高铁牵引变电所主变比率差动保护的校验方法

孙树光

高铁牵引变电所主变比率差动保护的校验方法

孙树光

针对高速铁路牵引变电所主变压器微机保护装置中差动保护测试的问题，对自适应差动保护动作特性进行了分析，提出现场测试方法和校验公式，以有效利用停电时间，快速、准确地完成差动保护的测试和校验，保障主变压器保护可靠动作。

高速铁路；牵引变电所；主变压器；差动保护；校验

0 引言

高速铁路牵引变电所主变压器是牵引供电的核心，差动保护因动作速度快，选择性好，灵敏度高，作为牵引变电所主变压器的主保护使用。在变压器继电保护试验时，和其他保护相比，常规差动保护试验相对复杂，尤其是测定其动作边界时，常规检验方法一般为按照整定值加入试验电流至保护动作的单点测试，该方法可以判断差动保护作为一项保护功能是否正常，但难以根据测量值判断保护整定的边界位置，难以判定是否符合整定要求。

本文通过对差动保护特性的分析和实际测试验证，提出差动保护的通用测试方法和校验公式。

1 主变差动保护的设置与特性

在高速铁路牵引变电所中，根据牵引负荷的特点，主变压器一般采用单相变压器，主变差动保护一般设置差动速断保护、三段式比率差动保护和二次谐波制动。

变压器内部线圈及引出线的相间及匝间短路时，变压器两端电流不平衡，利用该不平衡电流构成差动保护。变压器在正常负荷状态下，差动保护的最小动作电流大于额定电流下的不平衡电流，保护不会误动。外部短路电流很大时，电流互感器可能饱和，误差随之增大，不平衡电流也随之增大。当不平衡电流超过保护动作电流时，差动保护会误动。为此，引入变压器外部电流作为制动电流设置比率差动保护，当外部电流增大时，差动动作电流相应加大，从而躲过外部故障时的不平衡电流，在发生变压器区外故障时制动差动保护，有效防止差动保护误动作。比率差动保护制动特性的准确性是保障动作准确、可靠的关键。

对单相主变压器，平衡系数为1，差动电流、制动电流与变压器高低压侧电流关系如下：

式中，ICD为差动电流；IZD为制动电流；IL1为低压侧电流；IH1为高压侧电流。

1.1 差动保护动作特性

变压器比率差动保护动作特性如图1。差动保护动作条件：

式中，IDZ为整定动作电流；ISD为差动速断电流；ICD为差动电流；IZD为制动电流；IZD1为差动制动电流1；IZD2为差动制动电流2；KZD1为比率制动系数1；KZD2为比率制动系数2。

图1 差动保护动作特性图

1.2 二次谐波闭锁

因主变压器空载投运时会产生较大的励磁涌流，并伴随有二次谐波分量，为防止主变保护误动，采用二次谐波分量区分故障电流和励磁涌流，当二次谐波电流占基波的含量大于二次谐波闭锁整定值时，使用谐波制动方式闭锁差动保护。

式中，KYL为二次谐波含量整定值；I1、I2分别为基波电流、二次谐波电流。

2 主变差动保护试验方法

不同的继电保护装置对于自适应差动保护的处理方式不完全一样，实际测试时应根据具体装置情况，判断测试方式是否应做调整，在现场校验前，应考虑平衡系数，可以先置1，或输入电流时计入平衡系数影响。

2.1 试验项目

比率差动保护的整定值确定后，动作边界就相应确定，差动保护试验即为验证动作边界是否与整定边界一致。完整的校验主变比率差动保护应分别校验每一条动作边界，即应分别校验差动速断电流ISD，差动动作电流IDZ，测定差动制动电流IZD1和IZD2处的差动动作电流，计算比率制动系数 KZD1和KZD2，除此之外，还应校验二次谐波制动情况。

2.2 基本方法

图1中，A、B点分别为差动制动电流IZD1和IZD2的两点，C点为差动制动电流大于IZD2的点，测定三段式差动保护动作边界，应根据给定的整定值，首先测定差动速断电流 ISD和差动动作电流IDZ，然后测定计算A、B点的差动动作电流，用于校验比率制动系数KZD1；最后测定C点的差动动作电流，用于校验比率制动系数KZD2。

微机保护装置接入的是主变压器高低压侧互感器二次侧电流，而保护装置外部并无差动、制动电流之分，因此现场试验时，在保护装置输入端施加高低压试验电流IH1、IL1。

以A点为例，差动制动电流为IZD1，测定差动动作电流按如下步骤进行：首先设定初始值 IH1= IL1= IZD1/ 2，此时差动电流ICD1=| IH1− IL1| = 0，然后设定高压侧电流IH1递减，低压侧电流IL1递增，为保持制动电流 IZD1不变，设置高低压侧电流递减、递增的步进值相同，则同步调整IH1、IL1时制动电流IZD1不变，差动电流增大。缓慢同步调整高低压侧电流IH1、IL1直至保护动作，测得保护动作时的IH1、IL1值，据此计算差动动作电流：

在不计误差的情况下，测量动作值应在动作特性边界上，实际测试中，应根据整定值预先计算测试点处IH1、IL1的动作值，在接近差动动作值时，一般应调整步进值至小于动作值的3%，以保证测试误差在规定范围内。测量值与整定值的误差不应超过±5%。

对于微机型继电保护测试仪输出的电流角度没有要求，但须注意的是，高低压侧电流角度必须一致。实际试验时，一般应将施加的电流角度均调整至0o。在测试之前，应退出其他所有保护元件，仅投入差动保护、差动速断保护装置。

2.3 差动速断电流ISD和差动动作电流IDZ测试

差动速断电流 ISD和差动动作电流 IDZ测试方法相同，可在制动电流为0时测定。需注意的是差动速断电流ISD大于差动动作电流IDZ，在校验差动速断电流前，应首先取消比率差动保护，避免测试时比率差动保护装置首先动作。

设定高压侧电流IH1为0，低压侧电流IL1自0开始缓慢增大，直至比率差动保护动作，则差动动作电流为IDZ= IL1

取消比率差动保护装置后，按同样方法升流至保护动作，差动速断电流为ISD= IL1

测试时也可设低压侧电流 IL1为 0，高压侧电流IH1递增，结果一致。

2.4 差动制动电流IZD1、IZD2处差动动作电流测试

图1中，A点的差动制动电流IZD1为整定值，校验时应保持差动制动电流IZD1不变，测定差动电流。设定高、低压侧初始电流，IH1= IL1= IZD1/2，设置高压侧电流IH1递减，低压侧电流IL1递增，步进值相同，同步缓慢调整高低压侧电流直至保护动作，则根据式（1），得A点差动动作电流：

利用同样方法，可得B点差动动作电流：

2.5 比率制动系数KZD1校验

根据A、B两点的整定制动电流IZD1、IZD2和

2.4 节的方法测得差动动作电流 ICDA、ICDB，按下式计算比率制动系数KZD1。

2.6 比率制动系数KZD2校验

为校验比率制动系数KZD2，在图1中选取C点的制动电流值IZDC，IZDC的选取应符合以下2条原则：

（1）应使IZDC＜IZD2+ (ISD− ICDB) / KZD2，以保证C点的计算差动值不大于速断整定值。

（2）应使（IZDC− IZD2）不小于（IZD2− IZD1），若结果不满足第1条，则可选IZDC接近IZD2+ (ISD− ICDB) / KZD2，以保证测试精度。

选定C点的制动电流值IZDC后，根据2.4节的方法测得C点差动动作电流：ICDC= IL1C− IH1C，按照比率制动系数 KZD1的计算方法，得比率制动系数KZD2：

2.7 自适应边界调节校验

该项校验分如下3个步骤：

（1）计算确定边界调节后的 A、B点制动电流值，选定C点制动电流值。

（2）按照2.2节—2.4节方法测得差动电流值。

（3）按式（4）、式（5）确定比率制动系数，并与理论计算值比较。一般来说，如果已经完成基本测试校验，自适应边界调节校验可以仅校验差动速断电流ISD和差动动作电流IDZ。

2.8 二次谐波闭锁试验

二次谐波闭锁测试时，在满足差动保护可靠动作的条件下，同时施加与整定值相差约2%的二次谐波电流，如若整定值为20%，则同时施加占基波电流18%的二次谐波电流，差动保护应可靠动作，施加22%的二次谐波电流时应可靠不动作。闭锁试验可在边界测试时进行，因此时仅需调整施加的谐波电流，效率较高。

2.9 差动保护动作时间的测定

测定差动保护动作时间时，应按差动保护整定值的0.7倍施加动作电流，以确保差动保护正确动作。差动保护动作时间为保护固有动作时间与动作时间整定值的和，一般要求保护装置固有动作时间不大于30 ms，时间元件的误差不超过±2%。

3 测试校验实例

下面以某高铁变电所为例，说明主变比率差动保护具体测试过程和校验方法。

变电所主变差动保护定值见表1。

表1 变电所主变差动保护定值一览表

3.1 现场测试

因比率差动保护仅涉及电流，因此接线较为简单，在保护装置输入端分别施加高低压试验电流IH1、IL1，为测得动作时间，保护装置动作出口（或测试用出口）接至继电保护测试仪开入端。综合谐波抑制测试和二次谐波闭锁测试方法相同，此处不再单独列出。

检验过程中如果测量误差较大，应检查接线是否正确，同时注意电源有无波形畸变。

（1）ISD、IDZ、A、B点动作电流测试。

按表2中的初始值设定IH1、IL1，按2.3节、2.4节的方法逐项测试得出IH1、IL1的动作电流，连同动作时间填入表2，其中C点IH1、IL1的初始值需根据B点的测试值确定。

表2 差动保护动作时的电流值及动作时间表

因测试动作时间时应施加差动保护整定值0.7倍的动作电流，因此动作时间的测试与动作电流的测试应分别完成，动作时间一般至少测试3次，以检验有无异常偏离。

（2）选定C点IH1、IL1的初始值并测试。

根据 2.6节中 C点的选取原则和给定的整定值，选取IZDC的值：

IZDC＜IZD2+ (ISD− ICDB) / KZD2= 5 + (10 −1.12) / 0.7 = 17.69 A

使IZDC− IZD2＞IZD2− IZD1，即IZDC＞IZD2− IZD1+ IZD2=5 − 1.5 + 5 = 8.5 A

因此取IZDC= 15 A，初始值IH1= IL1= 7.5 A，填入表2，据此测试C点的IH1、IL1动作值。

3.2 测试结果校验

根据表2的测试结果，使用2.5节、2.6节比率制动系数计算方法，计算得比率制动系数：

KZD1= (ICDB− ICDA) / (IZD2− IZD1) = (IL1B− IH1B− IL1A+ IH1A) / (IZD2− IZD1) = (3.61 − 1.39 − 1.31 + 0.19) / (5 − 1.5) = 0.314 KZD2= (ICDC− ICDB) / (IZDC- IZD2) = (IL1C− IH1C− IL1B+ IH1B) / (IZDC- IZDB)

= (12.03 − 2.97 − 3.61 + 1.39) / (15 − 5) = 0.684

测量值与整定值的误差校验结果：差动速断ISD：(10.15 − 10) / 10×100% = 1.5%差动动作IDZ：(1.12 − 1.1) / 1.1×100% = 1.82%

比率制动系数KZD1：(0.314 − 0.3) / 0.3×100% = 4.67%

比率制动系数KZD2：(0.684 − 0.7) / 0.7×100% = -2.29%

误差均在±5%以内，符合要求，即测试动作边界与整定动作边界一致。

4 结语

牵引变电所主变差动保护装置对于保障牵引供电系统安全运行起着重要的作用，新建牵引变电所的交接试验应全面验证主变差动保护的动作边界；在牵引变电所的正常运行中，对其进行定期校验也是发现和处理各种潜在缺陷的重要手段。本文根据自适应差动保护的动作特性和现场测试情况，提出通用测试方法和校验公式，实际使用时简单有效，可以快速准确地完成差动保护的测试和校验，解决牵引变电所微机保护装置差动保护动作边界的测试问题。

With regard to the issues occurred in differential protection test of macro-processor protection device of traction transformer of traction substation of high speed railway, analyzes the characteristics of self-adaptive protection actions, puts forward the site test methods and calibration formulae so as to accomplish promptly and accurately the differential protection test and calibration by using the time of power off and guarantee the reliable operation of main transformer protection.

High-speed railway; traction substation; traction transformer; differential protection; calibration

U224.4

：B

：1007-936X(2015)03-0001-04

2014-09-04

孙树光.济南铁路局供电处，高级工程师，电话：13646406407。