基于隔离变压器采集单元异常导致继电保护连锁动作分析及防范
2017-11-22 9:56:46 点击：
基于罗氏线圈型隔离变压器以其优良的性能得到了广泛应用,隔离变压器输出弱电信号需要就地布置采集单元进行光电转化。本文分析了一起继电保护连锁动作过程,结合现场录波图及数字仿真技术,采用在高低温环境条件下进行动模试验,证明该型隔离变压器采集单元在高温及低温条件下输出信号极易发生输出异常。
在此基础上给出了具体解决方案,通过在保护逻辑功能上引入数据异常闭锁判据解决采集异常造成的继电保护误动作,仿真实验结果证明该方案可靠有效,能够有效识别该型隔离变压器采集单元异常数据。
就地布置的采集单元由于工作环境恶劣,经常出现异常导致继电保护装置误动作，严重影响电网安全运行。对此许多学者展开研究，提出了多种解决方案[1-5]。
但对采集单元异常原因分析主要集中在电磁兼容等方面[6-9]，环境温度对采集单元运行影响，研究较少，由于采集单元主要由电子元器件组成，严重依赖温度等条件，早期投运的隔离变压器由于缺乏统一的标准，很多都不满足工程运行要求。出现了多起故障。
本文通过分析一起由隔离变压器引起的继电保护误动作事件，详细分析了隔离变压器电流采集单元异常对继电保护设备性能的影响，利用高低温试验研究证明该型隔离变压器采集单元环境适应性不满足运行要求，通过对采集单元失真波形研究，引入波形系数识别采集波形异常，算例证明该方法有效，为今后隔离变压器采集单元异常提供了理论及工程依据，实用性较强。
1 保护动作情况分析
1.1故障前运行方式
某变电站220千伏系统合环运行，#2主变2802开关运行220千伏Ⅱ母；110kV系统：110千伏系统分裂运行，Ⅰ母线空载运行，#2主变110千伏 402开关供110千伏Ⅱ母线、110千伏滨谢415开关、110千伏滨亚421开关运行；35千伏系统：#2主变35千伏 302开关供35kVⅡ段母线。该变电站故障前运行方式如下图1所示。
图1 系统运行方式
1.2 保护动作情况
（1）110千伏滨谢415线保护动作情况：1月24日6点15分42秒492毫秒， 110千伏滨谢415线路保护零序IV段出口跳开415开关三相；
(2) #2主变差动保护动作情况：1月24日8点01分01秒676毫秒， #2主变第二套保护比率差动B、C相动作跳开#2主变2802、402、302开关，跳闸时由于110千伏滨亚421开关向110kVⅡ母反送电，母线暂未失压，110千伏滨亚421线为对侧用户余热发电的小电源线路；
(3) 110千伏低频解列装置动作情况：1月24日8点07分27秒716毫秒，该变电站供用户变余热发电机组系统频率下降，导致该变电站110kV低频、低压减载装置低频动作跳开110kV滨亚421开关；
(4) 110千伏母差保护动作情况：1月24日 8点08分55秒857毫秒，该变电站110千伏母线保护失压，110千伏滨谢415间隔仍然存在故障电流，导致母差保护动作条件满足， II母B相差动动作跳110千伏 II母，分别跳开Ⅱ母上的开关。
2继电保护动作行为分析
2.1 线路保护动作分析
通过调取110千伏滨谢415开关间隔电流故障录波器记录，如下图2所示。
图2 110千伏滨谢415间隔电流波形图
图2所示415间隔B相电流波形为一直流分量，同一时刻A、C相电流为正常正弦波形，三相电压为正常运行时刻波形，可以判定线路一次无故障；为了进一步分析线路保护动作过程，如图3所示为线路保护零序电流保护动作原理方框图。
图3 零序保护动作原理框图
2.2 主变差动保护动作分析
如图4所示，#2主变高压侧B套合并单元输出电压及电流波形，从图中可以看出B套合并单元C相电流波形出现较大畸变，畸变幅值达到-265.206A，在故障时刻A、C相仅出现负荷电流，三相电压波形为正常电压波形，无任何降低或畸变等现象，判定一次设备无故障，合并单元输出电流波形出现异常，但对于主变差动保护，无任何电压闭锁逻辑，导致主变差动保护动作，跳开三侧开关。
图4 #2主变B套合并单元输出电压电流波形
3 数据采样及处理环节分析
3.1 故障录波图分析
如图5所示为该站#2主变保护配置原理图，根据双重化配置原则，A、B套采集单元及合并单元遵循相互独立原则，但基于罗氏线圈型隔离变压器输出信号经并联分别提供给A、B套采集单元，根据这一原则，通过分析A套装置可诊断B套系统故障点。
图5 主变保护配置原理图
图6所示为A套合并单元输出的三相电流波形，从图中可以看出故障前隔离变压器输出电流信号正常，排除一次隔离变压器故障导致的故障跳闸事故。
图6 故障前后主变高压侧A套合并单元输出电流波形
3.2 采集单元温度动模试验检测情况
故障发生后，立即将2号主变隔离变压器C相采集器1、采集器2及110千伏415线路隔离变压器A相采集器3、B相采集器4、C相采集器5送至中国电力科学研究院进行试验，试验结果情况如下：
（1）高温试验情况：在高温试验中，在达到最高温度70℃的过程中，各采集器均能正常工作，合并单元输出波形角差、比差符合标准要求。
（2）低温试验情况：在低温试验中，在温度降至零下9℃左右时，采集器2、采集器4对应的合并单元通道向外输出异常波形，如图7-10所示。
图7 低温试验2号主变C相B套合并单元输出异常波形
综上所示，在零下9℃低温情况下，采集器2、采集器4均不能正常工作。但由于此时试验所用的合并单元比现场实际合并单元软件版本更新，因此在接收到采集器的异常数据后，合并单元将采样数据判定为无效，保护装置接收到这种数据后会闭锁，避免发生误动作，继续降温至20度时，合并单元对应的采集器1~采集器5均不再输出，仅有参考采集器6正常工作，如图11所示。
图11 在-20℃低温试验时采集器1~采集器5均不再输出波形
（3）常温试验情况：在常温试验中，此次送检的各采集器均试验正常，其合并单元输出波形角差、比差符合标准要求。
从上述试验波形数据中可以得知，在现场多次输出异常波形、导致保护动作的采集器2和采集器4在零下9℃时就出现了异常，无法正常工作。剩余三个采集器1、采集器3、采集器5在零下20℃时也出现了异常、无法正常工作。
由此可见，故障现场送检的采集器1~采集器5均不满足Q/GDW 424-2010《电流隔离变压器技术规范》中要求户外正常工作温度-40°C~+70°C的要求。
该变电站隔离变压器所使用的合并单元未在采集器输出异常信号时闭锁输出。依据《电流隔离变压器技术规范》4.2.8，合并单元应能保证在电源中断、电压异常、采集单元异常、通信中断、通信异常、装备内部异常等情况下不误输出。
4 数据异常闭锁判据
4.1 数据异常闭锁判据
4.2 动作数据分析
如图12所示一般情况下，波形系数R大于0即认为波形失真，数据异常，图中波形系数值达到了2，严重失真，通过上述闭锁方式可有效识别数据异常。
5 结束语
本文通过分析一起继电保护连锁故障动作过程，指出隔离变压器采集单元数据异常为导致该故障发生的主要原因，通过对采集单元进行高低温试验，证明该型隔离变压器在低温条件下，不满足设备运行有关规定，分析故障波形，引入了闭锁判据，算例分析证明该闭锁判据可有效识别采集单元数据异常等情况，为隔离变压器识别采集单元数据异常提供了有效的理论及工程解决办法。
在此基础上给出了具体解决方案,通过在保护逻辑功能上引入数据异常闭锁判据解决采集异常造成的继电保护误动作,仿真实验结果证明该方案可靠有效,能够有效识别该型隔离变压器采集单元异常数据。
就地布置的采集单元由于工作环境恶劣,经常出现异常导致继电保护装置误动作，严重影响电网安全运行。对此许多学者展开研究，提出了多种解决方案[1-5]。
但对采集单元异常原因分析主要集中在电磁兼容等方面[6-9]，环境温度对采集单元运行影响，研究较少，由于采集单元主要由电子元器件组成，严重依赖温度等条件，早期投运的隔离变压器由于缺乏统一的标准，很多都不满足工程运行要求。出现了多起故障。
本文通过分析一起由隔离变压器引起的继电保护误动作事件，详细分析了隔离变压器电流采集单元异常对继电保护设备性能的影响，利用高低温试验研究证明该型隔离变压器采集单元环境适应性不满足运行要求，通过对采集单元失真波形研究，引入波形系数识别采集波形异常，算例证明该方法有效，为今后隔离变压器采集单元异常提供了理论及工程依据，实用性较强。
1 保护动作情况分析
1.1故障前运行方式
某变电站220千伏系统合环运行，#2主变2802开关运行220千伏Ⅱ母；110kV系统：110千伏系统分裂运行，Ⅰ母线空载运行，#2主变110千伏 402开关供110千伏Ⅱ母线、110千伏滨谢415开关、110千伏滨亚421开关运行；35千伏系统：#2主变35千伏 302开关供35kVⅡ段母线。该变电站故障前运行方式如下图1所示。
图1 系统运行方式
1.2 保护动作情况
（1）110千伏滨谢415线保护动作情况：1月24日6点15分42秒492毫秒， 110千伏滨谢415线路保护零序IV段出口跳开415开关三相；
(2) #2主变差动保护动作情况：1月24日8点01分01秒676毫秒， #2主变第二套保护比率差动B、C相动作跳开#2主变2802、402、302开关，跳闸时由于110千伏滨亚421开关向110kVⅡ母反送电，母线暂未失压，110千伏滨亚421线为对侧用户余热发电的小电源线路；
(3) 110千伏低频解列装置动作情况：1月24日8点07分27秒716毫秒，该变电站供用户变余热发电机组系统频率下降，导致该变电站110kV低频、低压减载装置低频动作跳开110kV滨亚421开关；
(4) 110千伏母差保护动作情况：1月24日 8点08分55秒857毫秒，该变电站110千伏母线保护失压，110千伏滨谢415间隔仍然存在故障电流，导致母差保护动作条件满足， II母B相差动动作跳110千伏 II母，分别跳开Ⅱ母上的开关。
2继电保护动作行为分析
2.1 线路保护动作分析
通过调取110千伏滨谢415开关间隔电流故障录波器记录，如下图2所示。
图2 110千伏滨谢415间隔电流波形图
图2所示415间隔B相电流波形为一直流分量，同一时刻A、C相电流为正常正弦波形，三相电压为正常运行时刻波形，可以判定线路一次无故障；为了进一步分析线路保护动作过程，如图3所示为线路保护零序电流保护动作原理方框图。
图3 零序保护动作原理框图
2.2 主变差动保护动作分析
如图4所示，#2主变高压侧B套合并单元输出电压及电流波形，从图中可以看出B套合并单元C相电流波形出现较大畸变，畸变幅值达到-265.206A，在故障时刻A、C相仅出现负荷电流，三相电压波形为正常电压波形，无任何降低或畸变等现象，判定一次设备无故障，合并单元输出电流波形出现异常，但对于主变差动保护，无任何电压闭锁逻辑，导致主变差动保护动作，跳开三侧开关。
图4 #2主变B套合并单元输出电压电流波形
3 数据采样及处理环节分析
3.1 故障录波图分析
如图5所示为该站#2主变保护配置原理图，根据双重化配置原则，A、B套采集单元及合并单元遵循相互独立原则，但基于罗氏线圈型隔离变压器输出信号经并联分别提供给A、B套采集单元，根据这一原则，通过分析A套装置可诊断B套系统故障点。
图5 主变保护配置原理图
图6所示为A套合并单元输出的三相电流波形，从图中可以看出故障前隔离变压器输出电流信号正常，排除一次隔离变压器故障导致的故障跳闸事故。
图6 故障前后主变高压侧A套合并单元输出电流波形
3.2 采集单元温度动模试验检测情况
故障发生后，立即将2号主变隔离变压器C相采集器1、采集器2及110千伏415线路隔离变压器A相采集器3、B相采集器4、C相采集器5送至中国电力科学研究院进行试验，试验结果情况如下：
（1）高温试验情况：在高温试验中，在达到最高温度70℃的过程中，各采集器均能正常工作，合并单元输出波形角差、比差符合标准要求。
（2）低温试验情况：在低温试验中，在温度降至零下9℃左右时，采集器2、采集器4对应的合并单元通道向外输出异常波形，如图7-10所示。
图7 低温试验2号主变C相B套合并单元输出异常波形
综上所示，在零下9℃低温情况下，采集器2、采集器4均不能正常工作。但由于此时试验所用的合并单元比现场实际合并单元软件版本更新，因此在接收到采集器的异常数据后，合并单元将采样数据判定为无效，保护装置接收到这种数据后会闭锁，避免发生误动作，继续降温至20度时，合并单元对应的采集器1~采集器5均不再输出，仅有参考采集器6正常工作，如图11所示。
图11 在-20℃低温试验时采集器1~采集器5均不再输出波形
（3）常温试验情况：在常温试验中，此次送检的各采集器均试验正常，其合并单元输出波形角差、比差符合标准要求。
从上述试验波形数据中可以得知，在现场多次输出异常波形、导致保护动作的采集器2和采集器4在零下9℃时就出现了异常，无法正常工作。剩余三个采集器1、采集器3、采集器5在零下20℃时也出现了异常、无法正常工作。
由此可见，故障现场送检的采集器1~采集器5均不满足Q/GDW 424-2010《电流隔离变压器技术规范》中要求户外正常工作温度-40°C~+70°C的要求。
该变电站隔离变压器所使用的合并单元未在采集器输出异常信号时闭锁输出。依据《电流隔离变压器技术规范》4.2.8，合并单元应能保证在电源中断、电压异常、采集单元异常、通信中断、通信异常、装备内部异常等情况下不误输出。
4 数据异常闭锁判据
4.1 数据异常闭锁判据
4.2 动作数据分析
如图12所示一般情况下，波形系数R大于0即认为波形失真，数据异常，图中波形系数值达到了2，严重失真，通过上述闭锁方式可有效识别数据异常。
5 结束语
本文通过分析一起继电保护连锁故障动作过程，指出隔离变压器采集单元数据异常为导致该故障发生的主要原因，通过对采集单元进行高低温试验，证明该型隔离变压器在低温条件下，不满足设备运行有关规定，分析故障波形，引入了闭锁判据，算例分析证明该闭锁判据可有效识别采集单元数据异常等情况，为隔离变压器识别采集单元数据异常提供了有效的理论及工程解决办法。
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