二次諧波閉鎖的牽引變壓器差動保護的構成及整定計算

摘 要：牽引變壓器在牽引供電系統中具有十分重要的作用，一旦發生故障，其影響范圍較大，因此必須對牽引變壓器設置性能完善的保護裝置。差動保護作為牽引變壓器主保護之一，其構成和整定計算是十分重要的。

關鍵詞：牽引變壓器;比率差動保護;二次諧波閉鎖;差動速斷保護

牽引變壓器在牽引供電系統中具有十分重要的作用，一旦發生故障，其影響范圍較大，因此必須對牽引變壓器設置性能完善的保護裝置。牽引變壓器應配置差動保護作為其主保護之一。差動保護主要用來保護牽引變壓器內部、套管以及引出線上的相間短路，同時也可以保護繞組單相層間短路和接地短路。差動保護為瞬時動作，動作后牽引變壓器各側斷路器均跳閘，牽引變壓器退出運行。

牽引變壓器差動保護一般由二次諧波閉鎖的比率差動保護和差動速斷保護兩個元件組成，其動作特性如圖1所示。

圖1 "變壓器差動保護的動作特性

一、二次諧波閉鎖的比率差動保護

（一）比率差動保護

由于電流互感器的誤差、變壓器的接線方式及勵磁涌流等因素的影響，在正常運行及外部故障時流入到差動繼電器中的電流并不為零，而是有一定的電流，這個電流叫做不平衡電流。由電流互感器傳變產生的不平衡電流與變壓器外部故障時的穿越性電流有關。在變壓器區外短路時，穿越性短路電流越大，不平衡電流也就越大。如果按照躲過最大外部故障時的不平衡電流來整定動作電流，將會使差動保護的靈敏度降低。因此，在差動繼電器中引入一個能反應變壓器穿越性短路電流大小的制動電流，差動保護動作電流的大小根據制動電流的大小自動調整，令其動作電流總大于區外短路故障時的穩態不平衡電流，從而提高了差動保護的靈敏度，這種差動保護稱為比率差動保護。

比率差動保護的制動特性由三個線段組成，見圖1。第一段為水平線，用來躲過變壓器正常運行時的不平衡電流。當不平衡電流很小時，無制動作用，將大大提高保護的靈敏性。第二段AB為斜線，用來躲過電流互感器未飽和時的不平衡電流，其反方向延長線通過原點。第三段斜線BC，用來躲過電流互感器飽和產生的不平衡電流。

對于雙繞組變壓器，三段折線式比率差動保護的制動特性可用下述動作方程或算法實現。

（1）

式（1）中，表示比率差動保護的最小動作電流，由變壓器正常運行時的不平衡電流決定。

（1）

式中—可靠系數，取1.3;

—由于電流互感器計算變比和實際變比不一致引起的相對誤差，單相變壓按式計算，Yd11接線三相變壓器按式計算;當采用中間變流器進行補償時，取補償后剩余的相對誤差;

—由于變壓器分接頭改變引起的相對誤差，一般可取調壓范圍的一半;

—電流互感器的同型系數， 同型時取為0.5， 不同型時取1。

—變壓器正常運行時計算側的最大負荷電流。

由于牽引負荷的特點，牽引變壓器經常處于短時過負荷運行狀態。牽引供電操作規程規定，當牽引供電負荷達到3倍額定電流時，牽引變壓器還應繼續運行2min，所以牽引變壓器的一般較大。

、表示制動系數，的整定計算必須考慮不平衡電流的影響和差動保護對流出電流的要求;而對于的整定要保證差動保護在外部故障電流很大且含有大量非周期分量的情況下不誤動。在實際應用中一般由運行經驗來確定，因為這些參數的精確計算往往比較困難。通常取0.3～0.5，可以整定的較大，一般取0.5～0.7。

、表示制動電流整定值。對于，可按照正比例函數求得，即

（2）

是B點的橫坐標，需要滿足

（3）

（二）二次諧波閉鎖

當變壓器空載投入或外部短路故障切除后電壓恢復過程中，勵磁電流很大，電流可達到額定電流的6～8倍，即勵磁涌流。勵磁涌流數值可能很大，所以差動保護在勵磁涌流的沖擊下可能誤動作，必須采取措施加以克服。在模擬式差動保護中廣泛應用的是采用具有速飽和變流器或帶短路線圈的速飽和變流器的差動繼電器來構成差動保護。采用此種方法的差動保護動作電流大、靈敏度低，并且在變壓器內部故障時，會延緩保護的動作，已逐漸被淘汰。微機式差動保護中，差動繼電器可以采用更豐富的手段來鑒別勵磁涌流，目前，我國鐵路供電系統廣泛采用的是二次諧波閉鎖方法。

二次諧波閉鎖方法是根據勵磁涌流中含有大量二次諧波分量而內部故障電流中二次諧波含量很低的特點，當檢測到差動電流中二次諧波含量大于整定值時就將差動繼電器閉鎖，以防止勵磁涌流引起的誤動。

如果采取二次諧波閉鎖原理，該比率差動保護又稱為二次諧波閉鎖的比率差動保護。

二、 差動速斷保護

在某些情況下二次諧波閉鎖會導致差動保護延時動作。當保護范圍內部發生短路故障時，暫態短路電流中也可能存在二次諧波;電流互感器鐵屑飽和時也會在二次電流中產生二次諧波分量。如果二次諧波含量超過二次諧波制動系數整定值，則二次諧波閉鎖的具有比率制動特性的差動保護也將被閉鎖，一直等到暫態短路電流衰竭（變化）到一定程度后差動保護才能動作，這就相對地延遲了動作時間，減慢了動作速度。為了在變壓器發生嚴重故障時差動保護能迅速動作，往往增加一個不需要考慮勵磁涌流影響的差動速斷保護元件，其動作判據為

（4）

式中—差動速斷保護的動作電流，按躲過變壓器的最大勵磁涌流來整定，即

（5）

式中可靠系數取1.2～1.4，最大勵磁涌流一般按變壓器額定電流的8-10倍估算。