高鐵牽引變電所主變比率差動保護(hù)的校驗方法

孫樹光

高鐵牽引變電所主變比率差動保護(hù)的校驗方法

孫樹光

針對高速鐵路牽引變電所主變壓器微機(jī)保護(hù)裝置中差動保護(hù)測試的問題，對自適應(yīng)差動保護(hù)動作特性進(jìn)行了分析，提出現(xiàn)場測試方法和校驗公式，以有效利用停電時間，快速、準(zhǔn)確地完成差動保護(hù)的測試和校驗，保障主變壓器保護(hù)可靠動作。

高速鐵路；牽引變電所；主變壓器；差動保護(hù)；校驗

0 引言

高速鐵路牽引變電所主變壓器是牽引供電的核心，差動保護(hù)因動作速度快，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)試驗時，和其他保護(hù)相比，常規(guī)差動保護(hù)試驗相對復(fù)雜，尤其是測定其動作邊界時，常規(guī)檢驗方法一般為按照整定值加入試驗電流至保護(hù)動作的單點測試，該方法可以判斷差動保護(hù)作為一項保護(hù)功能是否正常，但難以根據(jù)測量值判斷保護(hù)整定的邊界位置，難以判定是否符合整定要求。

本文通過對差動保護(hù)特性的分析和實際測試驗證，提出差動保護(hù)的通用測試方法和校驗公式。

1 主變差動保護(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，主變壓器一般采用單相變壓器，主變差動保護(hù)一般設(shè)置差動速斷保護(hù)、三段式比率差動保護(hù)和二次諧波制動。

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

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

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

1.1 差動保護(hù)動作特性

變壓器比率差動保護(hù)動作特性如圖1。差動保護(hù)動作條件：

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

圖1 差動保護(hù)動作特性圖

1.2 二次諧波閉鎖

因主變壓器空載投運時會產(chǎn)生較大的勵磁涌流，并伴隨有二次諧波分量，為防止主變保護(hù)誤動，采用二次諧波分量區(qū)分故障電流和勵磁涌流，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，使用諧波制動方式閉鎖差動保護(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 主變差動保護(hù)試驗方法

不同的繼電保護(hù)裝置對于自適應(yīng)差動保護(hù)的處理方式不完全一樣，實際測試時應(yīng)根據(jù)具體裝置情況，判斷測試方式是否應(yīng)做調(diào)整，在現(xiàn)場校驗前，應(yīng)考慮平衡系數(shù)，可以先置1，或輸入電流時計入平衡系數(shù)影響。

2.1 試驗項目

比率差動保護(hù)的整定值確定后，動作邊界就相應(yīng)確定，差動保護(hù)試驗即為驗證動作邊界是否與整定邊界一致。完整的校驗主變比率差動保護(hù)應(yīng)分別校驗每一條動作邊界，即應(yīng)分別校驗差動速斷電流ISD，差動動作電流IDZ，測定差動制動電流IZD1和IZD2處的差動動作電流，計算比率制動系數(shù) KZD1和KZD2，除此之外，還應(yīng)校驗二次諧波制動情況。

2.2 基本方法

圖1中，A、B點分別為差動制動電流IZD1和IZD2的兩點，C點為差動制動電流大于IZD2的點，測定三段式差動保護(hù)動作邊界，應(yīng)根據(jù)給定的整定值，首先測定差動速斷電流 ISD和差動動作電流IDZ，然后測定計算A、B點的差動動作電流，用于校驗比率制動系數(shù)KZD1；最后測定C點的差動動作電流，用于校驗比率制動系數(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、制動電流之分，因此現(xiàn)場試驗時，在保護(hù)裝置輸入端施加高低壓試驗電流IH1、IL1。

以A點為例，差動制動電流為IZD1，測定差動動作電流按如下步驟進(jìn)行：首先設(shè)定初始值 IH1= IL1= IZD1/ 2，此時差動電流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時制動電流IZD1不變，差動電流增大。緩慢同步調(diào)整高低壓側(cè)電流IH1、IL1直至保護(hù)動作，測得保護(hù)動作時的IH1、IL1值，據(jù)此計算差動動作電流：

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

對于微機(jī)型繼電保護(hù)測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。實際試驗時，一般應(yīng)將施加的電流角度均調(diào)整至0o。在測試之前，應(yīng)退出其他所有保護(hù)元件，僅投入差動保護(hù)、差動速斷保護(hù)裝置。

2.3 差動速斷電流ISD和差動動作電流IDZ測試

差動速斷電流 ISD和差動動作電流 IDZ測試方法相同，可在制動電流為0時測定。需注意的是差動速斷電流ISD大于差動動作電流IDZ，在校驗差動速斷電流前，應(yīng)首先取消比率差動保護(hù)，避免測試時比率差動保護(hù)裝置首先動作。

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，直至比率差動保護(hù)動作，則差動動作電流為IDZ= IL1

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

測試時也可設(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 差動制動電流IZD1、IZD2處差動動作電流測試

圖1中，A點的差動制動電流IZD1為整定值，校驗時應(yīng)保持差動制動電流IZD1不變，測定差動電流。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)動作，則根據(jù)式（1），得A點差動動作電流：

利用同樣方法，可得B點差動動作電流：

2.5 比率制動系數(shù)KZD1校驗

根據(jù)A、B兩點的整定制動電流IZD1、IZD2和

2.4 節(jié)的方法測得差動動作電流 ICDA、ICDB，按下式計算比率制動系數(shù)KZD1。

2.6 比率制動系數(shù)KZD2校驗

為校驗比率制動系數(shù)KZD2，在圖1中選取C點的制動電流值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點的計算差動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，以保證測試精度。

選定C點的制動電流值IZDC后，根據(jù)2.4節(jié)的方法測得C點差動動作電流：ICDC= IL1C? IH1C，按照比率制動系數(shù) KZD1的計算方法，得比率制動系數(shù)KZD2：

2.7 自適應(yīng)邊界調(diào)節(jié)校驗

該項校驗分如下3個步驟：

（1）計算確定邊界調(diào)節(jié)后的 A、B點制動電流值，選定C點制動電流值。

（2）按照2.2節(jié)—2.4節(jié)方法測得差動電流值。

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

2.8 二次諧波閉鎖試驗

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

2.9 差動保護(hù)動作時間的測定

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

3 測試校驗實例

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

變電所主變差動保護(hù)定值見表1。

表1 變電所主變差動保護(hù)定值一覽表

3.1 現(xiàn)場測試

因比率差動保護(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電流IH1、IL1，為測得動作時間，保護(hù)裝置動作出口（或測試用出口）接至繼電保護(hù)測試儀開入端。綜合諧波抑制測試和二次諧波閉鎖測試方法相同，此處不再單獨列出。

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

（1）ISD、IDZ、A、B點動作電流測試。

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

表2 差動保護(hù)動作時的電流值及動作時間表

因測試動作時間時應(yīng)施加差動保護(hù)整定值0.7倍的動作電流，因此動作時間的測試與動作電流的測試應(yīng)分別完成，動作時間一般至少測試3次，以檢驗有無異常偏離。

（2）選定C點IH1、IL1的初始值并測試。

根據(jù) 2.6節(jié)中 C點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)此測試C點的IH1、IL1動作值。

3.2 測試結(jié)果校驗

根據(jù)表2的測試結(jié)果，使用2.5節(jié)、2.6節(jié)比率制動系數(shù)計算方法，計算得比率制動系數(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

測量值與整定值的誤差校驗結(jié)果：差動速斷ISD：(10.15 ? 10) / 10×100% = 1.5%差動動作IDZ：(1.12 ? 1.1) / 1.1×100% = 1.82%

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

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

誤差均在±5%以內(nèi)，符合要求，即測試動作邊界與整定動作邊界一致。

4 結(jié)語

牽引變電所主變差動保護(hù)裝置對于保障牽引供電系統(tǒng)安全運行起著重要的作用，新建牽引變電所的交接試驗應(yīng)全面驗證主變差動保護(hù)的動作邊界；在牽引變電所的正常運行中，對其進(jìn)行定期校驗也是發(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)差動保護(hù)的動作特性和現(xiàn)場測試情況，提出通用測試方法和校驗公式，實際使用時簡單有效，可以快速準(zhǔn)確地完成差動保護(hù)的測試和校驗，解決牽引變電所微機(jī)保護(hù)裝置差動保護(hù)動作邊界的測試問題。

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，高級工程師，電話：13646406407。