自耦變壓器差動保護動作原因分析及判斷

0 引言

高速和重載鐵路牽引供電系統主要采用AT供電方式。自耦變壓器（以下簡稱自耦變）為AT供電方式下AT所、分區所的主要設備之一，其繼電保護除設瓦斯、壓力釋放等非電量保護外，還設有差動保護。實際運行中，自耦變經常發生非本體故障差動保護動作，導致自耦變退出運行，影響系統正常供電。因此，分析梳理差動保護動作常見原因，對提高供電可靠性具有重要意義。

1 自耦變差動保護原理

自耦變差動保護通過比較T、F線電流差值而動作，主要用于變壓器本體設備的故障保護。如圖1（a）所示，自耦變壓器可以看作是由T相繞組a-n與F相繞組b-n串聯而成，兩繞組匝數相等。變壓器正常運行時，根據安匝平衡原理，有

式中，W為繞組匝數。

由Wa-n=Wb-n可得T=F。正常情況下，自耦變差動保護電流ICD=T-F=0，故保護裝置不動作；當變壓器內部發生短路等故障時，差動保護電流ICD大于保護整定值時，保護裝置動作，切除故障變壓器。

自耦變差動電流引入差動保護裝置主要采取2種方式：一種如圖1（a）所示，T、F相電流分別接入差動保護裝置，經電量變換后差動保護裝置自行分析并計算電流差；另一種如圖1（b）所示，通過外部接線形成電流差后引入保護裝置（此時需特別注意電流互感器的接線方式）。由原理圖可以看出，自耦變壓器T、F相繞組異名端相連，根據同名端標定的原則，當電流從F相繞組同名端（n端）流入時，感應電勢產生的電流由T相繞組同名端（a端）流出。從自耦變壓器外部來看，T、F相電流總是同時流入或流出。假定電流互感器一次繞組標號為L1和L2，二次繞組標號為K1和K2。由于電流互感器一次側通常同標號端（L1端）接電源且自耦變差動保護取T、F相的電流差，所以T、F相電流互感器二次側應采取異標號端相連的方式，即 T相電流互感器的K1端與F相電流互感器的K2端相連，T相電流互感器的K2端與F相電流互感器的K1端相連后接入繼電保護裝置。

圖1 自耦變差動保護接線原理

實際運用中根據自耦變主接線的不同，差動保護裝置采集自耦變T、F相電流的方式略有不同。如圖2（a）所示，當采用自耦變經斷路器接入55 kV母線的主接線形式時，由于自耦變T、F相設有單獨電流互感器，保護裝置采集自耦變T、F相電流互感器電流。當采用自耦變經隔離開關接入55 kV母線的主接線形式時，如圖2（b）所示，由于自耦變T、F相不設電流互感器，保護裝置采集55 kV母線T、F相電流互感器電流。當上、下行解列，即3GK斷開，保護裝置采集自耦變對應側母線1LH（2LH）T、F相電流；當3GK閉合，上、下行并列運行，保護裝置采集上、下行母線1LH、2LH的T、F相電流并進行比較，即

自耦變差動保護的范圍與保護用LH的位置有關，對于圖2（a）所示主接線，差動保護范圍為3(4)LH的自耦變側設備，對于圖2（b）所示主接線，差動保護范圍為1LH與2LH之間的設備，含自耦變和55kV母線。可以設想，當上、下行并列運行時，圖2（b）主接線的母線故障，運行的自耦變差動保護將動作并啟動備自投—斷開1DL、2DL，斷開運行自耦變GK，閉合備用自耦變GK，閉合1DL、2DL。由于故障設備并未切除，備用自耦變差動保護將再次動作。在保護配合不好情況下，該故障還可能造成牽引所饋線跳閘、重合閘成功后再次跳閘，擴大停電范圍。自耦變的短時退出并不影響系統的供電安全，故采用圖2（b）主接線的自耦變備自投功能應撤除，改由供電調度員根據故障設備檢查情況手動投入備用自耦變。

圖2 自耦變主接線示意圖

2 自耦變主要工況及差動保護定值整定

自耦變壓器主要工況可分為勵磁涌流、牽引負荷、自耦變內部（以保護用LH安裝位置界定）故障、自耦變外部故障4種。下文以AT所某一行自耦變為例進行分析，不考慮復合工況的情況。

2.1 勵磁涌流工況

變壓器的端電壓突然上升可能導致變壓器鐵芯飽和并產生勵磁涌流。對于自耦變壓器，空載合閘及外部故障切除，變壓器電壓從低值恢復到運行值時都可能產生勵磁涌流。勵磁涌流有以下特點：

（1）具有間斷角；

（2）具有很大的峰值，通常可以達到變壓器額定電流的5～10倍；

（3）含有較大的二次諧波分量，在間斷角為108°、150°的情況下，二次諧波含量可以達到13.2%、28.8%；

（4）單相變壓器一般有很大的直流分量。

以空載合閘勵磁涌流為例，其電流分布如圖3（a）所示，自耦變的勵磁電流Y（虛線所示）自a端流入，b端流出，T、F相電流互感器LHT2、LHF2一次側電流從異標號端流入（即當LHT2從L2端流入時，LHF2從LI端流入）。由于差動保護裝置電流互感器二次側是異標號端連接，所以差動電流可達到自耦變額定電流的5～10倍。

2.2 正常牽引負荷工況

正常工作情況下，牽引負荷，T、F相電流互感器一次側電流從同標號端流入，故差動電流，此時保護裝置測得的差動電流主要是電流互感器的傳變誤差（小于10%）產生的不平衡電流，其最大值

式中，為差動保護電流的二次值，為牽引負荷，n為電流互感器變比。

圖3 AT供電電流分布

2.3 自耦變外部故障工況

自耦變外部故障主要有T線對地短路、F線對地短路以及T-F短路。對于T線或F線對地短路，除電流數值增大外，電流的流向分布與牽引負荷情況相似，保護裝置測得的差動電流為

式中，max(IT、IF)為T/F線最大母線短路電流。

對于T-F線短路故障，可以分為T-F線直接短路和直接短路并接地。對于前者，可以看作自耦變繞組被短接，流經自耦變的電流很小，可不予考慮；對于后者則可看作T、F線對地短路故障（電流分量很小，流向分布如前述）和T-F線直接短路故障的疊加。

2.4 自耦變內部故障工況

自耦變內部故障可分為繞組匝間短路、套管引線附近設備對地短路、繞組碰殼短路故障（因自耦變繞組中點接地，該情況也可視為匝間短路）。

圖3（b）中，假設a-s繞組匝間短路，自耦變T、F相繞組不再是1：1，根據安匝平衡原理可知T、F相繞組流過的電流不再平衡，將產生電流差。

假設套管引線附近m點設備對地短路（可看作繞組匝間短路的極端形式，T相繞組全部短路），T、F相流互LHT2、LHF2的一次側從異標號端分別流入牽引所饋線T相電流和自耦變F相電流，差動電流ICD為其矢量值相加，即該點的母線短路電流。可以推算，當短路點向繞組n點移動，流經LHT2的牽引所T相饋線電流逐漸減小并趨于0，轉而流過自耦變T相繞組電流并逐漸變大，直至與自耦變F相繞組電流持平。

2.5 自耦變差動保護定值整定

自耦變差動保護分為差動速斷保護和二次諧波閉鎖差動保護。根據繼電保護的選擇性要求，上述4種工況除自耦變內部故障外，其他3種工況差動保護都不應動作。所以，自耦變二次諧波閉鎖的差動保護定值按避開T、F線最大母線短路電流整定，即

式中，Kk為可靠系數，取值范圍1.2～1.3，一般取1.2。

二次諧波閉鎖系數KBS=ICD2/ICD，一般取0.15。式中，ICD2為差動電流的二次諧波分量。

當變壓器發生嚴重內部故障時，電流互感器可能飽和，導致故障電流中有較高的二次諧波含量，二次諧波閉鎖將導致差動保護的動作時間延長，可能長達數百毫秒甚至數秒，為了在內部嚴重故障發生時能迅速切除變壓器，應設置差動速斷保護。差動速斷整定需避開勵磁涌流的影響，即

式中，KYL為勵磁涌流系數，取值范圍5～10，一般取5；IE為自耦變額定電流。

3 自耦變差動保護動作原因判別流程

自耦變差動保護動作常見原因有：整定定值問題、流互一次或二次接線錯誤、二次回路故障誤動、變壓器內部故障。對于線路開通初期，差動保護動作原因多為整定定值問題、流互一次或二次接線錯誤；既有線設備差動保護動作原因則多為二次回路故障和變壓器內部故障。

通過對各種工況下自耦變電流分布情況的分析，牽引負荷和外部T、F線短路的工況下自耦變差動保護裝置流入的電流是T、F相電流矢量值相減。對于出現差動電流矢量值相加的情況有4種可能：一是勵磁涌流，二是套管引線附近設備對地短路，三是變壓器內部繞組靠近套管側對地短路，四是T、F相電流互感器一、二次回路接線錯誤。具體故障分析可以利用該特點，從故障報文、故障錄波、設備巡視、故障發生時設備運行狀態及其他保護動作情況入手，遵循由易到難的原則對故障原因進行判斷，具體流程如圖4所示。

圖4 自耦變差動保護動作原因判別流程

4 典型運用案例

典型運用案例1：XX年8月25日，合肥樞紐新三十鋪AT所1#自耦變在接觸網天窗作業結束送電時差動速斷保護動作，故障報文如表1所示。

該故障有以下特點：（1）報文顯示差動電流等于T、F線電流相加；（2）為單一故障，無其他保護同時動作；（3）停電前自耦變運行正常，停電期間該所亭無作業，送電時差動保護動作；（4）該所前期改造，存在定值修改情況。

表1 新三十鋪差動保護動作故障報文

產生特點（1）的原因有流互一次或二次接線錯誤、套管引線附近接地短路、勵磁涌流、變壓器內部繞組靠近套管側接地短路4種可能。該AT所位于滬蓉線重負荷區段，日常運行時差動保護不動作，可排除流互一次或二次接線錯誤。套管引線附近接地時差動電流等于母線短路電流，而該故障的差動電流為1 131A，遠小于母線短路電流經驗值，故可以排除套管引線附近接地故障。后查閱故障錄波，證明了該故障系勵磁涌流引起的誤動。

如圖5所示，該故障波形是典型的單相變壓器涌流波形：間斷角較大、波形偏向時間軸一側、存在較大的衰減直流分量。進一步檢查保護定值，發現該自耦變差動速斷保護定值輸入錯誤，設計值2 275 A（一次值），實際輸入值650 A。修改保護定值后類似故障再未出現。

圖5 三十鋪AT所故障錄波

典型運用案例2：XX年5月17日21：02：48，合福高鐵集義亭AT所1#自耦變差動保護動作，2#AT備自投成功。AT差動保護動作的同時該AT所所在的旌德牽引所—績溪北分區所上、下行接觸網供電臂跳閘，重合閘成功。故障報文如表2所示。集義亭AT所自耦變未設差流速斷保護，僅設置二次諧波閉鎖的差流保護，定值762.5A，時限0.1 s。

分析該報文，差動電流為T、F相電流相加，結合差動保護動作時有供電臂跳閘重合情況，計算短路電流即牽引所上、下行饋線電流之和為5 941 A，近似等于差動電流值5 950A。查閱該AT所保護定值整定單，該電流值同時也接近T、F相最大母線短路電流值，故可以判斷是套管引線附近有接地短路故障。經天窗時間內檢修發現1#自耦變F相母排處高壓電纜頭被擊穿。

表2 集義亭差動保護動作故障報文

自耦變差動速斷和二次諧波閉鎖的差動保護通常無延時。自耦變套管引線附近接地短路時，牽引所饋線阻抗Ⅰ段保護會啟動，但當AT所差動保護動作切除故障自耦變后，牽引所饋線阻抗Ⅰ段保護將返回，不出口動作。該所二次諧波閉鎖的差動保護設置了0.1 s的時限，與牽引所饋線阻抗Ⅰ段保護的時限相同，由此引起牽引所饋線保護的同時動作。該AT所的差動保護設計不滿足繼電保護的選擇性要求，應予以改進。

5 結語

本文通過對自耦變差動保護原理、定值整定以及各種工況下電流分布情況的分析，結合典型案例，對自耦變差動保護動作原因的判斷流程和方法進行了探討，供鐵路供電運營管理人員參考和借鑒。

參考文獻：

[1]陳小川.鐵路供電繼電保護與自動化[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]李文起.AT所差動電流保護整定方法[J].電氣化鐵道，2010（4）：21-24.