西门子零序差动保护动作原因分析

西门子零序差动保护动作原因分析

刘照辉

（辽宁红沿河核电有限公司辽宁省大连116001）

摘要：结合某电厂主变送电过程中零序差动保护动作，分析其动作原因，讨论西门子7UT保护装置整定过程的关注点，以期使零序差动保护尽最大可能发挥其功效。

关键词：零序差动保护；动作特性；门槛值；斜率；灵敏度

1.引言

2016年12月1日，某电厂2号主变压器倒送电时，零差保护动作跳闸。两套零差保护具有各自独立的电流回路，从波形可以看出是典型的励磁涌流波形，但是直流分量异常偏大。根据波形分析可以确定变压器内部没有发生相间故障，但无法确定变压器内部是否发生经过渡电阻接地故障导致零差保护动作跳闸还是零差保护误动导致送电失败，因此暂停送电，待查明原因后再继续送电。

图1零差保护原理接线图

2.保护动作特性

该厂2号主变压器零差保护是西门子7UT6xx系列产品，西门子7UT6xx系列保护装置零序差动保护原理不同于其它厂家的零序差动保护，其动作电流为中性点零序电流，制动电流既与中性点零序电流有关也与高压侧合成零序电流有关，表达式如（图1）：

动作电流：Idz=Ix

制动电流：（若计算值小于0，装置默认取0）。

Ix为主变中性点零序电流，3I0为主变高压侧合成零序电流，制动电流Ires为两个零序电流的矢量差与两个零序电流的矢量和的数量差；IA、IB、IC为变压器高压侧二次三相电流。

经过现场实际校验发现西门子7UT6xx系列产品零差保护动作特性为：

Idz＞Ipk+Ires

Ipk=Ipk.min（≤Ipk.min/S）；

Ipk=S（＞Ipk.min/S）=IA+IB+IC+Ix

其中Ipk为启动定值，Ipk.min为保护动作电流的门槛值，S为启动值的浮动门槛斜率，Ipk.min及S为该保护需要整定的两个定值。

3.保护动作原因分析

提取不同时刻保护装置采集到的电流数值进行分析：

表1保护装置数据

从表1可以看出

（1）13.6ms到63.2ms期间，合闸开始阶段中性点侧零序电流Ix大于启动值0.1Pu，但Ipk+Ires远大于动作电流Ix，因此零序差动保护可靠制动。

（2）73.4ms到213.2ms期间，中性点零序电流Ix小于启动值0.1Pu，零序差动可靠不动作。

（3）214ms到226.1ms期间，中性点零序电流Ix大于启动值0.1Pu，但是Ipk+Ires大于Ix，零序差动可靠制动。

（4）227.1ms到230.5期间，中性点零序电流Ix大于启动值0.1Pu，且Ipk+Ires较小，保护装置在230ms时动作出口。

4.保护定值思考

对于西门子7UT6xx系列产品的零差保护，在区内故障时制动量为零，因此有很高的灵敏度。在区外故障时制动量比常规的差动保护高8倍以上（一般常规的差动保护整定的制动系数K<0.5），因此在区外故障稳态时保护不可能误动。

这种保护的计算原理比较独特，设计比较巧妙，但仍然需要考虑躲过以下几种情况：

（1）在正常工况下，由于系统本身的不平衡引起的、流经变压器中性点的零序电流（空载或低负荷情况下，制动电流可能很小或为零，因此零序差动保护容易误动）。

（2）在区外非接地故障时，由于主变高压侧的三相CT饱和程度不同及饱和特性不一致引起主变高压侧计算零序电流，此计算零序电流的方向不确定，所以有时可能表现为区内故障的方向。

（3）在区外接地故障时，由于主变高压侧的三相CT饱和程度不同及饱和特性不一致引起主变高压侧计算零序电流中的叠加分量。

对于上述可能会造成误动的情况，西门子主变零序差动保护设置了两个应对措施：一是将保护的动作电流设置动作出口门槛值；二是门槛值随和电流的增大而增大，即门槛值随和电流的增大成一定比例增大。

针对上述西门子主变零序差动保护需要躲过的三种情况，笔者认为：

第1和第2种情况都可以通过适当整定门槛值Ipk.min来实现。第2种情况虽然可能表现为区内故障，最严重时可能导致制动电流为零，但它并没有增大动作电流（流经变压器中性点的零序电流），也就是说它对动作电流没有影响。这时流经变压器中性点的零序电流很小，完全可以通过适当整定门槛值Ipk.min来躲过。也正是基于此，高春如先生在他的《大型发电机组继电保护整定计算与运行技术（第二版）》一书中，认为西门子零序差动保护是到目前为止不受主变高压侧CT暂态误差影响的最为理想的零序差动保护。

第2种情况还可以通过整定斜率S来适当增加保护的动作门槛值，以此强化保护装置的可靠性。因为在正常工况下不需要抬高门槛值，所以斜率应在负荷电流大于满负荷的工况下才起作用。忽略中性点电流，则有=︱IA︱+︱IB︱+︱IC︱（按负荷电流为额定电流时考虑）。若已经整定了Ipk.min=0.2pu，则斜率S=0.2/3=0.07。

虽然看起来斜率S的值很小，但它对制动的强化作用是非常明显的。以在主变高压侧母线发生两相短路为例，短路电流约为10pu。假定启动值整定为Id=0.2pu，则S=0.07，仅考虑故障相电流的抬高作用，相应的Ipk就增加了0.07×10×2=1.4pu。其值远远高于一般情况下区外相间短路时变压器一次三相最大不平衡电流10%In。

第3种情况也主要是对制动电流造成了影响。在区外接地故障时，主变高压侧计算零序电流中的叠加分量可能会造成制动电流的减小，也就是说削弱了制动特性。但是和零序差动保护本身的强制动特性相比，可以不予考虑。实际上，在中性点零序电流和高压侧计算零序电流的相角差小于80º时，保护已不可能误动。

5.结束语

因此，本次保护动作的根本原因为保护启动值设置偏小，按照经验，笔者建议设置为0.15-0.22pu。斜率建议设置为1/3启动值。对于其他大幅增大启动值或斜率，笔者认为应该再议。

对于百万机组的大型分相变压器来说，除引接线外，其内部基本上不会出现相间短路的可能性。内部故障的主要表现形式为同相绕组的的高低压侧之间、以及同一绕组的匝间短路及接地。但常规的差动保护对于匝间短路及接地故障是有死区的，在短路匝数较少时，差动保护将不会动作。而对于接地（或不平衡）故障，当故障电流较大时，差动保护能够正常动作。零序差动保护的问题是，无论如何配置也必然存在一定的死区。如果零序差动保护的配置和选型不合适，可能其灵敏度还不如差动保护，因此笔者认为，既然装设了零序差动保护，就是为了提高在上述故障时保护的灵敏度，减小死区，而不是作为后备，所以零序差动保护的灵敏度不应该再人为地降低。

参考文献

[1]7UT6x微机型差动保护装置用于功能手册-SIEMENS.

[2]高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术(第二版).中国电力出版社.

作者简介

刘照辉（1988年6月），男，汉族，山西省吕梁市，工程师，本科，主要负责机组继电保护的维护工作。现供职于辽宁红沿河核电有限公司。