牽引變電所饋線雷擊引起主變差動保護誤動分析

李普前

（蘇州軌道交通有限公司，江蘇 蘇州 215101）

牽引供電系統中接觸網設備由于露天架設在室外，運行環境惡劣，特別是在雷雨季節，接觸網極易遭受雷擊造成牽引變電所饋線保護動作，嚴重時甚至會引起變電所主變差動保護誤動.本文針對2010年夏天，JH線某段因接觸網設備遭雷擊先后引發的A、B兩牽引變電所主變差動保護誤動，運用保護理論，對兩起保護誤動情況進行分析，提出了預防此類故障的具體措施.

1 故障概況

2010年06月02日22時29分33秒603毫秒，A變電所1#主變跳閘，差動保護動作，自投成功.故障數據：高壓側Ubc=76.26 V，高壓側Ic=2.48 A，低壓側Iβ=2.48 A.

同時，214饋線斷路器跳閘，電流速斷保護動作，重合閘成功.故障測距0.87 km，母線電壓2.06 kV，故障電流5208 A，阻抗1.1 Ω∠6.4°.

2010年06月23日07時25分13秒129毫秒，B變電所2#主變跳閘，差動保護動作，自投成功.故障數據：高壓側Ubc=86.68 V，高壓側Ic=2.78 A，低壓側Iβ=2.35 A.

同時，214饋線斷路器跳閘，電流速斷保護動作，重合閘成功.故障測距2.25 km，母線電壓4.18 kV，故障電流4040 A，阻抗3.43 Ω∠66.9°.

跳閘時，上述A、B兩變電所區域均為雷雨天氣.

2 故障數據分析

2.1 主變保護原理簡介

A、B兩站主變保護采用許繼集團TA21型保護，保護原理與國內主流廠家基本一致，采用平衡系數的方法補償各側二次電流，計算差動電流和制動電流來判斷故障.

TA21型主變保護裝置通過采集主變高壓側（Ic）和低壓側（Iβ）電流，利用平衡系數補償兩側二次電流的差異（平衡系數Kph=（高壓側CT變比×高壓側額定電壓）/（低壓側CT變比×低壓側額定電壓）），計算差動電流和制動電流（其中差動電流Icd=Ic-Iβ/Kph，制動電流Izd=Ic+Iβ/Kph），用來判斷主變是否存在短路故障.

主變正常運行時，差動電流幾乎為零，保護不動作；主變內部故障時，差動電流很大，保護動作.設置制動電流是考慮到區外故障CT飽和現象的存在，保證區外故障時保護不會誤動.

由于主變受到沖擊時會產生很大的勵磁涌流，電流大小一般都會大于差動保護動作值，考慮到涌流中包含了高次諧波分量，主變保護中都設有諧波制動系數這個定值，一旦保護裝置檢測到差動電流中諧波含量高于這個定值就閉鎖差動保護，保證在主變送電時不會因為勵磁涌流的存在導致保護誤動.

2.2 主變數據

A變電所：主變型號S6-QY-20000+20000/110，高壓側CT變比300/1，低壓側CT變比1250/1，饋線CT變比800/1.

B變電所：主變型號S6-QY-20000+16000/110，高壓側CT變比400/1，低壓側CT變比1250/1，饋線CT變比1000/1.

2.3 保護定值

A變電所1#變：差動電流整定值Idz=0.3 A，平衡系數Kph=0.96，二次諧波制動系數15%.B變電所2#變：差動電流整定值Idz=0.25 A，平衡系數Kph=1.28，二次諧波制動系數15%.

根據主變參數進行計算，得到A變電所1#主變平衡系數為300×110 kV/（1250×27.5 kV）=0.96，B變電所2#主變平衡系數為400×110 kV/（1250×27.5 kV）=1.28，由此可知，A、B兩變電所跳閘的兩臺主變保護定值整定正確，不存在因保護定值整定錯誤導致保護動作的可能性.

2.4 故障數據分析

根據故障數據計算A變電所1#主變差動保護動作時的差動電流為：

Icd=Ic-Iβ/Kph＝2.48-2.48/0.96=0.10 A.

計算結果表明差動電流沒有達到1#主變差動保護起動值，差動保護不應該動作.

根據故障數據計算B變電所2#主變差動保護動作時的差動電流和制動電流為：Icd=Ic-Iβ/Kph＝2.78-2.35/1.28=0.95 A，Izd=（2.78+2.35/1.28）/2=2.31 A.經過分析，未到達比率差動的動作區，差動保護不滿足動作條件.

A、B兩變電所214饋線斷路器故障電流均超過電流速斷保護定值，饋線保護正確動作.

3 故障錄波分析

使用波形分析軟件對A、B兩變電所主變差動保護故障波形進行分析，結果如圖1、圖2所示.

圖1 A所1#主變故障波形

圖2 B所2#主變故障波形

由故障波形可知：

（1）兩所高壓側電壓波形基本相似，均為正常的正弦波形，中間相Ubc電壓略有下降，沒有發生明顯的突變和畸變現象.（2）A變電所高壓側電流Ic、低壓側電流Iβ波形均發生了嚴重的畸變，故障電流中含有大量的高次諧波和直流分量.

（3）B變電所高壓側電流Ic為正常的正弦波形，低壓側電流Iβ波形則發生了較嚴重的畸變，且故障電流中含有較高的高次諧波和直流分量.

（4）兩所高壓側電流Ic中二次諧波含量較小，不足10%；低壓側電流Iβ中二次諧波含量較高，超過40%.

（5）通過保護廠家提供的軟件工具進行分析，得知兩變電所主變保護動作過程中，差動電流由高壓側電流Ic和低壓側電流Iβ產生.

4 跳閘原因分析

（1）跳閘瞬間，兩所值班人員均聽到室外伴隨有強烈的雷電聲，且跳閘供電臂沒有電力機車運行，可以確定雷擊接觸網是造成兩變電所饋線跳閘的直接原因.

（2）由于兩變電所饋線跳閘均為近端短路，短路電流非常大，且在雷電作用下，短路電流中產生了較大的直流分量，可能造成主變高低壓側CT飽和，差動保護裝置中的電流采集系統也可能出現飽和現象.以上環節導致保護采集到的故障電流波形發生畸變.因高、低壓側電流波形畸變特性不同，主變差動保護裝置通過計算得到較大的差流，造成主變差動保護誤動.

（3）兩變電所保護用電流互感器準確度等級均為5P20級，上述饋線短路產生的故障電流不會造成CT飽和.在主變差動保護裝置試驗時發現，當流入交流插件的電流中含有較大的直流分量時，插件中的電流變換器會出現飽和現象，電流波形會發生畸變.

（4）由于跳閘報告上的數值均為有效值，在電流波形發生畸變的情況下，采用有效值計算得出的差流值，未考慮相位及其他影響，與保護裝置計算出來的差流值存在較大的誤差.這就是A、B兩變電所根據跳閘數據進行人工分析，沒有達到差動動作條件的原因.

（5）由于故障時主變主保護裝置中高壓側電流二次諧波含量較小，不足10%，故比率差動保護二次諧波閉鎖未啟動.通過離散分析，發現故障時主變低壓側差電流的二次諧波含量仍較大，超過了二次諧波閉鎖整定值.

5 改進措施

（1）更換主變保護裝置交流采集模塊，增強電流變換器的抗飽和能力，消除區外故障時因直流分量引起的波形畸變.

（2）要求保護廠家更改保護邏輯，改進主變保護比率差動二次諧波閉鎖判據，由高壓側二次諧波閉鎖改為高低壓側差流二次諧波閉鎖，增強外部故障時比率差動保護的二次諧波閉鎖能力，提高保護裝置動作的可靠性.

采用上述改進措施后，各牽引變電所饋線因雷擊發生短路故障后，主變比率差動保護均未出現誤動作現象，收到較好的效果.

6 結束語

隨著牽引供電系統的發展，微機保護裝置得到廣泛應用，保護裝置的硬件水平不斷提高，多種保護原理綜合運用，保護裝置的可靠性、靈敏性和精確性明顯提高.但在實際運行中，牽引所變壓器差動保護誤動現象仍時有發生，因此，要不斷完善系統功能，提高裝置采樣精度，積極采取措施預防區外故障引起的保護誤動，提高保護裝置動作的可靠性.

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