数字化主变保护误动原因分析及应对措施

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  摘要:分析了一例因干扰引起数字主变差动保护误动跳闸的事故。针对误动,通过对录波文件和主变过程层设备数字量采样设备(电子式CT、PT)、传输光缆、综合智能接口的测试和分析,指出主变保护因低压侧电流采样受10kV电容器投退干扰引起数字主变差动保护误动跳闸,应对措施为在调理单元保护信号输出端增加滤波电容,或者直接更换新的综合智能接口交流插件。
  关键词:数字化主变保护;抗干扰;系统故障;干扰源;误动
  作者简介:任平力(1963-),男,河南新乡人,新乡供电公司,高级技工;申远(1982-),女,河南新乡人,新乡供电公司,助理工程师。(河南 
  新乡 453000)
  中图分类号:TM77  文献标识码:A  文章编号:1007-0079(2011)36-0160-03
  
  数字化主变保护运行状况的好坏,关键在于对一次电流、电压数字采样信号的去噪处理,以及采样信号传输通道不受干扰。只有数字量采样设备(电子式CT、PT)、传输光缆、综合智能接口DTI801装置等不受干扰,才能得到准确的采样数据,但运行现场的干扰源较多,情况比较复杂,一旦采样数据受到现场干扰就可能造成保护误动。现介绍一起主变保护低压侧电流采样受10kV电容器投退干扰引起数字主变差动保护误动跳闸的事例,通过对此次事例的分析及解决方案的提出,希望能引起相关人员对数字化变电站数字保护抗干扰的重视,避免数字保护误动,确保电网的安全运行。2010年9月14日08时16分52秒358毫秒,某数字化变电站监控报2#主变差动保护动作,主变高压侧和低压侧开关跳开(保护型号:WBH-815B),但由于同时主变差动保护的通讯插件死机,造成主变差动录波文件丢失。查看主变后备保护,在差动动作时,主变高后备无任何异常,低后备保护启动元件动作,同时启动了低后备录波。相关技术人员及时组织分析,对变压器外观进行了检查,对油样进行了化验分析,判断此次差动保护动作属于无故障动作,保护误动。
  一、过程分析
  1.录波分析
  图1为低后备录波波形。从低后备的录波波形可以看出,差动动作时,2#主变低压侧电流和电压同时出现很大的尖波,幅值均为负值,且经过计算,电压和电流的二次采样幅值基本一致,由此可判断本次事故原因应为2#主变低压侧所有模拟量通道同时出现向下的尖波,主变差动计算的差流也出现瞬时尖波,造成比率差动保护动作,而主变高压侧后备保护无任何异常,故由此判断本次差动动作为低压侧异常,和高压侧没有关系。根据录波波形,所有模拟量通道同时出现向下的尖波,且最大幅值相似,一次系统实际不会出现类似的波形,故可排除一次系统出问题的可能性,判断为二次采样系统出现问题,即2#主变的过程层设备出了问题。
  
  
  2.保护采样设备分析
  对现场2#主变过程层设备进行查看,其中综合智能接口DTI801装置无异常信息,连接互感器的小信号线接地良好,考虑到所有的数据同时出现尖波,并且互感器和调理装置为分相装置,各相装置相互独立,所以同时出现问题的几率较小,而综合智能接口DTI801装置出问题可能会导致所有模拟量同时出问题,故障定位为综合智能接口DTI801装置异常。通过就地监控对事故前后操作进行对比,发现在2#主变差动动作前,进行了远方投电容器操作。然后查看了主变低后备装置,读取低后备的录波文件,发现后备保护启动很多次,把录波文件和投电容器的时间进行对比,时间比较吻合,即每次录波启动时都有投入2#电容器操作。查看这些录波波形,发现其和这次事故的动作波形比较相似,都存在向下的尖波,只是幅值大小不同而已。查看10kV进线(102)柜位置,正好和2#电容器柜相邻。由此可初步确定为投电容器时,一次系统产生较大的干扰信号,对二次采样回路产生影响,导致各模拟量通道同时产生较大的向下的尖波,从而引起主变保护误动。
  经以上分析可知,本次事故的原因在投2#电容器时,对一次系统冲击较大,从而对2#主变低压侧采样系统产生较强的干扰,综合智能接口DTI801或调理单元受到干扰后,所有模拟量通道同时出现向下的尖波,导致2#主变差流瞬时增大,比率差动动作,开关误跳闸动作。
  二、保护误动的主要原因
  1.干扰源分析测试过程
  (1)实验室试验。
  由于现场无法模拟故障状态,确定第一步方案为针对现场问题进行模拟实验,模拟现场对综合智能接口DTI801装置及调理单元进行整体测试,模拟故障状态,确定受干扰环节,提供详细解决方案及整改措施。经过事故分析,该干扰主要来自于投电容器时产生的涌流,对装置的主要干扰应为浪涌,所以首先对DTI801装置做了4级浪涌试验,结果一切正常,并没有出现现场类似的尖波。然后重新搭建试验平台,包括综合智能接口DTI801、小信号传输线及调理单元,按照国标对整个平台进行抗干扰试验,从浪涌试验到快速瞬变,做完整个平台的硬件抗干扰试验,没有发现任何异常。由于在实验室没有模拟出现场的故障波形,暂时无法确定干扰源,无法提供相应的解决方案,经过协调,确定到现场进行实际的投切电容器试验,进一步确定受干扰的位置,进而找到解决问题的方案。
  (2)现场试验。
  经过研讨,确定如下测试方案:
  步骤1:利用设备实时监视2#变采样值,实际投退电容器,确定投电容器是否真的干扰到采样值。
  步骤2:完成步骤1的情况下,分步排除各个采样环节(综合智能接口、调理单元及小信号传输线)是否受到干扰。
  步骤3:在任一环节找到受干扰点,结束测试,寻找解决办法。
  根据上述方案,在变电站进行多次试验,测试平台如图2所示,用测试电脑从交换机上取得2#变低压侧采样值,并通过监视软件对采样值进行监视,通过对S1和S2线的调整完成对采样信号处理的各个环节的排除,测试干扰较大数据。
  
  
  (3)测试方法。
  首先根据步骤1,把2#主变退出运行,由1#变带全站负荷,由于1#变处于运行状态,要监视采样值需要更改交换机配置,考虑1#变带全站负荷,为防止误操作影响全站,不进行监视1#变的采样值。在不改变现场接线的情况下投切3次电容器,发现2#变低压侧采样值每次在投电容器时都存在向下的尖波,但幅值较小,与实际故障波形相似,由此确定干扰确实来自投电容器操作。
  经过调换S2和S1线的接线方式,反复实验(录取干扰较大测试数据),基本确定投电容器时,综合智能接口和调理单元未受到干扰,受干扰的是S1小信号传输线,测试的数据表明,A相的干扰更大一些,由此判断为A相信号线的接地不好,造成小信号受到干扰,且2#主变柜的小信号线是从靠近电容器柜侧走过来的,而A相离电容器柜最近,怀疑这样的走线更易受电容器的干扰,所以研究决定更换S1传输线,并把走线位置改到靠近PT柜一侧,更换现场的S1传输线,并更改走线位置。
  经过步骤2的更改,重新做实验,发现干扰依然存在,考虑种种因素,决定不再查找干扰途径,而是想办法消除干扰,保证投切电容器时不会对主变保护产生影响。基于这个目的,对调理单元的电路进行现场修改,并进行实际测试,最终在保护用模拟量输出端增加滤波回路时,滤波效果很好,可以滤除高频干扰,且对保护信号的影响在允许范围之内,可忽略不计。
  (4)测试数据分析。
  试验1:维持现场原状,对电容器进行投切试验,共投切3次。
  
  
  结果:通过对smv的监视,发现投电容器时对低压侧的采集系统有影响,干扰主要集中在保护电流上,其它采集通道可忽略不计,切电容器时对计量系统无任何影响,对保护电流的影响见表1。测试3次,结果全部发现干扰和原来预测的A相=B相=C相不符,干扰级别都为A相>B相>C相。
  经过对换DTI与ECT之间的相别导线和ECT与电流互感器之间的相别导线,多组组合后多次试验发现干扰级别都为A相>B相>C相。另外,在互感器端使A4短接,然后把C4端的插线头接到A电流互感器上试验,发现A相有少量干扰,BC上面基本没有,因此还不能判断干扰源。
  试验2:再次进行接线试验,可能是由于前面对互感器端的接线有所改变,试验结果比较理想,ABC相的干扰只有十几mv,但试验两次干扰级别仍然是A>B>C。
  试验3:决定更换电流互感器的线路布置,使其远离电容器柜。将A3,B3,C3端子连接处都解除屏蔽。
  
  
  从表2可以看出,A相、B相和C相的保护电流受到的干扰都很大,全部超过了第1次试验的数值。证明此处的屏蔽对信号的保护还是起到了相当大的作用,电流互感器的线路布置也有很大影响。
  
  
  初步结论:信号带缆与电容器柜近距离布置,电容器所产生的干扰信号易输入系统。信号带缆屏蔽层接地不可靠且易产生问题。
  试验4:重新布线后,恢复试验的接连方式,如图5所示,共投切电容器试验3次。
  
  
  结果:由于改变布线需要断开PT,在改变布线未投PT的情况下进行了2次试验,没有找到任何干扰。但第3次投放了PT以后,干扰相当大。断开A4、B4、C4与电压互感器的地线连接,试验仍有干扰。
  由于干扰源太多,干扰复杂,如果为确认干扰源而不停投切电容器,对一次设备影响较大。因此,决定在调理器上做一些抗干扰处理,增加调理器的抗干扰能力。
  三、抗干扰解决方案
  1.2#变解决方案
  经过现场试验,最终确定2#主变解决方案,即在调理单元保护信号输出端增加滤波电容。增加的电容和调理单元的输出运放等效的电阻构成RC低通滤波回路,该滤波回路的截止频率在10M左右,对于10M以上的信号,该回路就通过滤波作用直接滤掉高频干扰信号,而对于10M以下的低频信号,没有影响。由以上分析可知,本次改动对保护信号的精度基本没有影响,更不会对差动保护有影响。
  2.1#变解决方案
  由于1#主变正在运行,不能进行现场修改调理单元,而调理单元和互感器为一一匹配关系,如果更换调理单元就面临着重新调整互感器精度的问题,十分不便,所以就需要一个更完善的解决方案。进过研究,发现如果把同样的滤波回路放在综合智能接口的交流采集回路中,不仅可以过滤掉调理单元前的干扰,即使从调理单元到综合智能接口的信号线屏蔽受损,信号线受到干扰,也会被滤波回路把高频干扰过滤掉,这样1#主变就可通过更换综合智能接口的交流插件消缺,只需在停1#变的时候更换一个插件就可以了,综合智能接口的精度调整只需一个测试仪就可完成,不需在一次侧增加工作量。
  经过初步测试,修改综合智能接口的交流插件可以实现对高频信号的滤波,且测试结果表明修改后的插件可以满足保护及测量信号精度的要求。据此,1#主变的解决方案就是提供新的综合智能接口交流插件,在合适的时间进行更换。
  三、分析与探讨
  针对此次保护采样回路因受干扰造成主变保护误动事件,对城市供电的可靠性要求构成了严重威胁,为全面评估数字化变电站改造的安全性和可靠性,避免由于软件或其他硬件受现场干扰造成保护不正确动作,要求厂方人员对升级改造后的综合智能接口交流插件、调理单元等插件的采样、程序进行充分现场抗干扰试验和测试,并出具相应的分析和试验材料,确保保护装置抗干扰能力满足升级要求。并对本站的本厂家设备进行抗干扰排查,发现问题及时报告,从而保证系统的安全运行。另外,厂家要对数字化变电站安装过程中抗干扰细节和注意事项进行详细的文字说明,从而把现场干扰源的干扰降低到最低限度。另外,要严格贯彻国家电网公司十八项反措明确规定:在干扰水平较高的场所,或是为取得必要的抗干扰效果,宜在敷设等电位接地网的基础上使用金属电缆托盘(架),并将各段电缆托盘(架)与等电位接地网紧密连接,并将不同用途的电缆分类、分层敷设在金属电缆托盘(架)中,从而杜绝数字化站保护受干扰误动,确保数字化保护安全可靠的运行。
  
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  (责任编辑:刘辉)
  
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