关键词：比率差动保护；闭锁；非周期分量；二次谐波

Abstract: Based on the analysis of main transformer differential protection maloperation in a traction substation of Hu Hanrong railway, it is concluded that the non-periodic component of short-circuit current can cause the transient saturation of current transformer, which leads to the mis-operation of differential protection. Finally, based on the analysis of the secondary harmonic braking locking of traditional ratio differential protection, a blocking criterion is added.

Key words: Ratio differential protection; Blocking; Aperiodic component; Second harmonic

1  引言

高速铁路线路一般采用AT供电方式和直接供电方式。目前，上海铁路局高铁线除宁启城际铁路外，均采用为主变压器设置差动保护的全并联AT供电方式。这种采用二次谐波制动的高灵敏度保护配置，在针对区外故障时其可靠的制动能力至关重要。当区外故障突然发生时，电流互感器（CT）中由于短路电流中大量非周期分量呈饱和状态，从而导致保护装置发生误动作。当前，这种差动保护误动依旧是一个难以克服的关键点。影响这个关键点的因素繁多，比如CT抗饱和能力、一二次CT变比、设备老化问题等，因此，针对此类问题研究新的保护判据和保护算法迫在眉睫^[1]。

本文针对沪汉蓉线上某牵引所的主变差动保护误动作进行分析，以此讨论非周期分量对CT暂态饱和的影响，并在传统二次谐波制动的基础上增加闭锁判据，提出可靠有效的解决方案。

2  变电所供电方式及事故概况

2.1 变电所供电方式

AT供电方式下牵引所主接线示意图如图１所示。

图1  牵引所主接线示意图

图1中，沪汉蓉线牵引变电所采用独立两路220kV电源进线互为备用，保护配置投入备自投。牵引所采用4台主变压器，变压器接线采用VX接线，额定容量为31.5MVA，其中两台运行、两台备用。事故前2号进线运行，2号进线通过6#、8#变压器将220kV变换为27.5kV后通过206DL、208DL向馈出开关柜供电。

2.2 事故概况

2016年8月，牵引所馈出开关柜221DL跳闸，距离一段保护动作，重合闸一次不成功，同时6、8#主变差动保护，备自投启动。221DL跳闸，距离一段保护动作。该故障导致上级断路器206DL、208DL跳闸，引起备自投动作，使得停电范围进一步扩大。根据跳闸信息及现场检查情况，在馈线出所至上网电缆中发生电缆接地故障。保护动作情况表如表1所示。

3  保护装置动作数据分析 

3.1  一次重合闸后221DL跳闸报文分析

5时39分18秒778毫秒，221DL跳闸，距离一段动作，馈线电压4.29kV，馈线电流5615.38A，T线电流34.62A，F线电流5642.31A。

221DL上级断路器208DL保护定值设置：低压侧过流动作定值0.87A，低压过流启动电压（母线电压）144V，低压启动过流设置时限1s。流互变比为2500，压互变比为275。

由于208DL低压启动过流时限设置为1s，时限大于差动保护时限，所以主变低压过流保护因延时动作过长无法出口。

3.2  6#、8#主变差动保护动作分析

3.2.1  主变差动保护原理

表2为6#、8#主变比率差动保护定值。

沪汉蓉线某牵引所差动动作后，查看报文结果如下：差电流A=0.00A，差电流B=0.45A，差电流C=0.44A；IA制动=0.01A，IB制动=0.95A，IC制动=0.94A；高压侧IA=0.01A，高压侧IB=1.05A，高压侧IC=1.05A；低压侧IA=0.02A，低压侧IB=2.29A。

分析故障数据，独立相B相制动电流0.95A超过定值差动制动电流2（0.72A）；差动电流由式（1）计算可得：

          （2）

对于公共相B相：制动电流0.94A介于差动制动电流2（1.24A）和差动制动电流1（0.62A）之间。差动电流经式（1）计算可得：

                            （3）

通过计算，由式（2）、（3）可得，B相、C相故障差动电流均达到比率差动定值，6#、8#主变差动保护正常动作。

3.2.3  6#、8#主变差动故障录波分析

图3为6#、8#主变差动故障波形。从图3故障录波波形分析，高压侧B相波形已经基本偏于时间轴的上方，而时间轴下方显示无电流，推测B相电流中含有直流分量。同时，在发生故障6个周波时间内该波形一直存在。这对于差动保护电流采样影响显著。针对C相，在发生故障时，电流虽然呈现周期波形，但在故障发生周期前期，电流整体偏向时间轴下方。

图3  6#、8#主变差动故障波形

图4为6#、8#主变差动动作B相录波分析图，由图4可以得出，比率差动启动时高压侧B相电流中直流分量（即非周期分量）占基波电流的89.5%，幅值也达到0.992，已经接近基波。并且在整个比率差动动作过程中，B相电流中的直流分量都很高。

图4  6#、8#主变差动动作B相录波分析

通过分析，在馈线出所至上网电缆中发生电缆接地故障是发生差动保护误动作的主要原因。发生短路故障时，短路电流中含有大量非周期分量，非周期分量已经基本达到基波分量，能够引起高压侧CT出现暂态饱和，CT出现饱和后容易使电流产生畸变，同时该直流分量衰减缓慢（指数函数衰减），在CT中存在时间长（6个周波时间时长）。故障发生后221DL馈线有短路电流冲击后，重合闸后短路电流会第二次冲击高压侧CT。接地故障发生时，短路电流中的直流分量和第二次重合闸后产生的变压器励磁电流中的直流分量叠加，叠加后的电流甚至接近基波电流大小（89.5%），致使高、低压侧差流显著增大，达到差动定值，造成6#、8#主变比率差动保护动作。

同时，在故障发生后厂家及供电段相关技术人员针对主变CT进行相关实验，从主变流互特性曲线来看，低压侧流互的拐点比起出厂时有所降低，设备老化导致其抗饱和能力下降，当短路电流存在非周期分量时，影响高低压侧电流衰减速率，两侧电流衰减速度不一致会产生差流，当差流继续上升达到差动保护动作定值时保护发生动作。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，6#、8#主变重新投入运行。

4  非周期分量对差动保护的影响计算

通过计算（5）可得，当故障时短路电流中存在非周期分量时，TA不会立即饱和，Tu会随时间减小，从而使励磁电流很大，使一次侧电流全部流入励磁回路，TA慢慢饱和，TA饱和时二次侧电流基本为0，一次侧电流就无法传变到二次侧。同时，由于直流分量的积分作用，使电流偏向时间轴一侧，如图3中B相电流所示，电流整体偏向时间轴上方，出现单方向缺损的波形畸变。而在交流分量作用下，由于正负半轴的积分能够相互抵消，TA能够正常传导一次侧电流，电流波形不会失真。励磁电流中存在非周期分量会将磁通传导特性降低甚至恶化，使TA出现暂态饱和，由于传变到二次侧电流减小，从而差动保护高低压侧的不平衡电流增大，超过比率差动保护定值时差动保护动作^[2]。

5  差动保护闭锁判据的改进措施

如何正确区分区内、区外故障，如何准确判断CT是否饱和对现场实际至关重要。相关文献已经提出了包括小波识别、神经网络算法、检测二次电流变化率等方法，但是在实际电力系统中还有待进一步验证^[3]。

目前，比率差动保护一般采用二次谐波制动比的闭锁判据来增加比率差动保护的可靠性，这在电力系统中已经得到了广泛的应用。差动保护二次谐波闭锁条件如下：

6  结语

差动保护是保证铁路牵引变电所主变压器正常运行的关键基石，本文针对沪汉蓉某牵引所主变差动保护误动作，主要分析差动保护动作原因，在排除设备问题和定值等问题后，6#、8#主变重新投入运行。通过录波与计算得出短路时非周期分量引起CT饱和导致差动保护误动，在二次谐波制动闭锁判据基础上新增面积闭锁判据提高差动保护可靠性。该种方法能够减少由区外故障引起差动保护误动的可能性。同时，结合智能新型算法是新时期铁路发展的新趋势。在差动保护、故障测距、电能计量等领域都需要更加准确可靠的方法、算法。

参考文献：

[1]熊列彬,陈小川,陈德明,等. 秦沈线变压器差动保护误动作原因分析[J]. 电力系统自动化,2005,29(8):104-106.

[2]李艳鹏,候启方,刘承志. 非周期分量对电流互感器暂态饱和的影响[J]. 电力自动化设备,2006,26(8):15-17.

[3]韦恒. 变压器差动保护励磁涌流误动分析及解决方案[J]. 广西电力,2010(6):27-29.

作者简介：

王帅(1989 年 -)  男  硕士  南京铁道职业技术学院  助教  研究方向为电气及新能源技术。电话19962008991 997007352@qq.com 地址：江苏省南京市浦口区珍珠南路88号 南京铁道职业技术学院  邮编210000

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