(云南电网有限责任公司文山供电局云南文山663000)
摘要:富宁换流站由于区外故障引起STATCOM专用变压器主二差动保护误动，本文对变压器两套差动保护原理的差异性及动作原因进行分析。多次故障证明使用分相闭锁模式不能躲过弱交流系统的小容量变压器区外故障，通过改进完善差动判断逻辑为一相制动闭锁三相的模式后，成功解决了区外故障变压器差动保护误动的问题。
关键词：差动保护；误动；制动闭锁
引言
变压器差动保护主要用来保护变压器内部及其引出线上发生的各种相间短路故障，以及单相匝间短路故障。变压器区内故障时差动时灵敏性高，动作迅速、可靠，在区外故障时变压器差动保护不会动作。然而，富宁换流站由于区外故障引起主二保护PCS-978Z型装置差动保护多次误动，如2017年1月10日为#6降压变主二差动保护动作，2017年5月29日为#5、#6降压变主二差动保护动作，2017年6月12日为#5降压变主二差动保护动作，这几次保护动作原因基本相同。由于动作原因较为复杂，各级专家及保护厂家对动作原因经过多次分析、讨论研究，最终查明差动保护误动原因，并对该问题进行整改，成功解决了变压器差动保护误动的问题。本文就STATCOM专用变压器主二保护PCS-978Z型装置差动保护误动原因进行分析，提出保护误动的改进措施。
1专用变压器差动作保护原理
1.1专用变压器配置及保护情况
富宁换流站是永富直流的受端站，站内设备多、技术高、运行方式复杂。富宁换流站是云南电网和广西电网的连接枢纽，地里位置非常重要，由于永富直流受端系统薄弱，短路容量不足，该站所处的电网存在地区动态无功不足的问题，为提高观音岩直流送出工程的运行可靠性，在站内安装了容量为3×±100Mvar的大容量STATCOM，#1、#2STATCOM共用一台240MVA的专用#5降压变压器，#3STATCOM用一台120MVA的专用#6降压变压器。#5、#6降压变压器保护配置均完全相同，其中，主一保护采用长园深瑞公司的PRS-778S保护装置，主二保护采用南瑞继保公司的PCS-978Z保护装置。
1.2专用变压器差动保护原理分析
由于两个公司在设计变压器比率差动判断逻辑存在差异，下面就对PRS-778S和PCS-978Z两套装置比率差动保护原理差异性进行分析。
PRS-778S装置采用二次谐波复合逻辑制动原理。具体如下：
1）对/接线变压器，差流反映形接线侧两相电流相量差。变压器在形接线侧空投时，单相电流中较强的涌流特征（二次谐波含量或间断角）在两相电流相减后，差流中的涌流特征可能减弱。这种情况下，从差流提取二次谐波分量实现制动的传统方法可能失效。该装置变压器侧的CT也按形接入，故当差流二次谐波未能制动时，可进一步用原始两个相电流中的二次谐波进行制动，这就大大提高了涌流制动的可靠性。
2）常规二次谐波涌流制动原理在任一相差流涌流制动时，闭锁全部三相比率差动保护，称为“或”制动逻辑。若单纯用“或”逻辑进行制动，空投于故障变压器时，差动保护的动作速度有可能较慢。该装置则根据涌流和故障电流在三相差流中的反映，采用涌流复合制动逻辑：在变压器无故障时采用“或”逻辑制动方式可靠地避开涌流，空投于故障变压器时自动转换为分相制动方式。保证了空投于故障变压器时比率差动保护仍能快速灵敏动作。
PCS-978Z装置采用常规的二次谐制动原理，当三相中某一相被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。
1.3分析结论
通过以上分析可以看出，PRS-778S和PCS-978Z装置尽管在比率差动动作逻辑、动作特性、动作方程存在一定的差异，但比率差动保护原理基本相同。而最大的差异性为：PRS-778S装置任一相差流涌流制动时，闭锁全部三相比率差动保护，而PCS-978Z装置某一相差流涌流制动时，只闭锁该相比率差动元件。这一差异性就是两套保护装置动作结果不同的关键所在。
2专用变压器差动保护误动原因分析
由于3次专用变压器差动保护动作原因基本相同，下面就以6月12日为例，对#5降压变的两套保护动作情况进行分析。当天富宁换流站保护动作情况较为复杂，具体动作情况如下：
2017年6月12日18时06分45秒，广西电网220kV某线路发生A相接地转AB相间故障，引起富宁换流站内系统电压降低至约56%，直流双极换相失败产生并持续100ms；#1、#2STATCOM低电压限流动作，#1、#2STATCOM故障闭锁动作；220kV信氧Ⅱ回线故障切除；富武甲线串补间隙保护动作，串补临时旁路；#5降压变主二PCS-978Z比率差动保护跳闸（主一PRS-778S保护未动作）；35kV母线保护动作；广西电网220kV信氧Ⅰ回线B相接地故障，10ms后转为AB相故障；直流双极再次发生换相失败；220kV信氧Ⅰ回线故障切除。
图1#5降压变三相差流及三相差流谐波含量波形
下面重点对#5降压变差动保护动作情况进行分析，降压变三相差流及三相差流谐波含量波形如图1所示。
2.1主二南瑞PCS-978Z装置动作情况
从波形上看，ABC三相差流均出现过低于二次谐波定值15%的情况，其中AC两相低于定值的时间较长，B相较短。因为二次谐波含量最低时为6%低于定值，同时保护启动时刻差流达到1.26Ie，高于定值0.4Ie，满足比率差动保护动作条件。根据PCS-978Z装置励比率差动保护磁涌流判断逻辑，某一相差流涌流制动时，只闭锁该相比率差动元件，也就是说，只要有一相满足比率差动保护动作条件，则保护动作出口。因此，此种情况下，虽然是区外故障，但是由于变压器励磁涌流的影响，此时二次谐波制动不能闭锁保护，造成该情况下比率差动保护误动作。
2.2主一PRS-778S装置动作情况
从波形上看，ABC三相差流在整个过程中都有多个点满足该相动作的条件，此期间只有一个点两相同时满足，根据PRS-778S装置二次谐波复合制动逻辑，当三相差流中仅一相或两相满足动作条件时，选取“或”逻辑制动。此时，差动保护闭锁保护不动作。
2.3降压变波形特征分析
1）AC两相差流存在较大直流分量；差动呈现出一定间断角特征；三相差流波形存在一定畸变，含有谐波分量。这三点反映出当时变压器饱和，波形出现励磁涌流特征。
2）三相差流出现时刻电压波形呈现抬升趋势，但同时电压波形存在畸变；录波波形全过程中，差流AC两相分别出现过二次谐波占比较低的时刻；降压变容量较小，伴随变低STATCOM暂时性闭锁，变低电流突然消失加剧变压器饱和，此时变压器饱和，仅高压侧存在电流。这三点与通常恢复性涌流波形存在差异。
3）高压侧开关电流合成之后与套管电流比较基本一致，说明高压套管CT并未饱和。
2.4故障机理分析
结合波形和有关的仿真现象，认为富武甲乙线的串补阻断了直流分量的通路，导致变压器严重饱和。
当交流系统较弱时，相邻直流系统的换相失败，特殊工况下的控制策略，变压器的饱和特性，电力电子设备的输出调节等会相互影响，导致系统电压发生严重畸变。畸变的电压可能会导致变压器进入严重饱和状态从而引起较大差流。此差流在变压器正常运行时产生，而非发生在空充或者电压恢复，产生前的状态和常见故障相近，因此很难通过特殊工况的判据进行判别。
此外，变压器饱和是由于电压畸变导致的。而电压畸变的大小，持续时间，各相间的相互关系和影响同系统运行状态和各一次设备的相互作用有关，很难确定。因此各相差流的大小和谐波含量也没有经验数据可以借鉴。理论上可能存在一定时间内励磁电流单相、两相，甚至三相均谐波含量低的情形，呈现一定程度故障特征的波形。
3改进措施
通过对#5降压变差动保护动作情况分析，查明了PCS-978Z装置比率差动保护采用分相制动闭锁逻辑，应对此种工况存在一定局限性，需要对此种特殊系统下的小容量变压器增强涌流的闭锁能力。为解决此问题，我们做了如下改进措施：
比率差动保护涌流判据使用一相闭锁三相的模式，即当任一相检测到较为明显的涌流特征（涌流判据不满足）时，各相比率差动均闭锁，仅当三相涌流判据均开放时，比率差动才开放。对于高值比率差动，另外两相谐波含量非常低（低于1/3闭锁定值）时，不投入一相闭锁三相模式。
保护判据更改后，闭锁方式更加严格，改进后，对PCS-978Z装置进行系统试验，使用新判据对几次跳闸工况下波形进行回放，保护始终未开放，且离门槛有一定裕度。2017年6月25日，永富直流在输送3000MW功率的工况下，南网总调在广西电网组织了两次大功率短路试验，过程中富宁站极1、极2各发生一次换相失败，#5、#6降压变高压侧电压越限进入暂态，#1、#2、#3STATCOM暂时性闭锁，设备未发生跳闸。同时对两次短路试验时降压变的波形与之前降压变跳闸波形进行比对，波形基本一致，实践再次验证了降压变保护装置逻辑改进的有效性。
结论
富宁换流站由于区外故障引起STATCOM闭锁，专用变压器二次侧电流突然消失，变压器严重饱和，产生较大的励磁涌流，主一PRS-778S装置采用一相差流涌流制闭锁三相比率差动保护未动作，而主二PCS-978Z装置采用分相差流涌流制动闭锁该相比率差动导致差动保护误动。通过对降压变差动保护动作原因进行分析，认为此工况下，小容量变压器必须增强涌流的闭锁能力。为此，我们对比率差动闭锁逻辑进行改进完善，采用一相闭锁三相的模式，成功解决了区外故障变压器差动保护误动的问题。闭锁条件严格之后，同时也兼顾了区内故障保护能可靠动作。
参考文献：
[1]国网运行有限公司.高压直流输电岗位培训教材交流保护设备[M].中国电力出版社.2009.4，P142.
[2]云南电网有限责任公司文山供电局．富宁换流站运行规程［Z］．2016，P18-8．
[3]长园深瑞公司.PRS-778S微机变压器成套保护装置技术说明书V1.61[Z].2012.7，P9-11.
[4]南瑞继保公司.PCS-978Z_变压器保护说明书X_R1.00[Z].2013,P15-16.