一起主变电抗器开关故障跳闸的分析及处理

作者简介：冯跃亮（1977—），男，浙江嘉兴，工程师，主要从事电力工程及其自动化的研究。

王伟嘉（1994—），男，浙江嘉兴，助理工程师，主要从事变电运检方面的研究。

周刚（1966—），男，浙江湖州人，高级工程师，高级技师，主要从事电气试验方面的研究。

电力系统中由于发生故障，继电保护装置会作用于断路器，将故障部分从电网中迅速切除，保证电网的无故障部分正常运行。电流互感器作为电力数据的采集单元，对继电保护装置的准确动作起到至关重要的作用，如果电流互感器存在问题，就会引起断路器的误动作，影响电网的安全稳定运行。为了避免此类事故的发生，需要严格把关电流互感器的设备质量，提升对关键电气参数的重视，保证电网的供电可靠性。

1   事件概况

调度监控在AVC 投入某变电站主变电抗器后，其保护动作跳开电抗器断路器。现场检查主变低抗A 相比率差动保护动作（动作值0.5Ie，Idc = 0.579Ie），保护正确动作。运维人员对一、二次设备初步检查未见异常。

2   设备情况

该电抗器为BKS-60000/35 型三相一体油浸式电抗器，于2017 年8 月1 日生产，2018 年3 月27 日投运。该电抗器为前置投切方式，投切开关为LW36-72.5W/T4000-50型弹簧开关。电抗器采用差动保护，电抗器首端采用独立流变，互感器为LB6-35W3 型油浸电流互感器，电抗器尾端电流互感器采用套管流变，电抗器接入差动保护的电流互感器次级采用5P30。该电抗器接入AVC 后平均每天投切一次，至今未见异常。

3   检查分析与处理情况

为查明异常原因，对一、二设备展开检查与数据分析工作。

3.1 一次设备检查情况

在设备跳闸前，该组电抗器结合检修开展过一次检修试验，电抗器试验^[1]（包括绝缘电阻、吸收比、泄露电流、直流电阻等），试验情况正常，试验结束后电抗器正常复役。

故障跳闸后，对该组电抗器取油样。油样呈透明状，无杂质或悬浮物。油中酸性产物会使其导电性增高，降低油的绝缘性能，高温时会加快绝缘材料老化和腐蚀。如果油的含水量增加，也会导致绝缘性能下降并促使油老化。测试介质损耗因数可以判断油老化与污染程度。击穿电压可以检验油耐受极限电应力的情况，若油中存在杂质颗粒会对击穿电压产生较大影响。油色谱分析能够分析油中溶解的气体，判断潜在放电、过热等故障。经过试验测定，电抗器油样情况正常。

3.1 二次设备情况分析

1）差动保护是比较电力设备流入和流出电流的大

小和相位构成的一种保护。在理想情况下，当电力设备正常运行或发生外部故障时，流经差流回路的电流为0，而实际上由于磁饱和特性、励磁电流等因素的影响，差流回路一定存在不平衡电流，一旦其超过差动继电器的动作整定值时，会导致差动保护的误动作。为了防止区外故障时微机保护的误动作，往往采用比率差动式继电器，其动作电流随不平衡电流的增大而按比率增大，并且增速也快于不平衡电流^[3]。比率差动动作曲线的原理图如图1 所示。

图1 比率差动动作曲线

当发生区外故障时，如果短路电流增大，制动电流也随之增大，从而防止了区外故障时发生差动保护的误动作。对保护动作行为进行分析，该电抗器保护取首端独立电流互感器电流与油抗尾端套管电流互感器电流做比率差动保护。根据获得的保护波形记录，电抗器保护比率差动动作时，A 相差流达到0.579Ie，大于差动动作值Icdqd=0.5Ie，满足保护动作条件，保护动作行为正确。

2）分析电抗器的合闸波形，通过现场检查开关跳闸当天该电抗器投入后保护录波波形，如图2 所示，三相电流均偏向时间轴一侧，其中A 相偏移程度最大，即出现较大的直流分量，同时首端电流中二次谐波含量比较大，导致这一现象的原因是：电抗器作为电感元件，电流不能突变，在合闸瞬间电流只能从零缓慢上升，如果合闸角合适（电压角度为90°或270°，电流角度为0°或180°），那么电流正好经过0 点，波形完全对称；如果合闸瞬间电流角度不在0°或180°，那么电流将从零点开始慢慢爬升，根据 ，电流将在电压等于0°或180°时爬到峰顶，由此导致电流偏于时间轴一侧。观察图2 波形，三相电流峰峰值基本一致，仅有波形整体偏移的区别，首端波形与尾端波形对比分析来看，首端波形的畸变明显较尾端电流互感器大。

电流互感器采样波形产生畸变的原因有以下几种：

①一次电流本身含有高次谐波。理想的电流波形为正弦波，而由于高次谐波的频率和幅值与基波的差别使得波形叠加后产生一定程度的畸变，因此电网运行时需要采取消除谐波的措施。

②铁芯处于弱磁区。根据磁化曲线可知，当磁场较弱时互感器的铁芯处于非线性区间，此时电流容易发生畸变。

③铁芯处于饱和区。当铁芯处于饱和状态时，磁通量不会有较大变化，电流互感器的电流波形会产生畸变效应。发生饱和的原因有一次电流过大、二次负荷过大、直流偏磁等。

图2 电抗器跳闸保护动作录波

图2 中，IA1.IB1 和IC1 为电抗器首端电流互感器电流，IA2.IB2 和IC2 为电抗器尾端套管电流互感器电流，正常首端和尾端电流互感器方向均指向电抗器。正常情况首端电流互感器与尾端电流互感器电流之和为零。

进一步对该组电抗器其他的投切时段的波形展开分析，如图3 所示。图3 中电抗器投入时刻，B、C 相电流同样出现明显的偏移，保护内部录波B 相差流值基波分类最大0.605Ie，此时制动电流不满足动作条件，保护未动作。进一步分析其他月份几次投切情况，均有类似情况，电抗器投切时首端电流互感器的波形畸变均比较明显。

图3 电抗器未跳闸时投入保护录波

关于电流互感器采样波形产生畸变原因的分析：

电力系统采用了多种方式抑制谐波电流。在谐波源处吸收谐波电流，目前常采用无源滤波装置和有源滤波装置等，无源谐波滤装置也称LC 滤波器，一般滤除谐波量为20% ～ 50%；有源谐波滤除装置是在无源装置的基础上发展起来的，在其额定无功功率范围内，可实现完全滤波。加装静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时抑制电压波动和三相不平衡。通过现场检测也证实电流的谐波分量大小符合电网运行要求，一次电流本身不含有高次谐波。同时电力系统的运行需满足用电负荷的需求，互感器应运行在磁化曲线的线型区域，不会有弱磁现象发生。

正常运行时，电流互感器铁芯工作在低磁密区，励磁阻抗很大，励磁电流很小，能正确传变一次电流；故障情况下，由于故障电流大，使铁芯的工作磁密过高，进入饱和区，磁路进入非线性工作区，这时电流互感器的二次电流就不能正确反映一次电流，若此时发生区外故障，差动保护就会误动。

关于电流互感器饱和^[2] 的特征如下：

一次电流过零点附近存在1 个线性传递区，使得区外故障时差动电流在一个周期内不是连续的；短路后电流互感器中的励磁电流上升到使铁芯饱和需要时间，在此之前电流互感器能准确传变，时间一般为（3 ～ 5）ms^[4]。

同时为了防止变压器或者电抗器等区外故障等状态下饱和使比率差动保护误动，利用二次电流中的二次和三次谐波含量来判别是否饱和，若差动电流为电流互感器饱和引起的，则闭锁比率差动保护。一般主变或电抗器内部严重故障，电流互感器饱和时，将使比率差动保护被闭锁。因而此时是差动速断保护起作用，不考虑励磁涌流、电流互感器饱和等影响，只要差流的有效值大于差动速断定值，将迅速动作切除故障设备。

一般情况下，电流互感器饱和会引起比率差动保护的闭锁，但由于设备抗饱和能力、磁场饱和判别能力的差别，可能会导致闭锁不成功。同时，此次事故不是由于区外故障导致的，不存在大量的高次谐波来提供饱和的判据，所以保护装置没有闭锁比率差动保护。

综合分析该组电抗器跳闸及投切情况，电流的畸变极可能是由于电流互感器饱和引起。由于该电流互感器准确级为5P30，在30 倍额定电流时能保证5% 的采样精度，而该次动作中最大电流有效值不超过1.5Ie，因此不是由于电流幅值过大而引起的。通过前面分析合闸时电抗器电流有较大的直流分量，而直流分量会引起直流偏磁，直流偏磁也会引起电流互感器饱和，导致电流波形畸变。同时怀疑该组电抗器首端电流互感器与套管电流互感器在特性上存在差异，且首端电流互感器存在抗饱和度比较差的问题，导致电抗器在投入后产生差流并超过保护定值动作跳闸。

3）对异常情况进行比对，发现该电抗器首端电流互感器生产厂家为某电感器厂家，尾端电流互感器为油抗厂家自带的套管电流互感器，首尾段电流互感器存在差异。同时该电感器厂家在其他变电站的电抗器投入操作中已发生过跳闸现象。跳闸原因分析为该间隔流变直流偏磁^[5]导致电流互感器（电抗器开关电流互感器或保护装置内部辅助小电流互感器两者之一）饱和，引起二次电流波形畸变，使保护采样值减小，达到低流保护整定值，造成保护动作跳闸，其电流采样情况与本次跳闸时录波显示基本一致，如图4中IC 电流。

图4 低抗跳闸时主变35kV侧录波图

4   故障原因分析

经现场检查与试验，一次设备电抗器、二次设备保护装置不存在故障，比率差动保护跳闸逻辑正确。通过分析电抗器的合闸波形，发现三相电流均发生直流偏磁现象，同时互感器电流发生畸变，排除高次谐波和弱磁的影响，判断为直流分量的原因。

综上所述，造成该电抗器在合闸瞬间比率差动保护动作跳闸的原因为直流偏磁导致电流互感器饱和，同时电抗器首、末端电流互感器特性不一致引起二次电流波形畸变程度不一样，从而产生差流，达到比率差动保护整定值，造成保护动作跳闸。

5   后续措施

联系互感器厂家，对该组电抗器首端电流互感器进行分析，对三相电流互感器均进行电流传变试验，包括抗饱和度试验，分析电抗器电流互感器传变特性是否存在异常。如果确认该电抗器首端电流互感器存在异常，则对该组流变进行更换，并根据相应的试验数据结果，研究电抗器电流互感器饱和原因，整理完整的设备缺陷报告，指导以后工作的开展。

6   结束语

电流互感器作为电力数据的采集单元，对继电保护装置的准确动作起到至关重要的作用。本文通过研究某变电站的电抗器开关跳闸，分析得出电流互感器的抗饱和度和不同厂家产品差异性对保护动作可靠性的影响。所以在以后的互感器验收中需将此项作为一个重要标准，从而避免类似异常再次出现，保证电网的安全稳定运行。

参考文献：

[1] 于波,孙伟红,彭林,等.电抗器故障引起线路跳闸的事故分析[J].农村电气化,2012(1):32-33.

[2] 陈建玉,孟宪民,张振旗,等.电流互感器饱和对继电保护影响的分析及对策[J].电力系统自动化,2000(6):54-56.

[3] 贺家李.电力系统继电保护原理[M].北京:中国电力出版社,2004.

[4] 叶民.电流互感器饱和特性及对继电保护的影响研究[D].重庆:重庆大学.

[5] 常欢欢,黄帅.基于变电站内高压直流输电系统直流偏磁现象分析[J].工程技术(全文版),2016(3):279.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年10月期）