外電源故障引起的主變差動保護動作案例分析

張亞歐　上海鐵路局調度所

鐵路牽引變壓器差動保護是電量保護中的主保護。原理如圖1所示，變壓器正常工作時，可以看作理想變壓器，其流入變壓器的電流和流出變壓器的電流（換算后的電流）相等。當變壓器一、二次側兩個電流互感器之間的設備發生單相接地、相間短路或者變壓器匝間短路等故障時，流入變壓器的電流和流出變壓器的電流矢量差不為零且達到動作值時，差動保護啟動，跳開變壓器高低壓側斷路器，切除故障設備。

圖1　差動保護原理圖

根據變壓器差動保護原理，發生差動保護裝置動作的原因主要有：變壓器內部故障、變壓器及其套管引出線發生短路故障、電流互感器短路或開路、保護二次回路發生故障及空載合閘時勵磁涌流等。

所以，一般認為，變壓器差動保護動作原因是由構成差動保護的變壓器一、二次側兩個電流互感器之間設備故障造成的。但在實際運行中，還有其它原因引起的變壓器差動保護動作。筆者在日常工作中遇到過由于外部電源故障引起的牽引變壓器差動保護動作的案例。

圖2　變壓器接線圖

圖3　故障報文

1　案例分析

2015 年 11 月 27 日 6：37：02，XX 高鐵XX牽引變電所1#、3#主變比率差動保護動作，高、低壓側斷路器跳閘。2#系統備自投成功。

其變壓器接線情況見圖2，故障報文見圖3。

1.1　跳閘數據分析

1#主變差動電流=高壓側電流-低壓側電流/平衡系數，具體為：

ICD=IH1-IL1/平衡系數=0.97-0.58/1.92=0.668A＞0.15A（比率差動保護A/C相最小動作電流）；

1#變公共相差動電流=高壓側公共相電流-（本主變低壓側電流+另一主變低壓側電流）/平衡系數，具體為：

ICDG=IH2-(IL1+IL2)/平衡系數=1.52-（0.58+0.56）/1.92=0.926A＞0.24A（比率差動保護公共相最小動作電流）；

1#主變制動電流為（0.63A）：0.3＜0.63＜0.91（0.3、0.91 為 A/C 相一、二段制動電流定值）；

1#主變公共相制動電流為（1.01A）：0.47＜1.01＜1.41（0.47、1.41 為公共相相一、二段制動電流定值）；

1#主變差動電流二次諧波：IcdA2/IcdA1=0.03/0.66=0.045＜0.15（0.15為二次諧波制動系數定值）。

通過對以上數據計算和分析可以確認此次差動保護動作滿足啟動條件，該跳閘屬于正常保護動作。同理，3#變差動保護也屬于正常保護動作，在此不做贅述。

1.2　故障錄波分析

從故障錄波（圖4）來看，高低壓側電壓明顯畸變。結合故障報文分析，跳閘時1#變高壓側相電壓UH為48.98V（換算一次值為62.2kV），低壓側合成電壓UTF為17.75V（換算一次值為9.7kV）；3#變高壓側相電壓UH為73.57V（換算一次值為93.4kV），低壓側合成電壓UTF為25.42V（換算一次值為13.9kV），遠低于正常額定電壓，表明電壓有明顯畸變。再來看電流錄波情況，1#、3#主變高壓側電流IH1明顯偏向于時間軸一側，且有明顯間斷角，接近勵磁涌流的波形特征。

圖4　故障錄波

經與地方供電公司聯系得知：2015年11月27日6：37左右發生B相（公共相）瞬時接地故障，但未發生跳閘故障。查看牽引所內的保護啟動報告顯示，2015年11月27日6：37左右，由于進線電壓波動，1#主變發生失壓保護啟動后返回共7次，3#主變發生失壓保護啟動后返回共2次和低壓側過電壓1次。

2　故障原因分析

檢修人員對該牽引所1#系統設備進行了檢查試驗，對1#、3#主變進行了外觀檢查和絕緣、直阻、介損、變比誤差試驗以及絕緣油耐壓和色譜化驗，試驗數據均正常。對一、二次側電流互感器進行了變比、絕緣試驗，試驗數據均正常。對保護裝置進行差動保護試驗，結果也是正常的。因此可以排除變壓器內部故障、變壓器及其套管引出線短路故障、電流互感器短路或開路、保護二次回路故障等常見原因引起的差動保護動作。

根據保護報文、啟動報告、故障錄波以及供電公司提供的跳閘時的電源故障信息。可以判斷此次故障原因為地方1#進線B相（公共相）有接地故障，使電壓產生波動畸變，導致1#、3#主變內部磁通密度飽和而產生勵磁涌流，造成主變壓器差動保護動作。而勵磁涌流的二次諧波分量未達到二次諧波制動的定值，使二次諧波制動未能啟動。

3　判斷與對策

近年來，隨著電氣化鐵路的不斷發展，越來越多牽引變電所及主變投入運行。截止2017年六月，上海局普速和高鐵共有牽引變電所129座，牽引變壓器392臺。各種原因引起的主變差動保護時有發生。

表1　近兩年差動保護統計

如表1所示，2015年以來上海局管內發生的主變差動保護動作情況。其原因主要為變壓器本體故障，電流互感器故障，區內高低壓側接頭、套管故障，以及二次接線錯誤、勵磁涌流等故障引起。在本案例中，差動保護動作同時進線電源伴有電壓波動，且與保護報文、啟動報告、故障錄波以及地方供電部門提供的信息相吻合。所以，基本能夠排除區內故障引起的差動保護動作。經過對變壓器本體及一二次設備進行外觀檢查無異常后，基本可以判定為由外電源故障引起進線電壓畸變，產生勵磁涌流導致變壓器差動保護動作。這種情況下，無需對變壓器進行繁瑣地檢查試驗，只需確認外電源恢復正常后，便可將變壓器投入運行。以提高供電可靠性并減少不必要的人力、物力地投入。

4　結論

變壓器差動保護跳閘是比較常見的故障，引起變壓器差動保護動作的因素也有很多，但本案例比較特殊和罕見。所以，在具體研判過程中應根據相關故障報文、錄波以及現場反映的現象等信息進行綜合分析并采取合理的對策。

[1]譚秀炳.鐵路電力與牽引供電系統繼電保護[M].成都：西南交通大學出版社，2007.