AT所差動電流保護整定方法

李文起

石太客運專線電氣化鐵道牽引供電系統采用AT供電模式，其中AT所差動電流保護是一種新型保護。自2009年4月正式投入運行以來，在沒有發生短路故障的情況下，曾經多次發生AT所差動電流保護裝置誤動作現象。經現場檢查和測試證明，所有一次設備、二次設備、設備接線和電流互感器極性均正常。差動電流保護裝置動作時，外部電流大于其差動電流整定值，說明差動電流保護裝置應該動作。但是繼電保護整定原則要求，在無短路故障的情況下，差動電流保護裝置不能動作，因此說明差動電流保護整定值可能存在問題，下面進行詳細分析。

1 AT所差動電流保護的基本原理

從AT所主接線示意圖（圖1）和AT差動電流保護二次接線圖（圖 2）可以看出，AT差動電流保護有2種檢測差電流的模式：一是檢測T線、F線上的電流差，即電流互感器LHT1與LHF1（LHT2與 LHF2）二次線圈同極性并聯，在有電流通過時產生的電流差；二是檢測上下行的電流差，即電流互感器“LHT1與LHF1的電流差”與“LHT2與LHF2的電流差”之差形成的差電流。

圖1 AT所主接線示意圖

上述T線、F線上的電流差是在綜合自動化系統（簡稱綜自系統）外部，通過 LHT與 LHF電流互感器二次線圈并聯形成。然后將上下行各自的電流差輸入到綜自系統內部，通過它的分析計算形成最后差電流，并將此差電流與保護整定值自動比較，判斷出差電流保護裝置是否動作，若差電流超過標準電流整定值，則差電流保護裝置即可動作跳閘。

2 AT供電電流的種類及強度

2.1 電流的種類

T線、F線上存在的電流有4種：一是在AT空載投入時的勵磁涌流；二是在機車運行時的負荷電流（包括機車啟動時的電流）；三是線路短路電流（T線、F線間短路；T線對地間短路；F線對地間短路）；四是AT所內短路電流（T線、F線間短路；T線對地間短路；F線對地間短路）。前 2種情況時差電流保護裝置不應該動作；第3種情況差電流保護裝置可以動作或不動作；第4種情況差電流保護裝置應該動作。

由于T線、F線間短路時，對AT變壓器沒有太大的影響，所以AT差電流保護對T線、F線間短路可以不起作用。

2.2 形成電流差的強度

2.2.1 勵磁涌流形成的電流差

AT空載投入時，勵磁涌流為自耦變壓器 AT額定電流Ie的5～10（取8）倍，但通過T線、F線LH的電流大小為I/2，方向相同（見圖3點劃線），流入電流互感器同名端的電流方向相反，輸入到綜自系統的二次電流基本相互抵消，僅有一個電流互感器 LHT與 LHF不平衡差電流。一般不平衡系數取0.1，即差電流約等于0.1×8Ie。

2.2.2 機車運行時的電流差

從圖3看出，通過自耦變壓器AT1的負荷電流（I1=I2=I/ 2）大小相等，方向相反，流入電流互感器LHT1、LHF1同名端的電流方向相同，輸入到綜自系統的二次電流為I1、I2之和，即電流差為I1+I2= 2×I/2 =I。

在機車啟動時的不平衡電流與上述相同，亦為I。

2.2.3 線路短路電流

（1）T線對地間短路時，其短路電流為Idt，若上下行聯絡隔離開關GK（見圖1）處于斷開狀態，反映到綜自系統的二次電流等于電流互感器LHT與LHF的電流之和，即I1+I2=Idt。若隔離開關GK處于閉合狀態，短路電流為Idt，反映到綜自系統的二次電流等于電流互感器“LHT1與LHF1的電流之和”與“LHT2與LHF2的電流之和”之差。其電流值為0.1Idt。

（2）同理，F線對地間短路時，反映到綜自系統的二次電流與上述相同，等于IdF或0.1IdF。

（3）T線對F線間短路時，其短路電流為Idtf，若上下行聯絡隔離開關GK處于斷開狀態，反映到綜自系統的二次電流等于電流互感器LHT與LHF的電流之差，其電流值為0.1Idtf。若隔離開關GK處于閉合狀態，短路電流為Idt，反映到綜自系統的二次電流等于電流互感器“LHT1與LHF1的電流差”與“LHT2與LHF2的電流差”之差。其電流值為0.01Idtf。

2.2.4 AT所內短路電流

（1）T線對地間短路時，其短路電流為Idt，若上下行聯絡隔離開關GK處于斷開狀態，反映到綜自系統的二次電流等于電流互感器LHT與LHF的電流之和，即I1+I2=Idt。若隔離開關GK處于閉合狀態，短路電流為Idt，反映到綜自系統的二次電流等于電流互感器“LHT1與LHF1的電流之和”加上“LHT2與LHF2的電流之和”。其電流值為Idt。

圖2 AT差動電流保護裝置二次接線圖

圖3 AT供電電流分布示意圖

（2）同理，F線對地間短路時，反映到綜自系統的二次電流與上述相同，等于IdF。

（3）T線對F線間短路時，其短路電流為Idtf，若上下行聯絡隔離開關GK處于斷開狀態，反映到綜自系統的二次電流等于電流互感器 LHT與 LHF的電流之差，其電流值為 0.1Idtf。若隔離開關 GK處于閉合狀態，短路電流為Idt，反映到綜自系統的二次電流等于電流互感器“LHT1與LHF1的電流差”與“LHT2與LHF2的電流差”之和。其電流值亦為0.1Idtf。

3 AT差動電流保護的整定與分析

3.1 目前AT差動電流保護的整定方法及影響

現在 AT差動電流保護的整定值，按 AT所27.5 kV母線最大短路電流Id乘以電流互感器不平衡系數0.1整定。其整定公式為Kk×Id×0.1（式中Kk為可靠系數、取1.25），該整定方法在實際運行中存在如下不適宜的地方：

（1）其整定值太小。由于AT所最大短路電流Id約為6 000 A（最小短路電流約為3 000 A），其整定值僅為1.25×6 000×0.1 = 750 A，小于AT所饋線最大負荷電流1 200 A（機車啟動電流800 A），因此，在正常負荷時差動電流保護裝置會誤動。

（2）上下行綜合電流的影響。由于目前 AT所上下行聯絡隔離開關GK處于斷開狀態，在上下行分別送電時，上（下）行機車運行電流與下（上）行AT變壓器的最大勵磁涌流形成累加電流，其電流值更大，更容易引起差動電流保護裝置誤動作。據不完全統計，僅運行一個月，在上（下）行機車運行，下（上）行送電時發生差動電流保護裝置誤動12次。

（3）按最大短路電流整定不合理。從整定公式可以看出，整定值所用的短路電流應該是T線、F線間的短路電流（因乘以0.1的不平衡系數），經計算該短路電流較小（在3 000 A左右），而公式中用的是T線對地的短路電流，故以上整定公式無實質意義。

3.2 AT差動電流保護的整定原則

根據現場實際需要，經詳細分析認為AT差動電流保護的整定原則應該符合如下幾點基本要求：（1）AT所內部設備（AT變壓器及其他設備）發生短路故障時，差動電流保護裝置必須動作。（2）線路發生短路故障時，差動電流保護裝置可以動作或不動作。（3）能躲過AT變壓器空載投入時的最大勵磁涌流。（4）能躲過機車運行時的最大負荷電流（包括機車啟動時的電流）。（5）在上下行聯絡隔離開關GK斷開時，還應考慮上（下）行AT變壓器的最大勵磁涌流和下（上）行最大負荷電流的綜合影響。由于目前AT供電運行方式為上下獨立供電，AT所、分區亭開環運行方式，所以必須采取該整定原則。

3.3 AT差動電流保護的整定值

3.3.1 考慮勵磁涌流的影響

從第2.2.1條可以看出，最大勵磁涌流對差電流的影響取0.1×8Ie。為使在最大勵磁涌流時差電流保護裝置可靠不動作，加入可靠系數K1，一般K1取1.3。即差電流公式將為Id1＝K1×0.1×8Ie。

3.3.2 考慮最大負荷電流的影響

從第2.2.2條可以看出，輸入到綜自系統的負荷電流二次值為If，最大負荷電流為Ifmax，加入可靠系數K2，一般K2取1.3。即差電流公式將為Id2=K2×Ifmax。

若機車啟動電流大于最大負荷電流，則公式中電流取用機車啟動電流。

3.3.3 考慮綜合因素的影響

考慮勵磁涌流和最大負荷電流同時影響時，其差電流公式為上述2個公式之和：即

3.4 AT差動電流保護可靠性分析

根據AT差動電流保護的整定原則，校對按式（1）整定時保護動作的可靠性。

（1）由于式（1）按勵磁涌流和最大負荷電流同時影響整定的，所以在勵磁涌流和最大負荷電流存在時，差動電流保護裝置不會誤動作。

（2）外部線路短路時，由于式（1）整定值遠大于 T線、F線間短路時的差電流值（0.1Idtf或0.01Idtf），所以 T線、F線間短路時，差動電流保護裝置不會動作。由于式（1）整定值遠小于T（F）線對地間短路時的短路差電流Idt。所以T（F）線對地間短路時，差動電流保護裝置會動作。

（3）AT所內短路時，由于式（1）整定值遠大于T線、F線間短路時的差電流值為0.1Idtf，所以T線、F線間短路時，差動電流保護裝置不會動作。由于式（1）整定值遠小于T（F）線對地間短路時的短路差電流Idt。所以T（F）線對地間短路時，差動電流保護裝置會動作。

根據上述公式對AT所差動電流保護整定值進行了計算，2009年5月對所有AT所、分區亭差動電流保護按式（1）進行了整定，改變整定值后，AT所再沒有發生差動電流保護裝置誤動現象。

4 建議與措施

從上面分析可以看出，在現有接線的情況下，采用改變差動電流保護整定值的方法，只能防止其誤動，不能完善保護功能。在AT所內T線、F線間短路時，差動電流保護裝置也不會動作。這就達不到現場要求，因此提出如下建議。

4.1 改變差動電流保護裝置接線方式

將差動電流保護裝置的接線方式改成如圖4所示的形式。

圖4 AT所差動保護裝置二次接線示意圖

差動保護的差電流由綜自系統內部軟件自動計算得出，并形成2種獨立的差電流，即T線、F線間的差電流和上下行間的差電流，2種差電流自動比較，輸出其電流大的值。其差電流的形成原則：一是通過電流互感器LHT1與LHF1（LHT2與LHF2）的電流之差形成差電流，與上述相同，不贅述；二是由LHT1與LHT2、LHF1與LHF2的電流分別形成差電流，再進行絕對值相加后輸出。當外部線路發生任何形式的短路故障時，通過LHT1與LHT2、LHF1與LHF2的電流分別形成的差電流之和小于或等于0.1Id，此值小于整定值，差電流保護裝置不會動作。當AT所內發生任何形式的短路故障時，通過LHT1與LHT2、LHF1與LHF2的電流分別形成的差電流之和等于短路電流Id，此值遠遠大于整定值，差電流保護裝置會動作。

將差電流保護裝置的功能綜合得：（1）T（F）線對地間短路時，無論在AT所內外，差動電流保護裝置都會動作。（2）在AT所內T線、F線間短路時，差動電流保護裝置會動作；在線路上T線、F線間短路時差動電流保護裝置不會動作。（3）在勵磁涌流和負荷電流累加的情況下，差動電流保護裝置不會發生誤動作。

4.2 增加繼電保護功能

目前在AT所、分區亭僅設有2種保護，一種是AT變壓器差動電流保護；另一種是饋線失壓保護。上述2種保護目前無法滿足現場運行的需要，容易發生誤動和拒動。因此提出如下建議：（1）增加電流速斷和過電流保護。（2）增加阻抗三段保護和電流增量保護。

增加上述保護后，在差動電流保護裝置接線不變動的情況下，仍能完成在各種短路情況下AT所、分區亭正常跳閘，縮小故障范圍。

AT所、分區亭差動電流保護是目前使用的一種新型保護，對自耦變壓器及AT所內的設備具有一定的保護作用。目前此種保護的整定原則、整定方法還不十分完善，有待于進一步論證和探討。上面介紹的整定原則、整定方法是根據現場實際運行情況和分析得出的，解決了AT所差動電流保護誤動作問題，適應于石太客運專線現場運行情況，也可供其他AT供電的電氣化鐵道差動電流保護整定時參考和借鑒。

[1]曹建猷.供電系統[M].北京：中國鐵道出版社，1993：162-171.

[2]譚秀炳.交流電氣化鐵道供電系統[M].成都：西南交通大學出版社，2007：239-256.