外电源故障引起的主变差动保护动作案例分析

张亚欧　上海铁路局调度所

铁路牵引变压器差动保护是电量保护中的主保护。原理如图1所示，变压器正常工作时，可以看作理想变压器，其流入变压器的电流和流出变压器的电流（换算后的电流）相等。当变压器一、二次侧两个电流互感器之间的设备发生单相接地、相间短路或者变压器匝间短路等故障时，流入变压器的电流和流出变压器的电流矢量差不为零且达到动作值时，差动保护启动，跳开变压器高低压侧断路器，切除故障设备。

图1　差动保护原理图

根据变压器差动保护原理，发生差动保护装置动作的原因主要有：变压器内部故障、变压器及其套管引出线发生短路故障、电流互感器短路或开路、保护二次回路发生故障及空载合闸时励磁涌流等。

所以，一般认为，变压器差动保护动作原因是由构成差动保护的变压器一、二次侧两个电流互感器之间设备故障造成的。但在实际运行中，还有其它原因引起的变压器差动保护动作。笔者在日常工作中遇到过由于外部电源故障引起的牵引变压器差动保护动作的案例。

图2　变压器接线图

图3　故障报文

1　案例分析

2015 年 11 月 27 日 6：37：02，XX 高铁XX牵引变电所1#、3#主变比率差动保护动作，高、低压侧断路器跳闸。2#系统备自投成功。

其变压器接线情况见图2，故障报文见图3。

1.1　跳闸数据分析

1#主变差动电流=高压侧电流-低压侧电流/平衡系数，具体为：

ICD=IH1-IL1/平衡系数=0.97-0.58/1.92=0.668A＞0.15A（比率差动保护A/C相最小动作电流）；

1#变公共相差动电流=高压侧公共相电流-（本主变低压侧电流+另一主变低压侧电流）/平衡系数，具体为：

ICDG=IH2-(IL1+IL2)/平衡系数=1.52-（0.58+0.56）/1.92=0.926A＞0.24A（比率差动保护公共相最小动作电流）；

1#主变制动电流为（0.63A）：0.3＜0.63＜0.91（0.3、0.91 为 A/C 相一、二段制动电流定值）；

1#主变公共相制动电流为（1.01A）：0.47＜1.01＜1.41（0.47、1.41 为公共相相一、二段制动电流定值）；

1#主变差动电流二次谐波：IcdA2/IcdA1=0.03/0.66=0.045＜0.15（0.15为二次谐波制动系数定值）。

通过对以上数据计算和分析可以确认此次差动保护动作满足启动条件，该跳闸属于正常保护动作。同理，3#变差动保护也属于正常保护动作，在此不做赘述。

1.2　故障录波分析

从故障录波（图4）来看，高低压侧电压明显畸变。结合故障报文分析，跳闸时1#变高压侧相电压UH为48.98V（换算一次值为62.2kV），低压侧合成电压UTF为17.75V（换算一次值为9.7kV）；3#变高压侧相电压UH为73.57V（换算一次值为93.4kV），低压侧合成电压UTF为25.42V（换算一次值为13.9kV），远低于正常额定电压，表明电压有明显畸变。再来看电流录波情况，1#、3#主变高压侧电流IH1明显偏向于时间轴一侧，且有明显间断角，接近励磁涌流的波形特征。

图4　故障录波

经与地方供电公司联系得知：2015年11月27日6：37左右发生B相（公共相）瞬时接地故障，但未发生跳闸故障。查看牵引所内的保护启动报告显示，2015年11月27日6：37左右，由于进线电压波动，1#主变发生失压保护启动后返回共7次，3#主变发生失压保护启动后返回共2次和低压侧过电压1次。

2　故障原因分析

检修人员对该牵引所1#系统设备进行了检查试验，对1#、3#主变进行了外观检查和绝缘、直阻、介损、变比误差试验以及绝缘油耐压和色谱化验，试验数据均正常。对一、二次侧电流互感器进行了变比、绝缘试验，试验数据均正常。对保护装置进行差动保护试验，结果也是正常的。因此可以排除变压器内部故障、变压器及其套管引出线短路故障、电流互感器短路或开路、保护二次回路故障等常见原因引起的差动保护动作。

根据保护报文、启动报告、故障录波以及供电公司提供的跳闸时的电源故障信息。可以判断此次故障原因为地方1#进线B相（公共相）有接地故障，使电压产生波动畸变，导致1#、3#主变内部磁通密度饱和而产生励磁涌流，造成主变压器差动保护动作。而励磁涌流的二次谐波分量未达到二次谐波制动的定值，使二次谐波制动未能启动。

3　判断与对策

近年来，随着电气化铁路的不断发展，越来越多牵引变电所及主变投入运行。截止2017年六月，上海局普速和高铁共有牵引变电所129座，牵引变压器392台。各种原因引起的主变差动保护时有发生。

表1　近两年差动保护统计

如表1所示，2015年以来上海局管内发生的主变差动保护动作情况。其原因主要为变压器本体故障，电流互感器故障，区内高低压侧接头、套管故障，以及二次接线错误、励磁涌流等故障引起。在本案例中，差动保护动作同时进线电源伴有电压波动，且与保护报文、启动报告、故障录波以及地方供电部门提供的信息相吻合。所以，基本能够排除区内故障引起的差动保护动作。经过对变压器本体及一二次设备进行外观检查无异常后，基本可以判定为由外电源故障引起进线电压畸变，产生励磁涌流导致变压器差动保护动作。这种情况下，无需对变压器进行繁琐地检查试验，只需确认外电源恢复正常后，便可将变压器投入运行。以提高供电可靠性并减少不必要的人力、物力地投入。

4　结论

变压器差动保护跳闸是比较常见的故障，引起变压器差动保护动作的因素也有很多，但本案例比较特殊和罕见。所以，在具体研判过程中应根据相关故障报文、录波以及现场反映的现象等信息进行综合分析并采取合理的对策。

[1]谭秀炳.铁路电力与牵引供电系统继电保护[M].成都：西南交通大学出版社，2007.