牽引變壓器差動保護典型故障分析

何小勇

0 引言

牽引變壓器是電氣化鐵道供電系統的重要設備，它的安全運行直接關系到鐵路運輸秩序。作為變電所的核心設備，在現場投運和日常運行過程中，也時常遇到牽引變壓器保護裝置差動出口，不能第一時間準確分析跳閘原因，導致牽引變壓器恢復投運時間延長。現通過幾個較典型的牽引變壓器差動跳閘案例，進行數據分析和措施總結，為檢修人員現場處理提供一些參考。

1 牽引變壓器

牽引變壓器將三相電力系統的電能傳輸給2個單相牽引線路的上下行機車，根據供電制式的不同，牽引變壓器主要有Scott、平衡變、Y/-11、三相V/x、三相V/v、單相接線變壓器等幾種類型，與之相應的牽引變壓器差動保護電流平衡關系也各不相同，具體參見保護設備說明。

2 牽引變壓器差動保護范圍

牽引變壓器差動保護主要保護變壓器內部、套管以及引出線上的多相短路及層間短路和接地短路故障。它無延時的切斷故障，動作于牽引變壓器兩側斷路器跳閘。牽引變壓器兩側電流大小不等，不同形式接線變壓器對應相的相角也不完全一致，

因此要使正常運行或外部短路時的變壓器保護裝置差動電流為零，就應通過裝置軟件調節來實現兩側電流的平衡。

3 變壓器比率差動保護原理

牽引變壓器差動保護裝置（以下簡稱裝置）設置三段式差動保護，裝置共采集IA、IB、IC、Ia、Ib五相電流。為實現高低壓側之間的差動電流平衡，電流由低壓側向高壓側平衡，不同的變壓器類型平衡計算關系各異，變壓器低壓側向高壓側調節平衡后的各相電流向量分別表示為Ia′、Ib′、Ic′。則各相對應差動電流為ICDA= ｜IA- Ia′｜、ICDB= ｜IB- Ib′｜、ICDC= ｜IC- Ic′｜。各相對應制動電流為IZDA= ｜IA+ Ia′｜/ 2、IZDB= ｜IB+ Ib′｜ / 2、IZDC= ｜IC+ Ic′｜ / 2。差動速斷及比率差動動作區域如圖1所示，與差動速斷不同，比率差動要求各相二次諧波比例均小于諧波制動系數才能出口。

圖1 比率差動保護特性曲線圖

4 差動保護故障實例分析

4.1 Scott 接線變壓器差動保護裝置故障實例

Scott 變壓器差動保護裝置接線如圖2，兩側電流平衡調整計算采用式（1）。

圖2 Scott 變壓器差動保護接線圖

2009年5月大秦線某牽引變電所1#Scott 牽引變壓器差動保護裝置跳閘，動作報告數據如下：

IA= 1.17(0°) A，IB= 1.79(177.6°) A，IC= 0.64(355.9°) A ，Ia= 0.66(1.5°) A ，Ib=0.75(177.8°) A；

ICDA= 0.74 A，ICDB= 1.45 A，ICDC= 0.73 A；

定值ISD= 12.42 A，IDZ= 1.44 A，KPH= 2.667。

故障分析：故障報告中B 相差動電流達到定值，從其平衡關系式（1）得知理論計算電流bI′只跟Ib有關，代入公式反算可知，欲使B 相差動電流平衡，Ib電流需達到4.134 A，實際Ib僅有0.75 A。并且根據該計算電流經過平衡計算，A、C 兩相差動電流也趨于零，因此判斷變壓器低壓側b 相實際采集電流偏小，導致差動保護裝置誤動作。

對策及措施：對變壓器低壓側b 相電流互感器，二次電纜及裝置采樣回路進行檢查。檢查結果顯示b 相電流互感器接線松動，Ib電流異常，導致裝置B 相差動出口。類似實際采樣電流偏小情況主要考慮整個電流采樣回路有無異常，包括電流互感器是否多點接地、一二次接線有無松動、裝置采樣處理是否異常等。

4.2 平衡變壓器差動保護裝置故障實例

平衡變壓器差動保護裝置接線如圖3，兩側電流平衡調整計算采用式（2）。

（2）組織技術人員對煉膠生產設備XK-560A型雙輥筒開放式煉膠機電力拖動系統在安全、經濟效益等方面進行了詳細分析了解，選定改造方案；

圖3 平衡變壓器差動保護接線圖

2012年12月嘉鏡線某牽引變電所1#平衡變壓器差動保護裝置跳閘，動作報告數據如下：

IA= 6.24 (0°) A，IB= 2.57 (184°) A，IC= 3.65 (176.9°) A，Ia= 8.01(353.5°) A，Ib= 0.02(83.6°) A；

ICDA= 3.60 A，ICDB= 0.5 A，ICDC= 3.48 A；

定值ISD= 19.89 A，IDZ= 1.42 A，KPH= 1.13。

故障分析：故障錄波曲線（圖4）中變壓器高壓側A 相和低壓側a 相電流基本是穩定的正弦波，而高壓側B、C 相電流較小且波形偏離于規則的正弦波。主變低壓側兩相電流，按式（2）計算對應的高壓側電流理論上應該分別達到aI′=9.68 A、Ib′=2.59 A、Ic′= 7.08 A。而裝置實際采集高壓側三相電流：IA= 6.24 A、IB= 2.57 A、IC= 3.65 A。IB和bI′基本上相吻合，IA和IC都偏小了約3.4 A。結合圖3，裝置采集的電流是高壓電流互感器二次側角接后接入的，IA1、IB1、IC1分別為高壓側電流互感器相電流，IA=IA1-IB1，IB=IB1-IC1，IC=IC1-IA1。IB電流正常，基本上判定IB1和IC1正常，且IA和IC都受IA1影響，因此可據此判斷高壓側一次IA1有異常導致A、C 相實際采集電流偏小，差動保護裝置動作。

圖4 平衡變壓器故障錄波曲線圖

對策及措施：對高低壓側電流各相二次電纜及裝置采樣回路進行檢查，重點檢查1#B 高壓側A相電流互感器回路。最終由檢修部門排查確認1#B高壓側A 相電流互感器套管介損值異常。為能及時發現類似異常情況，建議運行維護人員關注高壓設備絕緣在線監測系統（若有）的監測數據，并定期對高壓套管的絕緣狀況進行檢測。

4.3 Y/Δ-11 接線變壓器差動保護裝置故障實例

Y/Δ-11 接線變壓器差動保護二次接線同圖3，兩側電流平衡調整計算采用式（3）：

2007年3月湖南某改造牽引變電所2#Y/Δ-11牽引變壓器差動保護裝置速斷跳閘，動作報告數據如下：

IA= 1.77(0°) A，IB= 31.31(223.5°) A，IC= 16.18(65°) A，Ia= 1.33(1.6°) A，Ib= 26.5(207.5°) A；

ICDA= 0.07 A，IZDA= 1.74 A，ICD2A= 0.03 A，ICDB= 9.71 A，IZDB= 32.57 A，ICD2B= 6.71 A，ICDC= 22.11 A，IZDC= 23.48 A，ICD2C= 10.16 A；

牽引變壓器類型為Y/Δ-11，容量S= 40 MV·A，高壓UH= 110 kV，低壓UL= 27.5 kV（BT 供電），高壓側電流互感器變比nH= 400 / 5，低壓側電流互感器變比nL= 1 200 / 5；

定值ISD= 15.0 A，IDZ= 3.0 A，KYL= 0.2，KPH= 0.77。

故障分析：故障錄波曲線（圖5）中C 相電流波形呈現明顯的激變。由低壓電流反推計算C 相電流需達到33 A 才能平衡，而裝置實際僅采集到16 A。ICDC電流達到22 A，超過差動速斷15 A 的定值，且二次諧波含量高達46%（ICD2C/ ICDC）。由此判定該次故障是變壓器區外故障（低壓母線或饋線近端短路）大電流導致的高壓電流互感器飽和引起的差動速斷誤動作，比率差動保護因為被二次諧波制動（0.46 大于KYL= 0.2）而沒有動作。

圖5 Y/Δ-11 接線變壓器故障錄波曲線圖

對策及措施：為了減緩電流互感器飽和對裝置的影響，一是需要裝置具備減緩飽和影響的能力；二是選擇適當的電流互感器類型和參數；三是整定合適的差動速斷定值。從定值來看變壓器高壓側額定一次電流由于高壓電流經角接引入保護，考慮接線系數，變換至裝置按照額定電流6—8 倍考慮，差動速斷定值稍微偏小，建議調整差動速斷定值至6 倍的IeH’，即27.3 A 及以上較為合適，當類似現象再次出現的時候可由變壓器低壓側過流出口，只是動作延時稍長點而已。

4.4 V/v 接線變壓器差動保護裝置故障實例

V/v 接線變壓器差動保護接線如圖6，兩側電流平衡調整計算同式（3）。

圖6 V/v 變壓器差動保護接線圖

2010年11月蘭青線某牽引變電所2#V/v 牽引變壓器差動保護裝置跳閘，同時有輕瓦斯信號和饋線速斷跳閘，動作報告數據如下：

IA= 0.01 (0°) A，IB= 1.43 (31.8°) A，IC=1.41 (213.5°) A，Ia= 0.04 (114.4°) A，Ib= 0.04 (71.5°) A；

ICDA= 0.04 A，ICDB= 1.40 A，ICDC= 1.38 A；

定值ISD= 10.91 A，IDZ= 0.91 A，KPH= 1.6。

故障分析：因為該次案例有饋線近端短路故障，所以容易誤導作出區外故障導致差動出口的判斷。跳閘報告中高壓側B 相及公共相C 相差動電流為1.4 A，且低壓側沒有電流，結合反映變壓器內部故障的輕瓦斯信號，基本上可以判斷主變壓器高壓側B、C 相間有短路故障導致差動出口。基于故障錄波波形（圖7）分析，整個故障流程如下：饋線故障起始時刻為當日19 時53 分28 秒176 毫秒，故障電流4 632 A，因饋線速斷設置延時 100 ms，所以53 分28 秒276 毫秒時饋線出口，355 ms 時刻饋線斷路器分閘結束，低壓側電流消失，但此時錄波數據顯示高壓B、C 相仍有3 A 左右幅值的異常相間電流，致差動出口，出口時刻是53 分28 秒370 毫秒，此后幾秒內又分別有2 次輕瓦斯信號發出。具體時刻是當日19 時53 分32 秒716 毫秒及34 秒616 毫秒。

對策及措施：該種類型故障應該是變壓器內部繞組發生少數線匝的匝間短路造成，而且是漸進式的，該差動電流應該持續存在只是較小未達到差動定值，可通過后臺監控差動越限預警發現該異常情況，做到停運并檢修。

圖7 V/v 接線變壓器故障錄波曲線圖

5 結語

變壓器差動保護非常靈敏，整個一二次回路接線上和保護定值整定稍有疏忽，就會造成變壓器差動保護誤動，引起全所停電事故。變壓器保護裝置主要檢查變壓器類型選擇、各相關定值的正確性。裝置以外范圍主要檢查接入電流相別順序、電流互感器極性及電流互感器回路接地是否正確。變壓器空投差動出口一般是勵磁涌流引起，適當調整二次諧波制動比例及差動定值躲過涌流即可，變壓器投運后最關鍵的檢查是要在負荷出現情況下監視保護裝置各項差動電流是否達到平衡。