自耦变压器差动保护动作原因分析及判断

2018-09-11

电气化铁道 2018年4期

0 引言

高速和重载铁路牵引供电系统主要采用AT供电方式。自耦变压器（以下简称自耦变）为AT供电方式下AT所、分区所的主要设备之一，其继电保护除设瓦斯、压力释放等非电量保护外，还设有差动保护。实际运行中，自耦变经常发生非本体故障差动保护动作，导致自耦变退出运行，影响系统正常供电。因此，分析梳理差动保护动作常见原因，对提高供电可靠性具有重要意义。

1 自耦变差动保护原理

自耦变差动保护通过比较T、F线电流差值而动作，主要用于变压器本体设备的故障保护。如图1（a）所示，自耦变压器可以看作是由T相绕组a-n与F相绕组b-n串联而成，两绕组匝数相等。变压器正常运行时，根据安匝平衡原理，有

式中，W为绕组匝数。

由Wa-n=Wb-n可得T=F。正常情况下，自耦变差动保护电流ICD=T-F=0，故保护装置不动作；当变压器内部发生短路等故障时，差动保护电流ICD大于保护整定值时，保护装置动作，切除故障变压器。

自耦变差动电流引入差动保护装置主要采取2种方式：一种如图1（a）所示，T、F相电流分别接入差动保护装置，经电量变换后差动保护装置自行分析并计算电流差；另一种如图1（b）所示，通过外部接线形成电流差后引入保护装置（此时需特别注意电流互感器的接线方式）。由原理图可以看出，自耦变压器T、F相绕组异名端相连，根据同名端标定的原则，当电流从F相绕组同名端（n端）流入时，感应电势产生的电流由T相绕组同名端（a端）流出。从自耦变压器外部来看，T、F相电流总是同时流入或流出。假定电流互感器一次绕组标号为L1和L2，二次绕组标号为K1和K2。由于电流互感器一次侧通常同标号端（L1端）接电源且自耦变差动保护取T、F相的电流差，所以T、F相电流互感器二次侧应采取异标号端相连的方式，即 T相电流互感器的K1端与F相电流互感器的K2端相连，T相电流互感器的K2端与F相电流互感器的K1端相连后接入继电保护装置。

图1 自耦变差动保护接线原理

实际运用中根据自耦变主接线的不同，差动保护装置采集自耦变T、F相电流的方式略有不同。如图2（a）所示，当采用自耦变经断路器接入55 kV母线的主接线形式时，由于自耦变T、F相设有单独电流互感器，保护装置采集自耦变T、F相电流互感器电流。当采用自耦变经隔离开关接入55 kV母线的主接线形式时，如图2（b）所示，由于自耦变T、F相不设电流互感器，保护装置采集55 kV母线T、F相电流互感器电流。当上、下行解列，即3GK断开，保护装置采集自耦变对应侧母线1LH（2LH）T、F相电流；当3GK闭合，上、下行并列运行，保护装置采集上、下行母线1LH、2LH的T、F相电流并进行比较，即

自耦变差动保护的范围与保护用LH的位置有关，对于图2（a）所示主接线，差动保护范围为3(4)LH的自耦变侧设备，对于图2（b）所示主接线，差动保护范围为1LH与2LH之间的设备，含自耦变和55kV母线。可以设想，当上、下行并列运行时，图2（b）主接线的母线故障，运行的自耦变差动保护将动作并启动备自投—断开1DL、2DL，断开运行自耦变GK，闭合备用自耦变GK，闭合1DL、2DL。由于故障设备并未切除，备用自耦变差动保护将再次动作。在保护配合不好情况下，该故障还可能造成牵引所馈线跳闸、重合闸成功后再次跳闸，扩大停电范围。自耦变的短时退出并不影响系统的供电安全，故采用图2（b）主接线的自耦变备自投功能应撤除，改由供电调度员根据故障设备检查情况手动投入备用自耦变。

图2 自耦变主接线示意图

2 自耦变主要工况及差动保护定值整定

自耦变压器主要工况可分为励磁涌流、牵引负荷、自耦变内部（以保护用LH安装位置界定）故障、自耦变外部故障4种。下文以AT所某一行自耦变为例进行分析，不考虑复合工况的情况。

2.1 励磁涌流工况

变压器的端电压突然上升可能导致变压器铁芯饱和并产生励磁涌流。对于自耦变压器，空载合闸及外部故障切除，变压器电压从低值恢复到运行值时都可能产生励磁涌流。励磁涌流有以下特点：

（1）具有间断角；

（2）具有很大的峰值，通常可以达到变压器额定电流的5～10倍；

（3）含有较大的二次谐波分量，在间断角为108°、150°的情况下，二次谐波含量可以达到13.2%、28.8%；

（4）单相变压器一般有很大的直流分量。

以空载合闸励磁涌流为例，其电流分布如图3（a）所示，自耦变的励磁电流Y（虚线所示）自a端流入，b端流出，T、F相电流互感器LHT2、LHF2一次侧电流从异标号端流入（即当LHT2从L2端流入时，LHF2从LI端流入）。由于差动保护装置电流互感器二次侧是异标号端连接，所以差动电流可达到自耦变额定电流的5～10倍。

2.2 正常牵引负荷工况

正常工作情况下，牵引负荷，T、F相电流互感器一次侧电流从同标号端流入，故差动电流，此时保护装置测得的差动电流主要是电流互感器的传变误差（小于10%）产生的不平衡电流，其最大值

式中，为差动保护电流的二次值，为牵引负荷，n为电流互感器变比。

图3 AT供电电流分布

2.3 自耦变外部故障工况

自耦变外部故障主要有T线对地短路、F线对地短路以及T-F短路。对于T线或F线对地短路，除电流数值增大外，电流的流向分布与牵引负荷情况相似，保护装置测得的差动电流为

式中，max(IT、IF)为T/F线最大母线短路电流。

对于T-F线短路故障，可以分为T-F线直接短路和直接短路并接地。对于前者，可以看作自耦变绕组被短接，流经自耦变的电流很小，可不予考虑；对于后者则可看作T、F线对地短路故障（电流分量很小，流向分布如前述）和T-F线直接短路故障的叠加。

2.4 自耦变内部故障工况

自耦变内部故障可分为绕组匝间短路、套管引线附近设备对地短路、绕组碰壳短路故障（因自耦变绕组中点接地，该情况也可视为匝间短路）。

图3（b）中，假设a-s绕组匝间短路，自耦变T、F相绕组不再是1：1，根据安匝平衡原理可知T、F相绕组流过的电流不再平衡，将产生电流差。

假设套管引线附近m点设备对地短路（可看作绕组匝间短路的极端形式，T相绕组全部短路），T、F相流互LHT2、LHF2的一次侧从异标号端分别流入牵引所馈线T相电流和自耦变F相电流，差动电流ICD为其矢量值相加，即该点的母线短路电流。可以推算，当短路点向绕组n点移动，流经LHT2的牵引所T相馈线电流逐渐减小并趋于0，转而流过自耦变T相绕组电流并逐渐变大，直至与自耦变F相绕组电流持平。

2.5 自耦变差动保护定值整定

自耦变差动保护分为差动速断保护和二次谐波闭锁差动保护。根据继电保护的选择性要求，上述4种工况除自耦变内部故障外，其他3种工况差动保护都不应动作。所以，自耦变二次谐波闭锁的差动保护定值按避开T、F线最大母线短路电流整定，即

式中，Kk为可靠系数，取值范围1.2～1.3，一般取1.2。

二次谐波闭锁系数KBS=ICD2/ICD，一般取0.15。式中，ICD2为差动电流的二次谐波分量。

当变压器发生严重内部故障时，电流互感器可能饱和，导致故障电流中有较高的二次谐波含量，二次谐波闭锁将导致差动保护的动作时间延长，可能长达数百毫秒甚至数秒，为了在内部严重故障发生时能迅速切除变压器，应设置差动速断保护。差动速断整定需避开励磁涌流的影响，即

式中，KYL为励磁涌流系数，取值范围5～10，一般取5；IE为自耦变额定电流。

3 自耦变差动保护动作原因判别流程

自耦变差动保护动作常见原因有：整定定值问题、流互一次或二次接线错误、二次回路故障误动、变压器内部故障。对于线路开通初期，差动保护动作原因多为整定定值问题、流互一次或二次接线错误；既有线设备差动保护动作原因则多为二次回路故障和变压器内部故障。

通过对各种工况下自耦变电流分布情况的分析，牵引负荷和外部T、F线短路的工况下自耦变差动保护装置流入的电流是T、F相电流矢量值相减。对于出现差动电流矢量值相加的情况有4种可能：一是励磁涌流，二是套管引线附近设备对地短路，三是变压器内部绕组靠近套管侧对地短路，四是T、F相电流互感器一、二次回路接线错误。具体故障分析可以利用该特点，从故障报文、故障录波、设备巡视、故障发生时设备运行状态及其他保护动作情况入手，遵循由易到难的原则对故障原因进行判断，具体流程如图4所示。

图4 自耦变差动保护动作原因判别流程

4 典型运用案例

典型运用案例1：XX年8月25日，合肥枢纽新三十铺AT所1#自耦变在接触网天窗作业结束送电时差动速断保护动作，故障报文如表1所示。

该故障有以下特点：（1）报文显示差动电流等于T、F线电流相加；（2）为单一故障，无其他保护同时动作；（3）停电前自耦变运行正常，停电期间该所亭无作业，送电时差动保护动作；（4）该所前期改造，存在定值修改情况。

表1 新三十铺差动保护动作故障报文

产生特点（1）的原因有流互一次或二次接线错误、套管引线附近接地短路、励磁涌流、变压器内部绕组靠近套管侧接地短路4种可能。该AT所位于沪蓉线重负荷区段，日常运行时差动保护不动作，可排除流互一次或二次接线错误。套管引线附近接地时差动电流等于母线短路电流，而该故障的差动电流为1 131A，远小于母线短路电流经验值，故可以排除套管引线附近接地故障。后查阅故障录波，证明了该故障系励磁涌流引起的误动。

如图5所示，该故障波形是典型的单相变压器涌流波形：间断角较大、波形偏向时间轴一侧、存在较大的衰减直流分量。进一步检查保护定值，发现该自耦变差动速断保护定值输入错误，设计值2 275 A（一次值），实际输入值650 A。修改保护定值后类似故障再未出现。

图5 三十铺AT所故障录波

典型运用案例2：XX年5月17日21：02：48，合福高铁集义亭AT所1#自耦变差动保护动作，2#AT备自投成功。AT差动保护动作的同时该AT所所在的旌德牵引所—绩溪北分区所上、下行接触网供电臂跳闸，重合闸成功。故障报文如表2所示。集义亭AT所自耦变未设差流速断保护，仅设置二次谐波闭锁的差流保护，定值762.5A，时限0.1 s。

分析该报文，差动电流为T、F相电流相加，结合差动保护动作时有供电臂跳闸重合情况，计算短路电流即牵引所上、下行馈线电流之和为5 941 A，近似等于差动电流值5 950A。查阅该AT所保护定值整定单，该电流值同时也接近T、F相最大母线短路电流值，故可以判断是套管引线附近有接地短路故障。经天窗时间内检修发现1#自耦变F相母排处高压电缆头被击穿。

表2 集义亭差动保护动作故障报文

自耦变差动速断和二次谐波闭锁的差动保护通常无延时。自耦变套管引线附近接地短路时，牵引所馈线阻抗Ⅰ段保护会启动，但当AT所差动保护动作切除故障自耦变后，牵引所馈线阻抗Ⅰ段保护将返回，不出口动作。该所二次谐波闭锁的差动保护设置了0.1 s的时限，与牵引所馈线阻抗Ⅰ段保护的时限相同，由此引起牵引所馈线保护的同时动作。该AT所的差动保护设计不满足继电保护的选择性要求，应予以改进。