牽引變壓器比率制動差動保護的應用

柯志敏，謝巍敏

(鄭州鐵路職業(yè)技術學院，河南 鄭州 450052)

0 前言

電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)中較廣泛應用了容量20kVA以上的大容量油浸式變壓器，配置有二次諧波閉鎖的比率制動差動保護、差電流速斷保護、110kV(或220kV)側和27．5kV側低壓啟動過電流保護、零序電流保護、反時限過流保護、高壓側失壓保護等電量型保護，同時，還配置有瓦斯、過熱、壓力釋放等非電量型保護。其中，差動保護和瓦斯保護作為變壓器的主保護應用，能夠較全面地反映變壓器箱體內、外的多數(shù)故障和不正常運行。本文以Y，d11牽引變壓器差動保護為例，分析差動保護接入時相位補償?shù)姆椒?，保護判據(jù)、整定參數(shù)制動系數(shù)、制動電流等定值選取方法，制動特性校驗方法等注意問題。

1 Y，d11牽引變壓器差動保護的相位補償

Y，d11牽引變壓器差動保護是一種檢測變壓器兩側電流差值變化構建的保護裝置。保護經(jīng)電流互感器(TA)接入變壓器的高壓側和低壓側，以采集變壓器兩側電流數(shù)據(jù)。理論上，在差動保護的保護區(qū)內(即變壓器及引出線)無故障時，引入到差動保護的變壓器兩側電流差值保證做到為零，以確保保護處于不動作狀態(tài)，這就需要做到差動保護所采集于變壓器兩側的電流在幅值及相位上相同。當牽引變壓器繞組采用Y，d11接線方式時，造成變壓器兩側電流的30°相差，如圖1(b)，變壓器A相一次側電流滯后二次電流30°。所以，為使差動保護所采集于變壓器兩側的電流在相位上相同，就必須考慮在高壓側采用相位補償措施。在傳統(tǒng)的電磁型、晶體管型差動保護中，一般采用電流互感器反接線方式實現(xiàn)相位補償，即變壓器Y形接線側三相TA按△形接入，變壓器△形接線側三相TA按Y形接入，以獲得30°相差的補償，這種方式也是變壓器Y，d11接線時的一種常規(guī)接線。

目前，用于牽引變壓器的各類微機差動保護中，可提供兩種相位補償方式［1］，即采用與傳統(tǒng)保護相同的TA反接線補償和軟件相位校正補償，一般采用0表示Y形接入，1表示△形接入，應用過程中要注意接入方式的選擇。采用軟件相位校正補償?shù)谋Ｗo接入方式相當于圖1(a)。

圖1 變壓器微機保護接入方式

2 差動保護的比率制動特性的應用

在差動保護中，傳統(tǒng)的起動電流定值確定方法是按躲過保護區(qū)外出現(xiàn)最大故障電流時的最大不平衡電流計算，見式(2)。應用這種整定方法，差動保護的起動電流定值較大，保護動作靈敏性較差。

式中:Krel為可靠系數(shù)，10%為TA的誤差，Kst為TA的同型系數(shù)，Kaper為TA的非周期系數(shù)，ΔU為變壓器調壓變差，Δm為 TA變比實用誤差，Iub．max為保護區(qū)外最大故障電流，ni為TA的變比。

為了提高差動保護在保護區(qū)外無短路故障時動作的靈敏性，牽引變壓器的差動保護廣泛應用了比率制動原理。微機型的差動保護采用三折線比率制動特性［2］，如圖2所示，第一段為水平直線，第二段斜率為K1(制動系數(shù))，第三段斜率為K2。差動保護應用比率制動原理，可以在保護區(qū)外無短路故障時獲得較低的起動電流值(Iact．min)，從而提高動作靈敏性，同時，隨著保護區(qū)外短路故障電流Ik的出現(xiàn)，又能夠按一定的比率K1和K2提高保護的起動電流值，保證保護動作的可靠性。

圖2 三折線比率制動特性

三折線比率制動特性差動保護的動作判據(jù)見下式(3)，Ires1為折線第一拐點制動電流，Ires2為折線第二拐點制動電流。

3 比率制動差動保護的整定

在三折線比率制動差動保護的整定過程中，主要涉及最小起動電流 Iact．min、制動電流 Ires1和 Ires2、比率制動系數(shù)K1和K2的確定。

3．1 最小動作電流Iact·min的確定

對于常規(guī)比率制動特性差動保護的整定原則，差動保護最小起動電流Iact．min應大于變壓器額定負載時的不平衡電流［3］，可按式(4)計算。

式中，In2為變壓器高壓側二次額定電流;Krel為可靠系數(shù)，取1．3～1．5;Ker為電流互感器的比誤差，10P型取0．03×2，5P 型和 TP 型取0．01 ×2;ΔU、Δm 同式(2)，ΔU取調壓范圍的最大值，Δm一般取0．05。

在牽引供電系統(tǒng)Y，d11接線變壓器的實際應用中，Iact．min可按躲過變壓器空載時的最大不平衡電流確定，選取應控制在(0．2～0．5)In2之內，一般宜采用不小于0．3In2的動作電流整定值，多數(shù)情況下取0．5In2較為適宜，且在這種整定狀態(tài)下，差動保護的靈敏性均能符合設計規(guī)范的要求，能夠較靈敏地反應變壓器輕微的匝間短路故障。但這種情況下，會造成誤動的概率增大，可在(0．6～0．8)In2范圍適當提高Iact．min，以提高保護動作的可靠性。

3．2 制動電流Ires1、Ires2的確定

在三折線比率制動特性中，制動電流Ires1和Ires2一般根據(jù)變壓器負荷電流的變化情況確定，可按下式(5)計算。

式中，Krel為可靠系數(shù)，取 1．3 ～1．5;K1為變壓器過負荷系數(shù)。

起始制動電流Ires1用以控制差動保護最小的起動電流 Iact．min的區(qū)域，Iresl越小，保護動作的可靠性越好，反之，Ires1越大，保護動作的靈敏性越好。在確定Ires1取值時，應充分考慮最小起動電流Iact．min的計算條件，在Iact．min按躲過變壓器空載時的最大不平衡電流確定時，Ires1通常取負荷電流為額定電流的50%條件下計算，當可靠系數(shù)Kres取1．4時，Irel1=KrelKlIn2=1．4 ×0．5In2=0．7In2，所以，在牽引供電系統(tǒng) Y，d11接線變壓器應用中，Ires1一般取(0．8 ～1．0)In2。若為了提高保護動作可靠性，可在(0．5～0．6)In2范圍內適當降低Ires1的取值。

制動電流Ires2一般根據(jù)變壓器過負荷能力的強弱確定，當變壓器的允許過載在100%，可靠系數(shù)Krel取 1．4 時，Irel2=KrelK1In2=1．4 ×2In2=2．8In2，所以，在牽引供電系統(tǒng)Y，d11接線變壓器應用中，Ires2一般取(2．7 ～2．9)In2。

3．3 比率制動系數(shù)K1和K2的確定［4］

比率制動系數(shù)K1、K2直接表現(xiàn)為折線第二段和第三段的斜率大小，分別按制動電流Ires1、Ires2以及差動保護區(qū)最大短路故障電流Ik．max對應下的差動保護起動電流值計算，如式(6)、(7)。

式中，Iact．2為對應 Ires2下的起動電流，Iact．max為對應 Ik．max下的起動電流。

例如，在牽引供電系統(tǒng)Y，d11接線變壓器的實際應用中，當 Iact．min取 0．5In2、Ires1取 0．8In2、Ires2取2．8 In2時，起動電流 Iact．2參考式(2)計算，若取 Krel=1．5、Kst=1、Kaper=1、ΔU=0．1、Δm=0．05，那么

則，K1=(Iact．2－ Iact．min)/(Ires．2－ Ires．1)=(1．05In2－0．5In2)/(2．8In2－0．8In2)=0．275，實際應用中可取K1=0．3，一般各型號微機保護產品的整定范圍在(0．2 ～0．8)可調。

對應 Ik．max下的起動電流 Iact．max同樣參考式(2)計算，若取 Krel=1．5、Kst=1、Kaper=2、ΔU=0．1、Δm=0．05、Iact．max=8In2，那么

Iact．max=Krel(10%KstKaper+ ΔU+ Δm) ×8In2=1．5 ×(0．1 ×1 ×2+0．1+0．05) ×8In2=4In2

則，K2=(Iact．max－ Iact．2)/(Ik．max－ Ires．2)=(4In2－1．05In2)/(8In2－2．8In2)=0．567，實際應用中可取K2=0．6。

4 結束語

目前，電氣化鐵道供電系統(tǒng)牽引變壓器保護廣泛應用交大許繼、南京南自及天津凱發(fā)等供應商提供的微機保護產品，其變壓器差動保護均采用了三折線比率制動特性。本文論述的保護啟動電流、制動電流、制動系數(shù)等參數(shù)的計算與選取方法，對這類保護裝置均可參照應用，對提高保護動作的靈敏性及可靠性具有一定的實際意義。

［1］TA21型牽引變電所安全監(jiān)控及綜合自動化系統(tǒng)說明書［Z］．交大許繼公司，2008:121 －123．

［2］柯志敏，索娜．繼電保護基礎［M］．北京:北京交通大學出版社，2010:181－183．

［3］涂光瑜．汽輪發(fā)電機及電氣設備［M］．北京:中國電力出版社，2007:478－479．

［4］黃瑞梅，許建安．比率制動變壓器差動保護整定分析［J］．水電能源科學，2011，29(4)，169 －170．