关键词：牵引变压器；比率差动保护；闭锁；励磁涌流
  
     

1  引言

牵引变压器是牵引供电系统的重要电气设备，它的安全稳定运行对牵引供电系统至关重要。随着高速铁路的快速发展，牵引供电系统设备新材料、新工艺发展水平日益提高，对牵引变压器的可靠性和保护快速性也提出了更高的要求。目前，针对牵引变压器的主保护主要是基于二次谐波制动的比率差动保护，在变压器内部故障具有很高的灵敏性和可靠性。但是，二次谐波制动存在一定的缺陷，尤其在空载合闸时不能准确的判断鉴别内部故障和励磁涌流，容易引起主变误动作，因此需要对空载合闸时的励磁涌流鉴定进行研究分析。

本文针对上海铁路局宁安高铁某牵引所空载合闸时主变差动保护误动作进行分析，以此讨论励磁涌流对主变的影响。在传统的二次谐波制动的基础上增加闭锁判据，对变压器的安全运行具有一定的借鉴意义。

2  励磁涌流产生机理

目前，牵引变压器的主保护为差动保护，它的基本原理为基尔霍夫原理，通过比较高低压侧的瞬时电流来判定变压器是否发生内部故障。设变压器的高低压侧电流分别为、，变压器的变比为K，则流入差动继电器的电流等于高低压侧电流互感器的二次电流之差，即。如图1为变压器正常运行时的电流流向示意图。

                                        图1 变压器正常运行时电流流向示意图

当变压器正常运行或发生区外故障时，流入变压器高压侧的电流值和流出变压器低压侧的归算值一致，，变压器不动作。

当区内故障时，电流反向流入，则流入差动继电器的电流为

                                              （1）

此时继电保护动作，保护装置驱动变压器两侧断路器跳闸，切断故障电流。但是由于变压器本身的特点，在设置差动保护时需要考虑不平衡电流的问题。不平衡电流通常由变压器各侧相位、接线方式不同、变压器电流互感器型号不一致、计算变比与实际变比不一致、变压器带负荷调节分接头、励磁涌流引起。除励磁涌流引起的不平衡电流外，其他几类均可通过保护装置或软件设置来消除，励磁涌流容易引起差动保护误动作。

引起变压器励磁涌流的根本原因是变压器的铁芯饱和，正常情况下（正常运行或外部短路），变压器的励磁电流很小，对变压器的差动保护影响小。但是当电压突增（空载合闸或外部故障切除后送电等），产生很大的励磁涌流，一般可达到变压器额定电流的6-8倍，由于励磁涌流的存在，容易导致变压器保护误动作^[1]。

图2  励磁涌流波形

如图2为励磁涌流波形图。励磁涌流中除了基波分量外，还存在大量的非周期分量和谐波分量。总结励磁涌流的特点：（1）励磁涌流含有间断角，电流波形偏向横轴的一侧，励磁涌流愈大，间断角愈小；（2）在变压器空载合闸时，涌流是否产生以及涌流的大小与合闸角有关，合闸角α=0和α=π时励磁涌流最大；（3）含有非周期分量和高次谐波分量。

目前，各牵引变电所常采用防止励磁涌流误启动的方式主要是二次谐波制动，根据励磁涌流中含有高次谐波分量（主要是二次谐波分量）的特点，当检测到高低压测差电流中含有二次谐波分量达到整定值时（一般设定在15%），闭锁差动保护继电器，防止励磁涌流引起差动保护误动作^[2]。

3  变电所事故概况及分析

3.1  事故概况

2019年5月28日02时29分25秒572毫秒，电调远控102DL合闸送电时，宁安高铁某牵引所2#主变差动保护动作，1#主变自投启动。天气：多云。未影响行车。03时10分，检修人员巡视检查变压器情况良好，并对所内故障报文、故障录波波形与定值核对，初步判断是励磁涌流原因引起的差动保护动作。　

3.2 主变差动保护原理分析

装置采用三段式差动保护原理，其差动保护特性曲线如图3所示，三折线比率制动特性能够与电流互感器非饱和特性相配合，能够针对区外故障产生的各类周期谐和非周期分量谐波具有一定的制动作用。

图3  差动保护特性曲线

图3中三段式比率差动保护特性动作判据如下：

     (7)

3.3  主变差动保护计算分析

附表为2#主变比率差动保护定值。其中，主变高压侧流互变比400/1，主变低压侧流互变比1500/1。

宁安线某牵引所差动动作后，查看报文结果如下：2019年05月28日02时29分25秒572毫秒，某牵引所2#主变比率差动保护动作。A相差流=0.82A，C相差流=0.82A，I_A二次谐波=0.12A，I_C二次谐波=0.12A，I_A制动=0.41A，I_C制动=0.41A，高压侧I_A=0.82A，高压侧I_C=0.82A，低压侧I_A=0A。

通过分析数据，独立相A相制动电流为0.41A超过比率差动一段制动电流0.28A，制动电流介于差动制动电流1（0.28A）和差动制动电流2（0.85A）之间，经过式（8）可得：

                            （8）

通过计算由式（8）表明差动电流落在差动动作区域内。同时，A、C相动作数值一致，根据A、C相差动电流数值及制动电流情况，结合二次谐波数值含量（0.12）小于二次谐波制动系数（0.15），因此2#主变差动保护正常动作。

3.4  2#主变差动故障录波分析

图4为2#主变差动故障启动时刻波形。从图4故障录波波形分析，启动时，A、C相电流波形偏于时间轴的上方，推测A、C相电流中含有直流分量。同时，电流波形是跳闸之前5个周波时间内下方峰值处均含有明显的间断角。结合故障发生于主变送电时，满足空载合闸的条件，且现场对变压器本体以及高、低压侧流互间的各电气设备检查未发现异常。在2#主变送电时产生的二次谐波含量为12%，低于基波的15%（二次谐波抑制系数），躲过闭锁差动出口条件，判断为空载合闸时励磁涌流引起的差动保护误动作。

技术人员通过相关试验检查排除设备运行问题，确认平衡系数、二次谐波制动系数等定值后，2#主变重新投入运行。

图4  2#主变差动故障波形

4  差动保护闭锁判据的改进措施

为了可靠地躲过变压器空载合闸时和外部故障重新投入运行时产生的励磁涌流，同时提高变压器内部出现故障时保护装置动作的灵敏性和可靠性，通常在变压器比率差动保护的基础上增加二次谐波闭锁判据，这在牵引变电系统已经得到了广泛的应用^[3]。

差动保护二次谐波闭锁条件如下：

本文采用综合判据方法防止变压器差动保护误动作。考虑到励磁涌流的特点，空载合闸时励磁涌流的特点受到剩磁、合闸角、二次谐波的影响，在变压器空载投入运行时，根据案例数据可知，谐波可能低于一般整定值15%，可以分段设置整定参数，当变压器空载投入至正常运行（此时二次谐波电流衰减）过程中，二次谐波制动整定值设置为10%，当变压器正常运行时，二次谐波制动整定值恢复为15%，通过根据励磁涌流的特点浮动设置整定参数抑制变压器差动保护误动作。

为了减少差动保护的误动作，针对励磁涌流的特点，同时在二次谐波制动的基础上增加电流判据，当空载投入变压器产生励磁涌流的过程中，此时变压器只有电源侧（高压侧）有电流。从案例中可知，当发生空载合闸励磁涌流时，A相差流=0.82A，C相差流=0.82A，高压侧I_A=0.82A，高压侧I_C=0.82A，低压侧I_A=0A。根据以上分析，增加“与”门判据，可完善差动保护的可靠性。当空载时判据高压侧有电流，低压侧无电流时，闭锁差动保护，防止变压器出现误动作。

本文引入间断角鉴别方法，通过分析上海铁路局管内主变差动保护误动作案例，分析故障录波，励磁涌流引起主变差动保护误动作波形均存在间断角。针对励磁涌流波形存在间断角，变压器正常运行或内部故障时的电流波形为正弦波的特点，增加变压器差动保护判据。检测到电流波形中存在间断角，同时二次谐波达到制动系数时，闭锁保护，增加变压器运行的可靠性。间断角的整定值一般取65°，当检测到间断角大于65°时将差动保护闭锁。

在传统的二次谐波制动的基础上增加间断角判别的闭锁判据，通过综合判据，提高差动保护运行的可靠性，减少因励磁涌流引起的空载合闸时变压器差动保护误动作，对变压器的安全运行具有一定的借鉴意义。

5  结语

本文立足现场实际，以上海铁路局宁安高铁某牵引所空载合闸时主变差动保护误动作为例，分析探讨励磁涌流对变压器的影响。目前，励磁涌流的原理和鉴定方法有多种，但是在上海铁路局的实际运行过程中，还是以传统的二次谐波制动系数为主鉴定励磁涌流。该种方法误动作率高，大大降低了牵引变压器运行保护的可靠性和灵敏性。本文在传统的二次谐波制动的基础上增加闭锁判据，从二次谐波制动系数、电流含量、间断角鉴别，立足现场实际，提出励磁涌流综合判据，能够有效地防止因励磁涌流出现变压器空载投入运行时出现误动作的情况，对变压器、牵引供电系统的安全运行起到重要作用。