牽引變壓器差動保護不平衡電流分析

宋 博

0 引言

牽引變壓器差動保護為牽引變壓器的主保護，其原理要求適當選擇兩側電流互感器變比并正確設置，正常運行時，流入差動保護電流回路的不平衡電流應為零。但由于牽引變壓器兩側繞組接線方式不同、分接頭調整、勵磁涌流、電流互感器計算變比與牽引變壓器實際變比不同、傳變誤差等因素的影響，在正常運行或發生區外故障時，可能在牽引變壓器差動保護電流回路中產生較大的不平衡電流。

1 不平衡電流產生原因分析

1.1 牽引變壓器兩側繞組接線方式不同

Y/△-11 為牽引變壓器常用接線方式之一，見圖1。該接線方式其△接線側線電流為相電流的矢量差，線電流幅值為相電流幅值的倍，兩者相位相差30°，Y/△接線兩側對應相電流相位相同，即兩側線電流相位也相差30°，見式（1）。此時，如果兩側的電流互感器仍均采用通常的Y形接線方式（即兩側接線方式相同），則即使電流互感器二次電流的幅值相同，但由于相位不同，也會在差動保護電流回路中產生不平衡電流。

圖1 Y/Δ-11 接線示意圖

1.2 牽引變壓器分接頭位置的調整

牽引變壓器常規配置5 個分接位置，電壓調整范圍一般為±5%，分接頭位置調整的實質為改變牽引變壓器的變比。牽引變壓器差動保護裝置的參數通常按額定分接位置的變比設置。因調整接觸網電壓需要，調整牽引變壓器分接頭位置的情況時有發生，調整后其變比改變。若此時差動保護參數設置未隨之進行重新配置，就會在差動保護電流回路中產生不平衡電流，產生的不平衡電流與電壓調整范圍有關，電壓調整范圍越大，不平衡電流越大，以(220±2×2.5%)/27.5 kV 單相牽引變壓器為例進行分析，如表1 所示。

1.3 電流互感器計算變比與牽引變壓器實際變比不同

由于電流互感器、牽引變壓器存在變比造成電流值轉換，正常運行時牽引變壓器兩側電流值是不相等的。為了滿足正常運行或區外故障時流入差動保護電流回路的不平衡電流為零，須使牽引變壓器兩側電流互感器變比的比值等于變壓器的變比，即滿足式（2）。但是，實際應用中電流互感器和變壓器的變比均為根據產品目錄選取的標準變比，很難滿足上述要求，從而造成不平衡電流的產生。

表1 220 kV 單相牽引變壓器分接頭位置調整產生的不平衡電流

式中：nTH為牽引變壓器高壓側TA變比；nTL為牽引變壓器低壓側TA變比；WH為牽引變壓器高壓側匝數；WL為牽引變壓器低壓側匝數。

1.4 兩側電流互感器傳變誤差

電流互感器電流傳變模型見圖2。

圖2 電流互感器電流傳變模型

1.4.1 穩態不平衡電流

對圖2 所示傳變模型進行分析可知，電流互感器傳變準確性受電流互感器勵磁特性影響。在考慮電流互感器勵磁電流的條件下，牽引變壓器兩側不平衡電流計算式（假設平衡系數為1）為

通過式（3）可以得出，正常運行時牽引變壓器兩側不平衡電流與兩側電流互感器勵磁電流差值成正比。由于牽引變壓器兩側的額定電壓等級不同，通常情況下裝設在兩側的電流互感器型號參數也不相同，勵磁特性差別較大，即勵磁電流差值較大，從而產生較大不平衡電流。

1.4.2 暫態不平衡電流

發生外部故障時，短路電流中含有非周期暫態分量，是低頻分量，并按一定的時間常數衰減，大部分流經圖2 中的勵磁支路，增加了電流互感器的傳變誤差，導致不平衡電流增大。

可見，即使牽引變壓器兩側電流互感器的變比符合要求，在正常運行或發生區外故障時，流入差動保護電流回路的不平衡電流也不為零。

1.5 牽引變壓器勵磁涌流

牽引變壓器空載合閘或外部故障切除恢復正常供電時，可能產生非常大的勵磁涌流，往往能夠達到額定電流大小的6～8 倍，甚至高達數十倍。由于勵磁涌流只流入牽引變壓器電源側繞組，即傳變到差動保護電流回路中的勵磁涌流只單側流入，全部形成不平衡電流，如圖3 所示。因此，勵磁涌流是產生差動保護不平衡電流的最主要原因。

圖3 牽引變壓器差動保護電流回路原理

2 減小不平衡電流影響的措施

2.1 牽引變壓器兩側繞組接線方式不同產生的不平衡電流

2.1.1 相位補償法

相位補償法即改變牽引變壓器兩側電流互感器二次接線方式。Y 接線側繞組TA 二次采用△接線，△接線側繞組TA 二次采用Y 接線，則Y 接線側繞組TA 二次側輸出移相30°與△接線側繞組TA 二次輸出相位一致。但改變TA 二次接線方式后，Y 接線側繞組TA 二次側輸出電流增大了倍，此時必須將該側TA 的變比擴大倍，以減小二次電流，使之與△接線側繞組TA 二次輸出電流相等。

2.1.2 軟件計算補償法

牽引變壓器保護微機化后，使軟件計算補償具備了可行性。微機化后，牽引變壓器的兩側TA 二次接線均可接成Y 形，利用軟件對兩側電流進行相位補償和幅值補償。

2.2 牽引變壓器分接頭位置調整產生的不平衡電流

由上述原因分析可知，牽引變壓器分接頭位置調整產生不平衡電流的根本原因為分接頭位置調整后改變了牽引變壓器的電壓比，而保護裝置參數配置未進行相應更改。保護裝置在計算差動電流時仍按額定分接電壓比計算，從而形成不平衡電流。牽引變壓器分接開關分為無載分接和有載分接。無載分接調整分接頭位置時須牽引變壓器退出運行，改變分接頭位置后，只需保護裝置對應更改配置參數，能夠有效消除因調整分接頭位置產生的不平衡電流。有載分接調整分接頭位置時，牽引變壓器仍保持正常運行，可采取增大動作電流門檻值的措施減小不平衡電流的影響。

2.3 電流互感器計算變比與牽引變壓器實際變比不同產生的不平衡電流

在微機保護中，補償因電流互感器計算變比與牽引變壓器實際變比不同產生的不平衡電流，可通過對電流互感器變比與牽引變壓器變比進行關聯計算，得出一個平衡系數KPH，見式（4），配置到差動保護裝置中，使牽引變壓器兩側流入差動保護電流回路的不平衡電流近似為零。

2.4 兩側電流互感器傳變誤差產生的不平衡電流

（1）減少由電流互感器傳變誤差產生的穩態不平衡電流，主要可采取以下措施：a.盡可能使用同型號、勵磁性能相近或相同的電流互感器，使得兩側電流互感器的磁化曲線盡量相同，以減小不平衡電流；b.減小電流互感器二次負載的阻抗并使兩側二次負載的阻抗相同，可以降低鐵心的飽和程度，也相應地減少了不平衡電流；c.適當增大電流互感器的變比nT。電流互感器二次阻抗Z2折算到一次側的等效阻抗為Z2/nT2，見式（5）。一次額定電流相同情況下，如果采用二次側額定電流為1 A的電流互感器，等效阻抗可以減小到額定電流為5 A時的1/25。

（2）減少由電流互感器傳變誤差產生的暫態不平衡電流主要有兩方面措施：a.選用具有較好暫態傳變特性的電流互感器；b.適當增大保護動作電流門檻值。

2.5 牽引變壓器勵磁涌流產生的不平衡電流

如圖4 所示，牽引變壓器的勵磁涌流有以下幾個特點：（1）含有數值很大的諧波分量（主要是二次和三次諧波），且主要為偶次諧波；（2）波形中含有很大的非周期分量，波形完全偏離時間軸的一側，并且出現間斷；（3）勵磁涌流的衰減常數與鐵心的飽和程度有關，飽和程度越深，衰減越快，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢。

圖4 牽引變壓器勵磁涌流典型波形

減少勵磁涌流的主要措施：在牽引變壓器低壓側并聯電容器；控制三相開關合閘時間。在牽引變壓器低壓側并聯合適的電容器需要對牽引變壓器的勵磁特性進行精確模擬，得到一個真實的牽引變壓器勵磁特性是比較困難的，控制開關合閘時間的技術潛力較大，但目前技術仍不成熟。上述2 種方法目前均未投入實際應用。

鑒于減少勵磁涌流的措施實施比較困難，只能采取抑制勵磁涌流影響的方法。應用于牽引變壓器的勵磁涌流抑制方法主要是利用二次諧波制動原理，其原理簡單明了，有多年運行經驗。其制動方式有兩種：一是按相制動，即以二次諧波和基波比值最大的相為制動判據，任一相差流的二次諧波和基波的比值大于二次諧波制動系數KH2，見式（6），則閉鎖比率差動保護；二是綜合相制動，即分別取三相差動電流中二次諧波和基波的最大值，并以它們的比值為制動判據，三相中最大的差流二次諧波與三相中最大的差流基波的比值大于二次諧波制動系數KH2，則閉鎖比率差動保護裝置。

式中：KH2為二次諧波制動系數；為差動電流的二次諧波；為差動電流的基波。

除二次諧波制動原理外，依據涌流波形特征，還可利用間斷角原理、波形對稱原理、波形疊加原理等多種方法來抑制勵磁涌流對差動保護的影響。

3 結語

本文分析了牽引變壓器差動保護不平衡電流產生的原因及減小其影響的相應措施。實際應用中，需針對不同原因采取不同措施。設計階段應在設備選型、保護裝置配置、定值整定等方面系統化充分考慮，最大化減小差動保護不平衡電流的影響，確保保護的選擇性、靈敏性、速動性、可靠性，保證牽引變壓器可靠、安全運行。