力释放阀的动作值或者受到挤压的绝缘油通过升高座和瓦斯继电器迅速流向油枕，油流速度达到了瓦斯继电器的整定值而动作。该变压器厂家给出的参考：瓦斯继电器重瓦斯动作值设定为1m/s、中压侧故障电流达9kA（有效值）时，重瓦斯可能动作；重瓦斯动作值设定为1.5m/s、中压侧故障电流达到13kA（有效值）时，重瓦斯可能动作。本次事件中，重瓦斯动作值设定为1.5m/s，中压测故障电流最大峰值为21.67kA，这个瞬间重瓦斯就有可能动作。图2-1是主变在外部短路时内部油流速度临时增大过程示意图。

图2-1内部油流速度临时增大过程

3.防止穿越电流使重瓦斯误动的保护策略选择

3.1变压器瓦斯保护相关规定

GB/T14285-2006《继电保护及安全自动装置技术规程》规定：电压等级在10kV及以上或额定容量超过800kVA的变压器都必须装有瓦斯继电器[2]。

我们知道，当变压器绕组轻微匝间故障、局部放电等低能量故障及铁心发热等非电气网络故障时，瓦斯保护较反映电流变化及差电流变化的电量保护具有更高的灵敏度及快速性。因此，重瓦斯保护是反应变压器内部故障的主保护，与差动保护相互配合实现对变压器的保护，必须接跳闸回路。

3.2三种保护策略的利弊分析

表3-1是近年来发生的8相次500kV主变重瓦斯误动的穿越电流和瓦斯动作的相关电流特征和持续时间。从数据中我们可以得出短路穿越电流有电流数值大、持续时间短的特点，由此可考虑以下三种保护策略：增加重瓦斯跳闸延时的保护方式、大电流闭锁瓦斯跳闸的保护方式、提高瓦斯保护跳闸整定值的保护方式。本节将对这三种保护策略进行对比分析。

3.2.1增加重瓦斯跳闸延时的保护方式

由于故障穿越电流持续时间很短，如表3-1所示，结合重瓦斯动作持续时间，我们可以增加延时，即重瓦斯保护动作，经过一个延时后才保护跳闸。在保护延时时间的选择上，根据外部短路时瓦斯跳闸的时间统计和瓦斯继电器的时间特性的统计结果，并对上述时间乘以安全系数后，选择重瓦斯延时保护的延时时间为1秒。瓦斯继电器延时保护的逻辑时序如图3-1所示。

图3-1瓦斯继电器延时保护的逻辑时序

通过上文可知，对重瓦斯跳闸信号经1s延时后再与当前瓦斯继电器状态结合，综合判断是否出口跳闸，有效屏蔽主变流过穿越短路电流时重瓦斯动作跳闸信号，基本解决主变区外故障时重瓦斯误动问题。而增加了延时可能使得故障扩大的问题，根据近年来的统计，主变发生匝间短路时，几乎都在极短的时间内（远小于1s）演变成对地故障并触发电气量保护跳闸。因此，与传统的保护方式相比，延时保护对绝大部分故障的保护选择性上并未构成影响。

3.2.2大电流闭锁瓦斯跳闸的保护方式

大电流闭锁瓦斯跳闸的保护方式是当变压器绕组流过整定电流值时闭锁瓦斯保护出口的保护方法。在该保护方式下，当发生外部短路主变流过较大的穿越电流时，瓦斯保护被闭锁以达到防止误动作的目的。大电流闭锁瓦斯保护的核心问题是闭锁电流的整定计算、保护实施的可行性及闭锁保护方式产生的风险等。

图3-2为大电流闭锁瓦斯跳闸保护逻辑。当重瓦斯开入动作，且测得电流大于定值时，大电流闭锁元件动作，并展宽时间t，此时闭锁跳闸。当电流小于定值或超过展宽时间后，重瓦斯保护可出口跳闸。

图3-2大电流闭锁瓦斯跳闸保护逻辑

3.2.3提高瓦斯保护跳闸整定值的保护方式

通过增大重瓦斯保护的流速整定值以提高对外部短路时的保护选择性，其核心问题是流速整定值的确定、保护实施的可行性及联动保护方式的风险分析问题。

3.3保护策略选择

上一节阐述了提高保护选择性的主要措施，对三种保护策略的核心内容进行了介绍。三种保护策略的基本特点：延时保护的可操作性强，仅需十个小时停电时间即可完成，但靠延时躲避外部短路干扰，有扩大故障范围及严重程度的风险；大电流闭锁瓦斯保护需对瓦斯保护引入电气量闭锁信号，从各厂家对保护装置升级到现场改造，周期较长，而且当内部严重故障时，瓦斯保护被闭锁，有扩大故障范围及严重程度的风险；提高瓦斯保护整定值，瓦斯保护继电器可调整范围有限，可操作性差，而且靠调整定值躲避外部短路时干扰，有扩大故障范围及严重程度的风险。

结合电网500kV变电站瓦斯误动风险等级的严峻现状，重瓦斯延时跳闸保护方式相比其他两种策略有可操作性强，实施周期短的优点，所以选择增加重瓦斯跳闸延时保护方式。

4.重瓦斯保护跳闸增加延时的实现方法

4.1各保护厂家非电量保护设备情况

根据五个厂家的答复，在南网范围内使用的主变非电量保护装置均可实现将重瓦斯保护改为延时跳闸。其中南瑞继保的RCS-974FG和PCS-974FG、北京四方的CSC-336A和CSC-336C、许继的WBH-802A/R2和WBH-802A/AG5、长园深瑞的PRS-961B-NW、PRS-961B和PRS-961B-GD5均配置了延时非电量开入，只要将原来重瓦斯保护开入转接到延时非电量开入，完善相关控制字、定值和相关信号回路即可。南自的PST1210U非电量保护装置虽然不支持重瓦斯保护调整至经延时跳闸，但可以在重瓦斯跳闸回路中串接外加延时继电器。

4.2回路改造

原回路设计中，重瓦斯开入直接接入跳闸回路中。经过改造，非电量延时跳闸回路示意图如图4-1、4-2所示。图4-1为具备延时非电量开入的保护装置回路原理，重瓦斯开入或经重动导通光耦，CPU记录并延时驱动保护接点闭合，实现出口跳闸。图4-2是保护装置不具备延时非电量开入时，通过外接时间继电器，经过延时接点闭合实现跳闸。

图4-2外接时间继电器的非电量延时跳闸回路示意图

4.3实施效果

2014年8月6日12：31，220kV福澎甲线发生BC相间接地故障，500kV福园站内#1主变流过的穿越电流分别是：变高A相电流1.0kA（有效值）、B相电流5.3kA、C相电流4.6kA、变中A相电流0.5kA、B相电流7.9kA、C相电流11.1kA。#1主变C相重瓦斯继电器动作96ms。12时44分58秒，220kV福澎乙线发生AC相间接地故障，500kV福园站内#1主变流过的穿越电流分别是：变高A相电流4.9kA（有效值）、B相电流0.9kA、C相电流5.4kA、变中A相电流12.0kA、B相电流0.9kA、C相电流13.0kA。#1主变A、C相重瓦斯继电器动作96ms。

由于该站已完成重瓦斯增加延时跳闸改造，重瓦斯继电器动作96ms并未满足非电量保护重瓦斯动作时间（1000ms），因此重瓦斯保护没有出口跳闸，避免的故障范围的扩大。本次跳闸事件有力地证明了重瓦斯增加延时跳闸的保护方式是切实有效的。

5.结论

综上所述，重瓦斯保护延时1秒跳闸，虽然在一定程度上牺牲了速动性，但大大地提高了选择性，极大地降低了重瓦斯保护误动的几率。三菱公司对其主变主变重瓦斯保护跳闸延时做出风险评估认为：“在电量保护不动作的前提下，即使对重瓦斯出口增加了1秒延时，主变内部的细微故障仍然可以通过轻瓦斯（气体报警）进行监测。当内部发生重大故障时，电量保护（出口跳闸）会先于瓦斯继电器的油流保护动作。这样主变正常运行时，电量保护能及时监测主变内部的重大故障而瓦斯继电器通过气体集聚反应主变内部的细微故障。尽管给重瓦斯出口增加1秒延时不一定是最佳选择，我们认为它（重瓦斯出口增加1秒延时）对主变运行没有重大影响。”

除了理论上的可行，重瓦斯保护增加延时跳闸的回路改造易于实施，根据现场统计，每台主变的改造均可在10小时内完成。由此可见，重瓦斯保护增加延时保护能在短期内使全网的500kV主变重瓦斯误跳风险大大降低，保障了电网的安全稳定运行。

参考文献：

[1]裘愉涛.大型变压器保护若干问题研究[D].北京：华北电力大学，2008.

[2]GB/T14285-2006，继电保护及安全自动装置技术规程[S].北京：中国国家标准化管理委员会，2006.