模擬短路試驗核對變電所保護極性的方法探討

李衛民

0 引言

在牽引供電系統中，饋線側T、F 電壓端子相別、極性錯誤會造成距離保護拒動或影響故測準確性，母線a、b 相別錯誤造成低壓側斷路器拒動、高壓側斷路器越級跳閘擴大停電范圍，或高壓側A、B、C 電流相別錯誤造成主變差動保護拒動或誤動。本文提出一種新型的試驗方法，應用于交接試驗中校驗極性，簡單、實用、方便快捷。

1 案例分析

1.1 電壓極性錯誤使距離保護拒動

1.1.1 距離保護邏輯判據

距離保護是饋線保護的主保護[1]。變電所饋線保護裝置的既有距離保護均不設置正反向，因此電壓端子的極性必須完全正確，保證阻抗角測量正確，使故障點落在保護動作范圍內，距離保護才能正確動作。距離保護動作特性如圖1 所示。

圖1 距離保護動作特性示意圖

1.1.2 案例

2022 年9 月侯北變電所直供線路發生跳閘，跳閘數據：電流速斷動作，故障距離4.79 km，線路阻抗角235.6，電阻-1.81 Ω，電抗-2.78 Ω，饋線電壓12.84 kV，饋線電流4 082.51 A。

查閱保護定值發現，距離保護的壓板和配置均為投入狀態。由于故障時刻電阻、電抗值均為負值，如圖1（b）“×”處，故障點落在平行四邊形之外，導致距離保護未啟動。經校線最終確認，該直供線路對應的變電所27.5 kV 母線電壓互感器一次設備本體接線盒中，極性端與非極性端反接。若采用傳統的在室內端子排用繼保儀升流校驗的方法，無法核查此類故障。

1.2 主變二次a、b 相別錯誤引發越級跳閘

1.2.1 低壓過流保護邏輯判據

高壓側：低壓過流保護邏輯判據如圖2 所示。

圖2 低壓過流保護邏輯判據（高壓側）

圖中：IA、IB、IC為高壓側三相電流；50HAC、50HBC、50HCC 分別為高壓側過流A、B、C 三相過流定值；Uα、Uβ、Uαβ分別為低壓側α 相電壓、β 相電壓、αβ 相間電壓；27LV 為低壓側低壓定值。可以看出，高壓側三相電流任一相超過電流定值，α、β 相任一相電壓低于電壓閉鎖定值，將跳開主變高低壓側三臺斷路器。

低壓側：低壓過流保護邏輯判據如圖3 所示。

圖3 低壓過流保護邏輯判據（低壓側）

圖中：Iα、Iβ為主變低壓側α 相、β 相電流；Uα、Uβ為主變低壓側α 相、β 相電壓；50LAC、50LBC、27LV 分別為α 相過流定值、β 相過流定值、低壓側低壓定值。當α、β 某相發生故障電流大于定值，對應相的電壓低于低壓閉鎖定值時，將跳開對應相斷路器。

1.2.2 案例

2022 年11 月洪洞西變電所27.5 kV 母線接引的所用變壓器故障，引線單相接地，主變高壓側過流保護越級跳閘，全所停電。跳閘數據如下（二次值）：IA= 2.63 A，IB= 2.63 A，IC= 0 A，Iα= 7.36 A，Iβ= 0.01 A，Uα= 105.30 V，Uβ= 14.54 V。故障電流存在的α 相，其電壓高達105 V，低壓閉鎖導致低壓側過流保護未啟動，越級至主變高壓側過流保護動作，全所停電，擴大了停電范圍。

上述問題非偶然，有些甚至是自開通運行就已存在，且這些故障影響較大，常規的試驗方法難以發現，需要一種簡單又行之有效的方法找出此類問題原因。

1.3 a、b（M、T）相別錯誤引發差動保護誤動

2022 年翼城變電所全所二次電纜更新改造后，主變投運前需進行差動保護試驗，在室內端子排側用繼保儀升流校驗，均顯示無異常。但是在室外高壓場地采用短路試驗的方法檢驗回路時，裝置顯示差動電流較大，具體數據：差動電流IDA= 0.26 A，IDB= 0.27 A，IDC= 0.52 A；制動電流IRA= 0.22 A，IRB= 0.23A，IRC= 0。

很明顯，高低壓側處于不平衡狀態，二次回路接線存在問題。若盲目投運主變，會出現差動保護動作、全所停電的風險。

2 模擬短路試驗方法

2022 年侯月線沁水、翼城變電所二次電纜更新改造，通過與相關廠家交流溝通，采用一種新型的試驗方法，對二次回路進行校驗。

2.1 翼城變電所基礎數據

翼城變電所主變為斯科特變壓器，高壓側為A、B、C 三相，低壓側分為T、M 兩座，M 座引出T、F 線，M 座流互引出電流為IMT、IMF，在室外端子箱通過接線方式作矢量差，即，引出Iβ，T 座同理。主變差動保護裝置為天津凱發KF6530電鐵變壓器差動保護裝置。

2.2 差動保護試驗檢驗保護動作情況

2.2.1 試驗原理

SCOTT 接線變壓器差動保護接線如圖4 所示。

圖4 SCOTT 接線變壓器差動保護接線

變壓器兩側電流平衡關系（CT 二次側、高壓側星接，高壓側CT 變比必須一致）為

差動電流方程：

制動電流方程：

2.2.2 第1 次試驗

試驗接線如圖5 所示。在A、B、C 三相處施加380 V 交流電。

圖5 試驗接線

在D1 處加掛接地封線，若電流達到定值，差動保護應動作，可以成倍縮小保護定值或觀察保護各項數據是否符合邏輯。驗證差動保護時，未修改保護定值，由于所加電壓較小，所以電流未達到差動保護定值，通過觀察各相的數值與角度，判定接線是否正確。試驗數據如下。

一次側保護值：主變高壓側IA= 20.9 A，IB=20.65 A，IC= 20 A；主變低壓側I1= 0，I2= 0。

二次側保護值：IA= 0.26∠0A，IB= 0.26∠120A，IC= 0.26∠240A，I1= 0，I2= 0。

差動電流：IDA= 0.26 A，IDB= 0.27 A，IDC= 0.26 A。

制動電流：IRA= 0.11 A，IRB= 0.12 A，IRC= 0.12 A。

由于主變低壓側流互被短路，所以低壓側流互測得電流數值為0。差動電流、制動電流數值也與計算值相等，表明主變高壓側至主變低壓側流互之前的一、二次接線沒有問題。

2.2.3 第2 次試驗

試驗接線如圖6 所示。在A、B、C 三相處施加380 V 交流電。在D2 處加掛接地封線，差動保護不應動作，觀察保護各項數據是否符合邏輯。試驗數據如下。

圖6 試驗接線

一次側保護值：主變高壓側IA= 20.9 A，IB=20.65 A，IC= 20 A；主變低壓側I1= 44 A（T 座），I2= 43.9 A（M 座）。

二次側保護值：IA= 0.26∠0A，IB= 0.26∠120A，IC= 0.26∠240A，I1= 0.17∠330A（T座），I2= 0.17∠60A（M 座）。

差動電流：IDA= 0.26 A，IDB= 0.27 A，IDC= 0.52 A。

制動電流：IRA= 0.22 A，IRB= 0.23 A，IRC= 0。

裝置顯示的各相差動電流和制動電流明顯不符合平衡關系。短路試驗時，制動電流不可能為0，因主變低壓側在流互外側被短封，所以主變高低壓側一定平衡，差動電流應為0。

二次側保護值如圖7 所示。

圖7 二次側保護值相量

按照上述差動電流矩陣計算式，有

而裝置顯示IDC= 0.52 A = 2IC，判斷I2反向，I2應為240，如圖8 所示。

圖8 更改后二次側保護值相量

調整I2電流端子極性后，即倒接端子排I2與N，試驗數據如下。

二次側保護值：IA= 0.26∠0A，IB= 0.25∠120A，IC= 0.25∠240A，I1= 0.18∠330A，I2=0.17∠240A（M 座）。

差動電流：IDA=IDB=IDC= 0.01 A。

制動電流：IRA=IRB=IRC= 0.26 A。

此時差動電流接近0，制動電流等于主變高壓側電流，符合平衡關系。

至此，主變差動保護回路校驗正確。

2.3 低壓過流保護試驗

2.3.1 第1 次試驗

同樣在D3 處做短封（圖9），驗證Ut＜Um（被短路相電壓被拉低），電流互感器測得的數值符合，即可證明互感器相別、極性正確。

圖9 試驗接線

為驗證主變高、低壓側低壓過流保護，進行主變后備保護裝置試驗，試驗數據：IA= 0.26 A，IB=0.25 A，IC= 0，It= 0.17 A，Ut= 0.11 V，Im= 0，Um= 0.35 V。

為驗證饋線低壓過流保護裝置，進行饋線保護裝置試驗，試驗數據：U= 0.11 V，I= 0.18 A（低壓過流保護無方向性，數據無符號）。

至此，T 座低壓過流保護相關的高、低壓側電壓、電流一一對應。

2.3.2 第2 次試驗

在D4 處做短封（圖10），驗證另一條饋線和M 座的保護接線。

圖10 試驗接線

試驗數據：IA= 0，IB= 0.25 A，IC= 0.26 A，It= 0，Ut= 0.35 V，Im= 0.17 A，Um= 0.11 V。

至此，M 座低壓過流保護相關的高、低壓側電壓、電流一一對應。

2.4 饋線距離保護試驗

因天窗作業，不能在饋線外側掛接地線，只能在所內進行，測試出的阻抗角等無參考意義，因此僅對電壓電流的對應關系，以及T、F 電流的極性進行檢驗。

按圖9 所示方法，在饋線流互外側D3 處做短封，距離保護應動作。同時，驗證電壓與電流的對應關系，校驗It、If的極性。試驗數據：U= 0.11 V，I= 0.18 A，φ= 348，R= 0.60 Ω，X= -0.13 Ω。

D4 處試驗同理。

3 試驗注意事項

（1）做好所有安全措施。

（2）受牽引變電所場地、電纜長度等因素的限制，在高壓場地主變側找到主變通風電源（此處注意試驗過程中有可能頂跳上級交流電源），測量確認線電壓為380 V。使用長大電纜接引，將接地線桿分別掛在主變高壓側A、B、C 進線處。

（3）為完全模擬變電所正常運行狀態，使用核相儀，確保加入的三相交流電與高壓側進線三相電相序一致。為減少試驗中的變量因素，在高壓側進線電壓互感器室外端子箱處進行核相。

4 結論

（1）本文所述短路試驗方法對各種接線方式的主變壓器均適合。

（2）高鐵變電所因流互變比較大，二次電流較小，會存在測試數據漂移現象。

（3）若采用傳統的在一次側升流的試驗方法，只能校對電流在數值上的錯誤，無法模擬真實運行時的狀態，無法發現各相角度間的關系。若采用繼電保護儀在二次側加流的試驗方法，也無法模擬電壓、電流在互感器、變壓器高低壓側的變換關系，存在試驗盲區，無法全面排查問題。當進行短路試驗時，在進線側加入互差120的三相電，同步記錄各主變保護裝置、饋線保護裝置上顯示的各相電流、電壓采集數值，便可核對各模擬量正確與否。