孫樹光

高鐵牽引變電所主變比率差動(dòng)保護(hù)的校驗(yàn)方法

孫樹光

針對(duì)高速鐵路牽引變電所主變壓器微機(jī)保護(hù)裝置中差動(dòng)保護(hù)測(cè)試的問題，對(duì)自適應(yīng)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性進(jìn)行了分析，提出現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法和校驗(yàn)公式，以有效利用停電時(shí)間，快速、準(zhǔn)確地完成差動(dòng)保護(hù)的測(cè)試和校驗(yàn)，保障主變壓器保護(hù)可靠動(dòng)作。

高速鐵路；牽引變電所；主變壓器；差動(dòng)保護(hù)；校驗(yàn)

0 引言

高速鐵路牽引變電所主變壓器是牽引供電的核心，差動(dòng)保護(hù)因動(dòng)作速度快，選擇性好，靈敏度高，作為牽引變電所主變壓器的主保護(hù)使用。在變壓器繼電保護(hù)試驗(yàn)時(shí)，和其他保護(hù)相比，常規(guī)差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜，尤其是測(cè)定其動(dòng)作邊界時(shí)，常規(guī)檢驗(yàn)方法一般為按照整定值加入試驗(yàn)電流至保護(hù)動(dòng)作的單點(diǎn)測(cè)試，該方法可以判斷差動(dòng)保護(hù)作為一項(xiàng)保護(hù)功能是否正常，但難以根據(jù)測(cè)量值判斷保護(hù)整定的邊界位置，難以判定是否符合整定要求。

本文通過對(duì)差動(dòng)保護(hù)特性的分析和實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，提出差動(dòng)保護(hù)的通用測(cè)試方法和校驗(yàn)公式。

1 主變差動(dòng)保護(hù)的設(shè)置與特性

在高速鐵路牽引變電所中，根據(jù)牽引負(fù)荷的特點(diǎn)，主變壓器一般采用單相變壓器，主變差動(dòng)保護(hù)一般設(shè)置差動(dòng)速斷保護(hù)、三段式比率差動(dòng)保護(hù)和二次諧波制動(dòng)。

變壓器內(nèi)部線圈及引出線的相間及匝間短路時(shí)，變壓器兩端電流不平衡，利用該不平衡電流構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)。變壓器在正常負(fù)荷狀態(tài)下，差動(dòng)保護(hù)的最小動(dòng)作電流大于額定電流下的不平衡電流，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。外部短路電流很大時(shí)，電流互感器可能飽和，誤差隨之增大，不平衡電流也隨之增大。當(dāng)不平衡電流超過保護(hù)動(dòng)作電流時(shí)，差動(dòng)保護(hù)會(huì)誤動(dòng)。為此，引入變壓器外部電流作為制動(dòng)電流設(shè)置比率差動(dòng)保護(hù)，當(dāng)外部電流增大時(shí)，差動(dòng)動(dòng)作電流相應(yīng)加大，從而躲過外部故障時(shí)的不平衡電流，在發(fā)生變壓器區(qū)外故障時(shí)制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)，有效防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。比率差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)特性的準(zhǔn)確性是保障動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠的關(guān)鍵。

對(duì)單相主變壓器，平衡系數(shù)為1，差動(dòng)電流、制動(dòng)電流與變壓器高低壓側(cè)電流關(guān)系如下：

式中，ICD為差動(dòng)電流；IZD為制動(dòng)電流；IL1為低壓側(cè)電流；IH1為高壓側(cè)電流。

1.1 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性

變壓器比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性如圖1。差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作條件：

式中，IDZ為整定動(dòng)作電流；ISD為差動(dòng)速斷電流；ICD為差動(dòng)電流；IZD為制動(dòng)電流；IZD1為差動(dòng)制動(dòng)電流1；IZD2為差動(dòng)制動(dòng)電流2；KZD1為比率制動(dòng)系數(shù)1；KZD2為比率制動(dòng)系數(shù)2。

圖1 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性圖

1.2 二次諧波閉鎖

因主變壓器空載投運(yùn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流，并伴隨有二次諧波分量，為防止主變保護(hù)誤動(dòng)，采用二次諧波分量區(qū)分故障電流和勵(lì)磁涌流，當(dāng)二次諧波電流占基波的含量大于二次諧波閉鎖整定值時(shí)，使用諧波制動(dòng)方式閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

式中，KYL為二次諧波含量整定值；I1、I2分別為基波電流、二次諧波電流。

2 主變差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)方法

不同的繼電保護(hù)裝置對(duì)于自適應(yīng)差動(dòng)保護(hù)的處理方式不完全一樣，實(shí)際測(cè)試時(shí)應(yīng)根據(jù)具體裝置情況，判斷測(cè)試方式是否應(yīng)做調(diào)整，在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)前，應(yīng)考慮平衡系數(shù)，可以先置1，或輸入電流時(shí)計(jì)入平衡系數(shù)影響。

2.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

比率差動(dòng)保護(hù)的整定值確定后，動(dòng)作邊界就相應(yīng)確定，差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)即為驗(yàn)證動(dòng)作邊界是否與整定邊界一致。完整的校驗(yàn)主變比率差動(dòng)保護(hù)應(yīng)分別校驗(yàn)每一條動(dòng)作邊界，即應(yīng)分別校驗(yàn)差動(dòng)速斷電流ISD，差動(dòng)動(dòng)作電流IDZ，測(cè)定差動(dòng)制動(dòng)電流IZD1和IZD2處的差動(dòng)動(dòng)作電流，計(jì)算比率制動(dòng)系數(shù) KZD1和KZD2，除此之外，還應(yīng)校驗(yàn)二次諧波制動(dòng)情況。

2.2 基本方法

圖1中，A、B點(diǎn)分別為差動(dòng)制動(dòng)電流IZD1和IZD2的兩點(diǎn)，C點(diǎn)為差動(dòng)制動(dòng)電流大于IZD2的點(diǎn)，測(cè)定三段式差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作邊界，應(yīng)根據(jù)給定的整定值，首先測(cè)定差動(dòng)速斷電流 ISD和差動(dòng)動(dòng)作電流IDZ，然后測(cè)定計(jì)算A、B點(diǎn)的差動(dòng)動(dòng)作電流，用于校驗(yàn)比率制動(dòng)系數(shù)KZD1；最后測(cè)定C點(diǎn)的差動(dòng)動(dòng)作電流，用于校驗(yàn)比率制動(dòng)系數(shù)KZD2。

微機(jī)保護(hù)裝置接入的是主變壓器高低壓側(cè)互感器二次側(cè)電流，而保護(hù)裝置外部并無差動(dòng)、制動(dòng)電流之分，因此現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，在保護(hù)裝置輸入端施加高低壓試驗(yàn)電流IH1、IL1。

以A點(diǎn)為例，差動(dòng)制動(dòng)電流為IZD1，測(cè)定差動(dòng)動(dòng)作電流按如下步驟進(jìn)行：首先設(shè)定初始值 IH1= IL1= IZD1/ 2，此時(shí)差動(dòng)電流ICD1=| IH1? IL1| = 0，然后設(shè)定高壓側(cè)電流IH1遞減，低壓側(cè)電流IL1遞增，為保持制動(dòng)電流 IZD1不變，設(shè)置高低壓側(cè)電流遞減、遞增的步進(jìn)值相同，則同步調(diào)整IH1、IL1時(shí)制動(dòng)電流IZD1不變，差動(dòng)電流增大。緩慢同步調(diào)整高低壓側(cè)電流IH1、IL1直至保護(hù)動(dòng)作，測(cè)得保護(hù)動(dòng)作時(shí)的IH1、IL1值，據(jù)此計(jì)算差動(dòng)動(dòng)作電流：

在不計(jì)誤差的情況下，測(cè)量動(dòng)作值應(yīng)在動(dòng)作特性邊界上，實(shí)際測(cè)試中，應(yīng)根據(jù)整定值預(yù)先計(jì)算測(cè)試點(diǎn)處IH1、IL1的動(dòng)作值，在接近差動(dòng)動(dòng)作值時(shí)，一般應(yīng)調(diào)整步進(jìn)值至小于動(dòng)作值的3%，以保證測(cè)試誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。測(cè)量值與整定值的誤差不應(yīng)超過±5%。

對(duì)于微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出的電流角度沒有要求，但須注意的是，高低壓側(cè)電流角度必須一致。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，一般應(yīng)將施加的電流角度均調(diào)整至0o。在測(cè)試之前，應(yīng)退出其他所有保護(hù)元件，僅投入差動(dòng)保護(hù)、差動(dòng)速斷保護(hù)裝置。

2.3 差動(dòng)速斷電流ISD和差動(dòng)動(dòng)作電流IDZ測(cè)試

差動(dòng)速斷電流 ISD和差動(dòng)動(dòng)作電流 IDZ測(cè)試方法相同，可在制動(dòng)電流為0時(shí)測(cè)定。需注意的是差動(dòng)速斷電流ISD大于差動(dòng)動(dòng)作電流IDZ，在校驗(yàn)差動(dòng)速斷電流前，應(yīng)首先取消比率差動(dòng)保護(hù)，避免測(cè)試時(shí)比率差動(dòng)保護(hù)裝置首先動(dòng)作。

設(shè)定高壓側(cè)電流IH1為0，低壓側(cè)電流IL1自0開始緩慢增大，直至比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，則差動(dòng)動(dòng)作電流為IDZ= IL1

取消比率差動(dòng)保護(hù)裝置后，按同樣方法升流至保護(hù)動(dòng)作，差動(dòng)速斷電流為ISD= IL1

測(cè)試時(shí)也可設(shè)低壓側(cè)電流 IL1為 0，高壓側(cè)電流IH1遞增，結(jié)果一致。

2.4 差動(dòng)制動(dòng)電流IZD1、IZD2處差動(dòng)動(dòng)作電流測(cè)試

圖1中，A點(diǎn)的差動(dòng)制動(dòng)電流IZD1為整定值，校驗(yàn)時(shí)應(yīng)保持差動(dòng)制動(dòng)電流IZD1不變，測(cè)定差動(dòng)電流。設(shè)定高、低壓側(cè)初始電流，IH1= IL1= IZD1/2，設(shè)置高壓側(cè)電流IH1遞減，低壓側(cè)電流IL1遞增，步進(jìn)值相同，同步緩慢調(diào)整高低壓側(cè)電流直至保護(hù)動(dòng)作，則根據(jù)式（1），得A點(diǎn)差動(dòng)動(dòng)作電流：

利用同樣方法，可得B點(diǎn)差動(dòng)動(dòng)作電流：

2.5 比率制動(dòng)系數(shù)KZD1校驗(yàn)

根據(jù)A、B兩點(diǎn)的整定制動(dòng)電流IZD1、IZD2和

2.4 節(jié)的方法測(cè)得差動(dòng)動(dòng)作電流 ICDA、ICDB，按下式計(jì)算比率制動(dòng)系數(shù)KZD1。

2.6 比率制動(dòng)系數(shù)KZD2校驗(yàn)

為校驗(yàn)比率制動(dòng)系數(shù)KZD2，在圖1中選取C點(diǎn)的制動(dòng)電流值IZDC，IZDC的選取應(yīng)符合以下2條原則：

（1）應(yīng)使IZDC＜IZD2+ (ISD? ICDB) / KZD2，以保證C點(diǎn)的計(jì)算差動(dòng)值不大于速斷整定值。

（2）應(yīng)使（IZDC? IZD2）不小于（IZD2? IZD1），若結(jié)果不滿足第1條，則可選IZDC接近IZD2+ (ISD? ICDB) / KZD2，以保證測(cè)試精度。

選定C點(diǎn)的制動(dòng)電流值IZDC后，根據(jù)2.4節(jié)的方法測(cè)得C點(diǎn)差動(dòng)動(dòng)作電流：ICDC= IL1C? IH1C，按照比率制動(dòng)系數(shù) KZD1的計(jì)算方法，得比率制動(dòng)系數(shù)KZD2：

2.7 自適應(yīng)邊界調(diào)節(jié)校驗(yàn)

該項(xiàng)校驗(yàn)分如下3個(gè)步驟：

（1）計(jì)算確定邊界調(diào)節(jié)后的 A、B點(diǎn)制動(dòng)電流值，選定C點(diǎn)制動(dòng)電流值。

（2）按照2.2節(jié)—2.4節(jié)方法測(cè)得差動(dòng)電流值。

（3）按式（4）、式（5）確定比率制動(dòng)系數(shù)，并與理論計(jì)算值比較。一般來說，如果已經(jīng)完成基本測(cè)試校驗(yàn)，自適應(yīng)邊界調(diào)節(jié)校驗(yàn)可以僅校驗(yàn)差動(dòng)速斷電流ISD和差動(dòng)動(dòng)作電流IDZ。

2.8 二次諧波閉鎖試驗(yàn)

二次諧波閉鎖測(cè)試時(shí)，在滿足差動(dòng)保護(hù)可靠動(dòng)作的條件下，同時(shí)施加與整定值相差約2%的二次諧波電流，如若整定值為20%，則同時(shí)施加占基波電流18%的二次諧波電流，差動(dòng)保護(hù)應(yīng)可靠動(dòng)作，施加22%的二次諧波電流時(shí)應(yīng)可靠不動(dòng)作。閉鎖試驗(yàn)可在邊界測(cè)試時(shí)進(jìn)行，因此時(shí)僅需調(diào)整施加的諧波電流，效率較高。

2.9 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的測(cè)定

測(cè)定差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間時(shí)，應(yīng)按差動(dòng)保護(hù)整定值的0.7倍施加動(dòng)作電流，以確保差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作。差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為保護(hù)固有動(dòng)作時(shí)間與動(dòng)作時(shí)間整定值的和，一般要求保護(hù)裝置固有動(dòng)作時(shí)間不大于30 ms，時(shí)間元件的誤差不超過±2%。

3 測(cè)試校驗(yàn)實(shí)例

下面以某高鐵變電所為例，說明主變比率差動(dòng)保護(hù)具體測(cè)試過程和校驗(yàn)方法。

變電所主變差動(dòng)保護(hù)定值見表1。

表1 變電所主變差動(dòng)保護(hù)定值一覽表

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

因比率差動(dòng)保護(hù)僅涉及電流，因此接線較為簡單，在保護(hù)裝置輸入端分別施加高低壓試驗(yàn)電流IH1、IL1，為測(cè)得動(dòng)作時(shí)間，保護(hù)裝置動(dòng)作出口（或測(cè)試用出口）接至繼電保護(hù)測(cè)試儀開入端。綜合諧波抑制測(cè)試和二次諧波閉鎖測(cè)試方法相同，此處不再單獨(dú)列出。

檢驗(yàn)過程中如果測(cè)量誤差較大，應(yīng)檢查接線是否正確，同時(shí)注意電源有無波形畸變。

（1）ISD、IDZ、A、B點(diǎn)動(dòng)作電流測(cè)試。

按表2中的初始值設(shè)定IH1、IL1，按2.3節(jié)、2.4節(jié)的方法逐項(xiàng)測(cè)試得出IH1、IL1的動(dòng)作電流，連同動(dòng)作時(shí)間填入表2，其中C點(diǎn)IH1、IL1的初始值需根據(jù)B點(diǎn)的測(cè)試值確定。

表2 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)的電流值及動(dòng)作時(shí)間表

因測(cè)試動(dòng)作時(shí)間時(shí)應(yīng)施加差動(dòng)保護(hù)整定值0.7倍的動(dòng)作電流，因此動(dòng)作時(shí)間的測(cè)試與動(dòng)作電流的測(cè)試應(yīng)分別完成，動(dòng)作時(shí)間一般至少測(cè)試3次，以檢驗(yàn)有無異常偏離。

（2）選定C點(diǎn)IH1、IL1的初始值并測(cè)試。

根據(jù) 2.6節(jié)中 C點(diǎn)的選取原則和給定的整定值，選取IZDC的值：

IZDC＜IZD2+ (ISD? ICDB) / KZD2= 5 + (10 ?1.12) / 0.7 = 17.69 A

使IZDC? IZD2＞IZD2? IZD1，即IZDC＞IZD2? IZD1+ IZD2=5 ? 1.5 + 5 = 8.5 A

因此取IZDC= 15 A，初始值IH1= IL1= 7.5 A，填入表2，據(jù)此測(cè)試C點(diǎn)的IH1、IL1動(dòng)作值。

3.2 測(cè)試結(jié)果校驗(yàn)

根據(jù)表2的測(cè)試結(jié)果，使用2.5節(jié)、2.6節(jié)比率制動(dòng)系數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算得比率制動(dòng)系數(shù)：

KZD1= (ICDB? ICDA) / (IZD2? IZD1) = (IL1B? IH1B? IL1A+ IH1A) / (IZD2? IZD1) = (3.61 ? 1.39 ? 1.31 + 0.19) / (5 ? 1.5) = 0.314 KZD2= (ICDC? ICDB) / (IZDC- IZD2) = (IL1C? IH1C? IL1B+ IH1B) / (IZDC- IZDB)

= (12.03 ? 2.97 ? 3.61 + 1.39) / (15 ? 5) = 0.684

測(cè)量值與整定值的誤差校驗(yàn)結(jié)果：差動(dòng)速斷ISD：(10.15 ? 10) / 10×100% = 1.5%差動(dòng)動(dòng)作IDZ：(1.12 ? 1.1) / 1.1×100% = 1.82%

比率制動(dòng)系數(shù)KZD1：(0.314 ? 0.3) / 0.3×100% = 4.67%

比率制動(dòng)系數(shù)KZD2：(0.684 ? 0.7) / 0.7×100% = -2.29%

誤差均在±5%以內(nèi)，符合要求，即測(cè)試動(dòng)作邊界與整定動(dòng)作邊界一致。

4 結(jié)語

牽引變電所主變差動(dòng)保護(hù)裝置對(duì)于保障牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行起著重要的作用，新建牽引變電所的交接試驗(yàn)應(yīng)全面驗(yàn)證主變差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作邊界；在牽引變電所的正常運(yùn)行中，對(duì)其進(jìn)行定期校驗(yàn)也是發(fā)現(xiàn)和處理各種潛在缺陷的重要手段。本文根據(jù)自適應(yīng)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，提出通用測(cè)試方法和校驗(yàn)公式，實(shí)際使用時(shí)簡單有效，可以快速準(zhǔn)確地完成差動(dòng)保護(hù)的測(cè)試和校驗(yàn)，解決牽引變電所微機(jī)保護(hù)裝置差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作邊界的測(cè)試問題。

With regard to the issues occurred in differential protection test of macro-processor protection device of traction transformer of traction substation of high speed railway, analyzes the characteristics of self-adaptive protection actions, puts forward the site test methods and calibration formulae so as to accomplish promptly and accurately the differential protection test and calibration by using the time of power off and guarantee the reliable operation of main transformer protection.

High-speed railway; traction substation; traction transformer; differential protection; calibration

U224.4

：B

：1007-936X(2015)03-0001-04

2014-09-04

孫樹光.濟(jì)南鐵路局供電處，高級(jí)工程師，電話：13646406407。