Improvement on transformer over excitation protection by studying several incorrect operation accident of substation
Huang Ying1 Cui Jing an2
（1. Northwest Grid Company Limted Xi'an 710048；
2 . Xi'an Power Supply Company Xi'an 710032）
Abstract：This paper gives a very particular analysis of several typical incorrect operation accident. Such incorrect operation results in several error actions of transformer overexcitation protection. Improvement on principle of transformer overexcitation protection is put forward to prevent similar accident. Its feasibility in theory was discussed at last.
Keywords：transformer overexcitation protection operation
1引言
微机式变压器过励磁保护自1999年在西北电网投运以来，整个西北电网先后发生了多起因操作PT而导致微机式过励磁保护误动作的事故，对系统的安全稳定运行构成了一定威胁，现将事故情况分析如下，并在现有设备基础上，从原理上提出了微机式过励磁保护改进建议。
2误操作事故简述
2.1 2000年9月5日铜川330KV桃曲变电站值班员操作330KV II母PT刀闸撤运时，拉开330KV II母PT C相刀闸后，1#主变微机过励磁保护动作，跳开变压器三侧开关。
2.2 2001年7月17日，甘肃330KV眉岘变电站II母PT A相冒烟（分析为II母PT击穿过电压），致使2#变过励磁保护动作，开关跳闸。
2.3 2002年10月17日，西安330KV东郊变电站运行人员在330KV II母PT预试完毕进行投运操作时，该站#2主变过励磁保护动作跳闸。
2.4 2003年4月3日宁夏330KV青铜峡变电站进行PT倒闸操作时，PT二次过电压致使5#变过励磁保护动作，开关跳闸。
3 典型事故分析
3.1铜川330KV桃曲变误操作事故
3.1.1事故经过
事故前，桃曲变1#、2#主变正常运行，330KV桃西线、桃渭线、桃桥线和桃金线运行，330KVⅠ母、Ⅱ母PT分列运行（如图一）。2000年9月5日9:25分桃曲变值班人员操作330KV II母PT刀闸撤运时，拉开330KV II母PT C相刀闸后，1#主变微机过励磁保护动作，跳开变压器三侧开关。桃曲变1#主变保护为WBZ-1201微机型保护，保护配置为“两主一后”，包括两套主保护（二次谐波比率制动差动保护和波形对称原理的比率制动差动保护）和后备保护（主要有相间、接地阻抗保护、复合电压闭锁方向过流保护，零序方向过流保护、过励磁保护、过负荷保护等）。
3.1.2动作原因分析
值班员撤运II母PT时，先将I母PT与II母PT并列运行，断开II母PT二次保险后，拉开C相PT刀闸，此时在II母PT的开口三角绕组产生了3U0=Ua Ub=-Uc，由于PT开口三角绕组只串接B相刀闸的辅助接点，因而不能将I母PT与II母PT的开口三角绕组断开。II母PT的3U0电压由L630、N600叠加到I母PT的开口三角绕组上。对于I母PT相当于在两个电压源的共同作用下，使得其二次绕组感应的电压发生变化，B相电压升高。从变压器保护动作时的录波数据可知：Ua=62.2∠59.2°V，Ub=72.1∠-56.3°V，Uc=55.2∠182.9°V，3Uo=59.4∠-12°V，而过励磁保护跳闸的整定值为1.2Un即69.3V,T=9 S，Ub已达定值，致使主变过励磁保护保护动作跳闸。
3.2西安330KV东郊变误操作事故
3.2.1事故经过
事故前，330KV东南线、3311开关、3310开关处于检修状态（如图二），II母PT所带负载切换至I母。2002年10月17日12时17分，运行人员在II母PT预试完毕进行投运操作时，12时17分41秒首先合上II母PT A相刀闸，12时18分13秒合上II母PT B相刀闸后，2#主变WBZ-1201微机过励磁保护动作，跳开变压器三侧开关。因当时东南线3311开关、3310开关处于检修状态，#2主变保护动作3330、3332、1102、3502开关跳闸，1#主变被动失压，造成东郊变全站失压。东郊变2#主变保护配置与桃曲变1#主变保护基本一样。
3.2.2动作原因分析
I母PT与II母PT的星型接线二次绕组均由各相PT刀闸辅助接点控制，而开口三角绕组由A相刀闸辅助接点控制。运行人员在进行II母PT恢复运行倒闸操作时，首先合上A相刀闸，此时II母PT开口三角绕组与I母PT的开口三角绕组并列。由于II母PT一次只有A相有电压，处于非全相状态，其开口三角绕组输出端电压为A相电压约100V左右。此电压加至I母PT开口三角绕组，这时I母PT受330KV I母和开口三角3U0两个电源同时作用，其二次绕组感应的电压发生变化；12时18分13秒合上PT B相刀闸后，保护装置感受到的电压为71.06V，达到整定值，导致＃2主变过励磁保护动作跳闸。
从故障录波图和保护装置的打印数据可以看出，合上PT A相刀闸后，A、B相电压升高，I母PT开口三角出现3U0；合上PT B相刀闸后，B相电压升高到额定值的1.23倍左右，达到保护整定值1.2Un，经延时，2#变过励磁保护动作跳开三侧开关。由于保护装置定值整定存在一定误差，2#变保护先动，1#变过励磁保护因2#变保护先动后失压没有动作。
上述两起事故共性是：在进行类似倒闸操作时（断开或合上PT刀闸），由于二次回路接线方式上存在一定缺陷和保护装置原理考虑不周，在未按一定操作顺序进行操作的情况下，使两组PT的开口三角绕组并列运行，通过感应造成正常运行中的那组PT二次绕组电压升高，达到过励磁保护定值引起保护动作。
4 过励磁保护工作原理
4.1过励磁保护工作原理（文献1、3）
变压器在运行中，电压升高或频率降低时，会出现过励磁。现代大型变压器采用冷轧晶粒定向硅钢片，额定工作磁密Bn=1.7～1.8T，饱和磁密Bs=1.9～2.0T，两者之比仅为1.1左右，更容易因过励磁而造成变压器的损伤。目前大型变压器都要求安装过励磁保护。变压器是由铁心和绕组组成，设绕组外加电压为U(V)，匝数为W，铁心截面为S(m2)，磁通密度为B（T）,电压频率为f（Hz），则有：U=4.44fWBS 。
对于给定的变压器，式中W、S 均为常数，故可写成：B=KU/f 。由于式中K=1/4.44WS，对于每一特定的变压器K为常数，因而工作磁密B与U/f成正比，电压升高和频率下降都将使工作磁密B增加，励磁电流增大，铁芯饱和，造成变压器过励磁。
过励磁对变压器的损伤主要是过压过热引起的，有一个时间积累过程。变压器允许过励磁运行的时间随过励磁倍数而不同，美、德等国家都制定了过励磁倍数与允许运行时间关系曲线，这类曲线具有反时限特征，并能反映过励磁时间积累过程。
4.2微机保护装置中过励磁保护的实现方法（文献2）
以WBZ-1201保护为例，作为大中型变压器在过电压或低频率下运行的过励磁保护，是采用以下判据实现的：N＝B/Be＝(U/f)/(Ue/fe)＝(U/Ue)/(f/fe)＝Ux/fx 。
式中：N--为过励磁倍数；U--为变压器高压侧母线电压；f--为系统频率；Ue--为变压器高压侧母线额定电压；fe--为系统额定频率；
本保护包括以下元件
（1）下限定时限元件，为过励磁保护的动作门坎，动作判据为：N＞N5(N5为下限定时限的定值，一般为1.1)
（2）过励磁告警元件，动作判据为：N＞Nx(Nx为过励磁告警元件的定值，一般为1.05)
（3）反时限元件，本装置采用五段折线拟合反时限特性。过励磁保护通常需要两个起动门坎值：达到较低门坎值(N＝1.05)时，提醒运行人员调整变压器工况，避免更严重的过励磁；超过较高门坎值(N＝1.2)并达到过励磁特性曲线所允许的运行时间后动作于跳闸。
5 变压器过励磁保护原理的改进
根据以上分析，为了防止变压器过励磁保护在进行PT倒闸操作时误动作，除了从管理方面（如按规程在操作时停用可能误动的保护等）和完善保护二次回路两方面加以防范外，还可以从变压器过励磁保护原理上进行改进。
5.1变压器过励磁时谐波电流的特点
现代大型变压器铁芯都采用冷轧硅钢片，其磁化特性曲线很“硬”，过电压时变压器励磁电流将激增，稳态空载电流含较多的3次、5次谐波分量，一般以5次谐波分量表示过激磁空载电流特性。在文献1中，对变压器过电压的励磁电流幅值Iμ 及其谐波I1、I3、I5、I7的大小进行了试验研究和分析（如图三），结果如下：
变压器过电压时，励磁电流中三次谐波和五次谐波电流变化显著，过电压在115%～120%时，三次谐波电流I3和五谐波电流I5达最大值，分别为基波电流I1的80%和50%；当过电压更大时，I5又明显减小，当过电压为140%时，I5/I1约为35%；电压低于105%或高于140%时，I5/I1<35%。
在进行PT倒闸操作时，变压器本身并未真正过励磁（因为变压器的端电压与系统有关），利用此特点，可对现有微机过励磁保护原理进行改进，选用三次谐波或五次谐波作为过励磁保护的闭锁量。由于三次谐波经常大量出现在其它场合，如变压器内部短路时就有可能出现较大三次谐波成分；而五次谐波成分的大小与铁芯材料有关，与铁心结构型式无关，因而选取五次谐波为闭锁量。选取五次谐波为闭锁量的过励磁保护动作原理框图如图四所示，虚线部分为新增闭锁条件，其中k%为I5与I1的比值。I5和I1对于微机保护可用数字滤波器直接滤出。
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