地鐵主變電所變壓器差動保護誤動作分析

宋 兵，侯 煒，陳 俊，董凱達

0 引言

近年來，國內城市地鐵建設發展迅速，地鐵的安全穩定運行離不開供電系統的可靠支撐。地鐵作為城市電網系統的一個用戶，一般直接從城市電網獲取電能，供電方式主要有集中式、分散式和混合式供電[1]。其中集中式供電方式，城市電網通過主變電所（主所）為地鐵系統提供電源，再由主所向沿線牽引變電所和降壓變電所供電，并形成中壓環網。在集中式供電方式下，保證主所的安全穩定運行更加重要。變壓器差動保護作為主所變壓器的主保護，也備受重視。但由于變壓器高、低壓側電流存在幅值和相位的差別，在進行差動電流計算時需要進行轉換調整，同時部分地鐵主所采用變壓器低壓側引線直接T接接地變經小電阻接地的模式，接地變處于主所變壓器差動保護范圍內，需消除零序電流對差動保護的影響[2～4]，而不同保護設備廠家差動電流轉換方式不盡相同，零序電流對差動保護的影響也不完全一樣，給現場保護裝置的調試和運行造成了一定的困擾[5]。

本文介紹一起由于未投入主變差動保護低壓側零序電流消除參數，導致區外故障時地鐵主所變壓器差動保護誤動作案例，詳細分析誤動作原因，并提出改進措施，以期為軌道交通供電系統的設計、調試提供參考。

1 差動保護相位調整原理

由于變壓器有多種接線組別，高、低壓側電流存在相位差和幅值差，差動保護在計算差流前需要對各側電流進行相位和幅值調整，以保持差動電流平衡[2]。

過去繼電器型保護設備通常要求將變壓器星形側（Y）的電流互感器二次接成三角形（△），△側的電流互感器二次接成Y，以調整二次電流的相位，在正常運行或外部對稱故障情況下，不會產生差動電流，即為Y→△相位補償方式[2]。目前已大量應用微機保護，由于其軟件計算能力大大增強，為了方便接線，一般將兩側電流互感器二次統一接成Y，再由微機保護軟件完成相應的相位補償調整。以YNd11接線方式變壓器為例，高、低壓側電流相位如圖1所示。

圖1 YNd11變壓器差動保護高低壓側電流相位

高、低壓側電流相位補償通常有以下兩種轉換方式：

（1）以△側電流作為基準，將Y側電流向△側轉換，轉換式如下：

（2）以Y側電流作為基準，將△側電流向Y側轉換，轉換式如下：

由上述兩種轉換方式的轉換式可以看出，當以△側電流作為基準時，Y側補償電流由于采用相電流矢量相減，可以消除零序電流分量，而△側補償后的電流中將含有零序電流分量，因此在進行差動保護設計和調試時，需要考慮零序電流對差動保護元件的影響；當以 Y側電流作為基準時，Y側補償后的電流中固定將零序電流消除，而△側補償后的電流由于采用相電流矢量相減，可以消除零序電流分量。

結合變壓器低壓側接地變兩種接入形式[6]，分析差動保護是否要求消除零序電流，如表1所示。

表1 零序電流消除需求

此外，需要注意的是，在進行高、低壓側電流相位轉換調整以消除零序電流對差動保護的影響時，會導致變壓器內部發生接地故障時的靈敏度降低，同時也會對變壓器空載合閘時勵磁涌流特征的識別產生影響[7，8]。

2 故障分析

2.1 系統主接線

某市地鐵機場線采用集中供電方式，全線通過A、B兩座110 kV主所供電，兩座主所主接線及設備參數基本一致。本文以主所 A為例進行分析，其主接線如圖2所示。

圖2 主變電所系統接線

該主所配置兩臺變壓器，容量均為 8 MV·A，接線組別為YNd11，主變高壓側中性點直接接地，主變低壓側引線不經斷路器 T接接地變經小電阻接地。

2019年12月8 日，該所312出線發生單相接地故障（圖2中F1處），該線路光纖差動保護動作，跳開 312開關；同時 1#主變比率差動保護動作，跳開1#主變高壓側101開關和低壓側301開關；1#接地變保護整組啟動。根據保護配置原則，在312出線發生故障時，應首先由該線路保護跳開312開關以隔離故障，而屬于1#主變差動保護范圍外，因此 1#主變差動保護應可靠不動作。本次差動保護動作跳開 1#主變高低壓側開關，擴大了故障影響范圍。

2.2 故障分析

本次主所主變低壓側35 kV Ⅰ母312出線發生單相接地故障，該線路差動保護動作正確，不再贅述。下文重點針對 1#主變差動保護動作情況進行分析。1#主變差動保護高低壓側故障電流波形如圖3所示。

圖3 1#主變高低壓側故障電流波形

由圖3可以看出，1#主變低壓側A相電流在故障時刻激增，高壓側A、B相電流同步增大。

1#主變配置的變壓器差動保護裝置僅接入變壓器高、低壓側三相電流，未接入接地變支路的三相電流。因此在主變低壓側區外發生單相接地故障時，接地故障點和接地變接地點形成零序電流回路，將有零序電流在變壓器低壓側CT上流過。但由于主變低壓側為△側，低壓側零序電流無法傳變至高壓側，因此造成主變差動保護出現差動電流，引起差動保護動作。差動電流波形如圖4所示。

圖4 1#主變差動電流波形

由于該主所變壓器接線組別為YNd11，主變低壓側不經斷路器T接接地變經小電阻接地，同時配置的變壓器差動保護裝置采用 Y→△相位補償方式。因此在發生區外單相接地故障時，低壓側零序電流未消除，導致差動保護誤動作。

根據主變高低壓側電流波形，將低壓側電流進行零序電流消除，即低壓側三相電流按照式（5）進行調整補償，離線計算出差動電流基本為0，再次說明由于低壓側電流未進行零序消除導致產生差流。

主變低壓側消除零序后的差動電流波形如圖5所示。

圖5 低壓側消零后差動電流波形

3 改進方案

針對該主所變壓器低壓側三相電流在低壓側區外發生接地故障時存在零序電流，導致差動保護誤動作的問題，解決方法是差動保護在進行各側電流幅值和相位調整時，進行零序電流消除，從而保持差流平衡。主要有以下兩種解決方案：

方案1：將接地變支路作為變壓器差動保護的一個支路，接入其三相電流參與差動電流的計算，此時低壓側三相電流和接地變三相電流均存在零序電流，因此能夠消除零序電流對差動保護的影響。

方案2：對主變低壓側三相電流進行零序電流消除處理，即電流轉換調整按照式（5）進行，而非式（2）。

本文推薦采用方案2，主要基于以下原因：將接地變作為差動保護一個支路后，根據差動保護原理，其保護范圍為主變各側CT內側，因此接地變本體至接地點屬于差動保護范圍以外，無法通過差動保護快速切除接地變內部故障；接地變支路接入差動保護裝置，會增加一部分施工量。經與設計單位及運維單位討論后決定，該地鐵主所采用方案2作為改進方案。Q/GDW 1175—2013《變壓器、高壓并聯電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設計規范》中第5.2.9節規定“變壓器低壓側引線配置接地變時，采用星轉角方式的差動保護裝置，應采用軟件消零”，因此方案2符合相應的規范要求。

按照方案2對該軌道交通線路2座110 kV供電主所進行改造，4臺變壓器差動保護裝置均投入低壓側零序電流消除參數后，經過現場調試、驗收，滿足設計要求，正常投入運行，保護效果良好，至今未再發生類似的誤動作情況。

4 結語

由于變壓器高、低壓側電流存在幅值和相位的

差別，在差動電流計算時需要進行轉換調整，需要消除零序電流對差動保護的影響，而且不同的電流轉換方式對變壓器勵磁涌流特征識別以及差動保

護靈敏度也會產生影響，不同保護設備廠家采用的

相位轉換方式不盡相同，零序電流對差動保護的影

響也不完全一致。本文詳細闡述了差動保護電流相

位調整原理，分析了零序電流對差動保護的影響，針對地鐵主所變壓器低壓側引線直接 T接接地變經小電阻接地的模式，結合差動保護故障電流波形，深入分析了其誤動作原因，并提出了改進方案，以期對地鐵軌道交通供電系統的設計、調試有所啟發和幫助。