自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原因分析及判斷

0 引言

高速和重載鐵路牽引供電系統(tǒng)主要采用AT供電方式。自耦變壓器（以下簡稱自耦變）為AT供電方式下AT所、分區(qū)所的主要設(shè)備之一，其繼電保護(hù)除設(shè)瓦斯、壓力釋放等非電量保護(hù)外，還設(shè)有差動(dòng)保護(hù)。實(shí)際運(yùn)行中，自耦變經(jīng)常發(fā)生非本體故障差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致自耦變退出運(yùn)行，影響系統(tǒng)正常供電。因此，分析梳理差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作常見原因，對提高供電可靠性具有重要意義。

1 自耦變差動(dòng)保護(hù)原理

自耦變差動(dòng)保護(hù)通過比較T、F線電流差值而動(dòng)作，主要用于變壓器本體設(shè)備的故障保護(hù)。如圖1（a）所示，自耦變壓器可以看作是由T相繞組a-n與F相繞組b-n串聯(lián)而成，兩繞組匝數(shù)相等。變壓器正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)安匝平衡原理，有

式中，W為繞組匝數(shù)。

由Wa-n=Wb-n可得T=F。正常情況下，自耦變差動(dòng)保護(hù)電流ICD=T-F=0，故保護(hù)裝置不動(dòng)作；當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生短路等故障時(shí)，差動(dòng)保護(hù)電流ICD大于保護(hù)整定值時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作，切除故障變壓器。

自耦變差動(dòng)電流引入差動(dòng)保護(hù)裝置主要采取2種方式：一種如圖1（a）所示，T、F相電流分別接入差動(dòng)保護(hù)裝置，經(jīng)電量變換后差動(dòng)保護(hù)裝置自行分析并計(jì)算電流差；另一種如圖1（b）所示，通過外部接線形成電流差后引入保護(hù)裝置（此時(shí)需特別注意電流互感器的接線方式）。由原理圖可以看出，自耦變壓器T、F相繞組異名端相連，根據(jù)同名端標(biāo)定的原則，當(dāng)電流從F相繞組同名端（n端）流入時(shí)，感應(yīng)電勢產(chǎn)生的電流由T相繞組同名端（a端）流出。從自耦變壓器外部來看，T、F相電流總是同時(shí)流入或流出。假定電流互感器一次繞組標(biāo)號(hào)為L1和L2，二次繞組標(biāo)號(hào)為K1和K2。由于電流互感器一次側(cè)通常同標(biāo)號(hào)端（L1端）接電源且自耦變差動(dòng)保護(hù)取T、F相的電流差，所以T、F相電流互感器二次側(cè)應(yīng)采取異標(biāo)號(hào)端相連的方式，即 T相電流互感器的K1端與F相電流互感器的K2端相連，T相電流互感器的K2端與F相電流互感器的K1端相連后接入繼電保護(hù)裝置。

圖1 自耦變差動(dòng)保護(hù)接線原理

實(shí)際運(yùn)用中根據(jù)自耦變主接線的不同，差動(dòng)保護(hù)裝置采集自耦變T、F相電流的方式略有不同。如圖2（a）所示，當(dāng)采用自耦變經(jīng)斷路器接入55 kV母線的主接線形式時(shí)，由于自耦變T、F相設(shè)有單獨(dú)電流互感器，保護(hù)裝置采集自耦變T、F相電流互感器電流。當(dāng)采用自耦變經(jīng)隔離開關(guān)接入55 kV母線的主接線形式時(shí)，如圖2（b）所示，由于自耦變T、F相不設(shè)電流互感器，保護(hù)裝置采集55 kV母線T、F相電流互感器電流。當(dāng)上、下行解列，即3GK斷開，保護(hù)裝置采集自耦變對應(yīng)側(cè)母線1LH（2LH）T、F相電流；當(dāng)3GK閉合，上、下行并列運(yùn)行，保護(hù)裝置采集上、下行母線1LH、2LH的T、F相電流并進(jìn)行比較，即

自耦變差動(dòng)保護(hù)的范圍與保護(hù)用LH的位置有關(guān)，對于圖2（a）所示主接線，差動(dòng)保護(hù)范圍為3(4)LH的自耦變側(cè)設(shè)備，對于圖2（b）所示主接線，差動(dòng)保護(hù)范圍為1LH與2LH之間的設(shè)備，含自耦變和55kV母線。可以設(shè)想，當(dāng)上、下行并列運(yùn)行時(shí)，圖2（b）主接線的母線故障，運(yùn)行的自耦變差動(dòng)保護(hù)將動(dòng)作并啟動(dòng)備自投—斷開1DL、2DL，斷開運(yùn)行自耦變GK，閉合備用自耦變GK，閉合1DL、2DL。由于故障設(shè)備并未切除，備用自耦變差動(dòng)保護(hù)將再次動(dòng)作。在保護(hù)配合不好情況下，該故障還可能造成牽引所饋線跳閘、重合閘成功后再次跳閘，擴(kuò)大停電范圍。自耦變的短時(shí)退出并不影響系統(tǒng)的供電安全，故采用圖2（b）主接線的自耦變備自投功能應(yīng)撤除，改由供電調(diào)度員根據(jù)故障設(shè)備檢查情況手動(dòng)投入備用自耦變。

圖2 自耦變主接線示意圖

2 自耦變主要工況及差動(dòng)保護(hù)定值整定

自耦變壓器主要工況可分為勵(lì)磁涌流、牽引負(fù)荷、自耦變內(nèi)部（以保護(hù)用LH安裝位置界定）故障、自耦變外部故障4種。下文以AT所某一行自耦變?yōu)槔M(jìn)行分析，不考慮復(fù)合工況的情況。

2.1 勵(lì)磁涌流工況

變壓器的端電壓突然上升可能導(dǎo)致變壓器鐵芯飽和并產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。對于自耦變壓器，空載合閘及外部故障切除，變壓器電壓從低值恢復(fù)到運(yùn)行值時(shí)都可能產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流有以下特點(diǎn)：

（1）具有間斷角；

（2）具有很大的峰值，通?？梢赃_(dá)到變壓器額定電流的5～10倍；

（3）含有較大的二次諧波分量，在間斷角為108°、150°的情況下，二次諧波含量可以達(dá)到13.2%、28.8%；

（4）單相變壓器一般有很大的直流分量。

以空載合閘勵(lì)磁涌流為例，其電流分布如圖3（a）所示，自耦變的勵(lì)磁電流Y（虛線所示）自a端流入，b端流出，T、F相電流互感器LHT2、LHF2一次側(cè)電流從異標(biāo)號(hào)端流入（即當(dāng)LHT2從L2端流入時(shí)，LHF2從LI端流入）。由于差動(dòng)保護(hù)裝置電流互感器二次側(cè)是異標(biāo)號(hào)端連接，所以差動(dòng)電流可達(dá)到自耦變額定電流的5～10倍。

2.2 正常牽引負(fù)荷工況

正常工作情況下，牽引負(fù)荷，T、F相電流互感器一次側(cè)電流從同標(biāo)號(hào)端流入，故差動(dòng)電流，此時(shí)保護(hù)裝置測得的差動(dòng)電流主要是電流互感器的傳變誤差（小于10%）產(chǎn)生的不平衡電流，其最大值

式中，為差動(dòng)保護(hù)電流的二次值，為牽引負(fù)荷，n為電流互感器變比。

圖3 AT供電電流分布

2.3 自耦變外部故障工況

自耦變外部故障主要有T線對地短路、F線對地短路以及T-F短路。對于T線或F線對地短路，除電流數(shù)值增大外，電流的流向分布與牽引負(fù)荷情況相似，保護(hù)裝置測得的差動(dòng)電流為

式中，max(IT、IF)為T/F線最大母線短路電流。

對于T-F線短路故障，可以分為T-F線直接短路和直接短路并接地。對于前者，可以看作自耦變繞組被短接，流經(jīng)自耦變的電流很小，可不予考慮；對于后者則可看作T、F線對地短路故障（電流分量很小，流向分布如前述）和T-F線直接短路故障的疊加。

2.4 自耦變內(nèi)部故障工況

自耦變內(nèi)部故障可分為繞組匝間短路、套管引線附近設(shè)備對地短路、繞組碰殼短路故障（因自耦變繞組中點(diǎn)接地，該情況也可視為匝間短路）。

圖3（b）中，假設(shè)a-s繞組匝間短路，自耦變T、F相繞組不再是1：1，根據(jù)安匝平衡原理可知T、F相繞組流過的電流不再平衡，將產(chǎn)生電流差。

假設(shè)套管引線附近m點(diǎn)設(shè)備對地短路（可看作繞組匝間短路的極端形式，T相繞組全部短路），T、F相流互LHT2、LHF2的一次側(cè)從異標(biāo)號(hào)端分別流入牽引所饋線T相電流和自耦變F相電流，差動(dòng)電流ICD為其矢量值相加，即該點(diǎn)的母線短路電流?？梢酝扑?，當(dāng)短路點(diǎn)向繞組n點(diǎn)移動(dòng)，流經(jīng)LHT2的牽引所T相饋線電流逐漸減小并趨于0，轉(zhuǎn)而流過自耦變T相繞組電流并逐漸變大，直至與自耦變F相繞組電流持平。

2.5 自耦變差動(dòng)保護(hù)定值整定

自耦變差動(dòng)保護(hù)分為差動(dòng)速斷保護(hù)和二次諧波閉鎖差動(dòng)保護(hù)。根據(jù)繼電保護(hù)的選擇性要求，上述4種工況除自耦變內(nèi)部故障外，其他3種工況差動(dòng)保護(hù)都不應(yīng)動(dòng)作。所以，自耦變二次諧波閉鎖的差動(dòng)保護(hù)定值按避開T、F線最大母線短路電流整定，即

式中，Kk為可靠系數(shù)，取值范圍1.2～1.3，一般取1.2。

二次諧波閉鎖系數(shù)KBS=ICD2/ICD，一般取0.15。式中，ICD2為差動(dòng)電流的二次諧波分量。

當(dāng)變壓器發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)部故障時(shí)，電流互感器可能飽和，導(dǎo)致故障電流中有較高的二次諧波含量，二次諧波閉鎖將導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間延長，可能長達(dá)數(shù)百毫秒甚至數(shù)秒，為了在內(nèi)部嚴(yán)重故障發(fā)生時(shí)能迅速切除變壓器，應(yīng)設(shè)置差動(dòng)速斷保護(hù)。差動(dòng)速斷整定需避開勵(lì)磁涌流的影響，即

式中，KYL為勵(lì)磁涌流系數(shù)，取值范圍5～10，一般取5；IE為自耦變額定電流。

3 自耦變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原因判別流程

自耦變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作常見原因有：整定定值問題、流互一次或二次接線錯(cuò)誤、二次回路故障誤動(dòng)、變壓器內(nèi)部故障。對于線路開通初期，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原因多為整定定值問題、流互一次或二次接線錯(cuò)誤；既有線設(shè)備差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原因則多為二次回路故障和變壓器內(nèi)部故障。

通過對各種工況下自耦變電流分布情況的分析，牽引負(fù)荷和外部T、F線短路的工況下自耦變差動(dòng)保護(hù)裝置流入的電流是T、F相電流矢量值相減。對于出現(xiàn)差動(dòng)電流矢量值相加的情況有4種可能：一是勵(lì)磁涌流，二是套管引線附近設(shè)備對地短路，三是變壓器內(nèi)部繞組靠近套管側(cè)對地短路，四是T、F相電流互感器一、二次回路接線錯(cuò)誤。具體故障分析可以利用該特點(diǎn)，從故障報(bào)文、故障錄波、設(shè)備巡視、故障發(fā)生時(shí)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及其他保護(hù)動(dòng)作情況入手，遵循由易到難的原則對故障原因進(jìn)行判斷，具體流程如圖4所示。

圖4 自耦變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原因判別流程

4 典型運(yùn)用案例

典型運(yùn)用案例1：XX年8月25日，合肥樞紐新三十鋪AT所1#自耦變在接觸網(wǎng)天窗作業(yè)結(jié)束送電時(shí)差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作，故障報(bào)文如表1所示。

該故障有以下特點(diǎn)：（1）報(bào)文顯示差動(dòng)電流等于T、F線電流相加；（2）為單一故障，無其他保護(hù)同時(shí)動(dòng)作；（3）停電前自耦變運(yùn)行正常，停電期間該所亭無作業(yè)，送電時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作；（4）該所前期改造，存在定值修改情況。

表1 新三十鋪差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作故障報(bào)文

產(chǎn)生特點(diǎn)（1）的原因有流互一次或二次接線錯(cuò)誤、套管引線附近接地短路、勵(lì)磁涌流、變壓器內(nèi)部繞組靠近套管側(cè)接地短路4種可能。該AT所位于滬蓉線重負(fù)荷區(qū)段，日常運(yùn)行時(shí)差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作，可排除流互一次或二次接線錯(cuò)誤。套管引線附近接地時(shí)差動(dòng)電流等于母線短路電流，而該故障的差動(dòng)電流為1 131A，遠(yuǎn)小于母線短路電流經(jīng)驗(yàn)值，故可以排除套管引線附近接地故障。后查閱故障錄波，證明了該故障系勵(lì)磁涌流引起的誤動(dòng)。

如圖5所示，該故障波形是典型的單相變壓器涌流波形：間斷角較大、波形偏向時(shí)間軸一側(cè)、存在較大的衰減直流分量。進(jìn)一步檢查保護(hù)定值，發(fā)現(xiàn)該自耦變差動(dòng)速斷保護(hù)定值輸入錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)值2 275 A（一次值），實(shí)際輸入值650 A。修改保護(hù)定值后類似故障再未出現(xiàn)。

圖5 三十鋪AT所故障錄波

典型運(yùn)用案例2：XX年5月17日21：02：48，合福高鐵集義亭AT所1#自耦變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，2#AT備自投成功。AT差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)該AT所所在的旌德牽引所—績溪北分區(qū)所上、下行接觸網(wǎng)供電臂跳閘，重合閘成功。故障報(bào)文如表2所示。集義亭AT所自耦變未設(shè)差流速斷保護(hù)，僅設(shè)置二次諧波閉鎖的差流保護(hù)，定值762.5A，時(shí)限0.1 s。

分析該報(bào)文，差動(dòng)電流為T、F相電流相加，結(jié)合差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)有供電臂跳閘重合情況，計(jì)算短路電流即牽引所上、下行饋線電流之和為5 941 A，近似等于差動(dòng)電流值5 950A。查閱該AT所保護(hù)定值整定單，該電流值同時(shí)也接近T、F相最大母線短路電流值，故可以判斷是套管引線附近有接地短路故障。經(jīng)天窗時(shí)間內(nèi)檢修發(fā)現(xiàn)1#自耦變F相母排處高壓電纜頭被擊穿。

表2 集義亭差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作故障報(bào)文

自耦變差動(dòng)速斷和二次諧波閉鎖的差動(dòng)保護(hù)通常無延時(shí)。自耦變套管引線附近接地短路時(shí)，牽引所饋線阻抗Ⅰ段保護(hù)會(huì)啟動(dòng)，但當(dāng)AT所差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作切除故障自耦變后，牽引所饋線阻抗Ⅰ段保護(hù)將返回，不出口動(dòng)作。該所二次諧波閉鎖的差動(dòng)保護(hù)設(shè)置了0.1 s的時(shí)限，與牽引所饋線阻抗Ⅰ段保護(hù)的時(shí)限相同，由此引起牽引所饋線保護(hù)的同時(shí)動(dòng)作。該AT所的差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)不滿足繼電保護(hù)的選擇性要求，應(yīng)予以改進(jìn)。

5 結(jié)語

本文通過對自耦變差動(dòng)保護(hù)原理、定值整定以及各種工況下電流分布情況的分析，結(jié)合典型案例，對自耦變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原因的判斷流程和方法進(jìn)行了探討，供鐵路供電運(yùn)營管理人員參考和借鑒。

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