地鐵主變電所變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作分析

宋 兵，侯 煒，陳 俊，董凱達(dá)

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)城市地鐵建設(shè)發(fā)展迅速，地鐵的安全穩(wěn)定運(yùn)行離不開(kāi)供電系統(tǒng)的可靠支撐。地鐵作為城市電網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)用戶，一般直接從城市電網(wǎng)獲取電能，供電方式主要有集中式、分散式和混合式供電[1]。其中集中式供電方式，城市電網(wǎng)通過(guò)主變電所（主所）為地鐵系統(tǒng)提供電源，再由主所向沿線牽引變電所和降壓變電所供電，并形成中壓環(huán)網(wǎng)。在集中式供電方式下，保證主所的安全穩(wěn)定運(yùn)行更加重要。變壓器差動(dòng)保護(hù)作為主所變壓器的主保護(hù)，也備受重視。但由于變壓器高、低壓側(cè)電流存在幅值和相位的差別，在進(jìn)行差動(dòng)電流計(jì)算時(shí)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換調(diào)整，同時(shí)部分地鐵主所采用變壓器低壓側(cè)引線直接T接接地變經(jīng)小電阻接地的模式，接地變處于主所變壓器差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)，需消除零序電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響[2～4]，而不同保護(hù)設(shè)備廠家差動(dòng)電流轉(zhuǎn)換方式不盡相同，零序電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響也不完全一樣，給現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)裝置的調(diào)試和運(yùn)行造成了一定的困擾[5]。

本文介紹一起由于未投入主變差動(dòng)保護(hù)低壓側(cè)零序電流消除參數(shù)，導(dǎo)致區(qū)外故障時(shí)地鐵主所變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作案例，詳細(xì)分析誤動(dòng)作原因，并提出改進(jìn)措施，以期為軌道交通供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試提供參考。

1 差動(dòng)保護(hù)相位調(diào)整原理

由于變壓器有多種接線組別，高、低壓側(cè)電流存在相位差和幅值差，差動(dòng)保護(hù)在計(jì)算差流前需要對(duì)各側(cè)電流進(jìn)行相位和幅值調(diào)整，以保持差動(dòng)電流平衡[2]。

過(guò)去繼電器型保護(hù)設(shè)備通常要求將變壓器星形側(cè)（Y）的電流互感器二次接成三角形（△），△側(cè)的電流互感器二次接成Y，以調(diào)整二次電流的相位，在正常運(yùn)行或外部對(duì)稱故障情況下，不會(huì)產(chǎn)生差動(dòng)電流，即為Y→△相位補(bǔ)償方式[2]。目前已大量應(yīng)用微機(jī)保護(hù)，由于其軟件計(jì)算能力大大增強(qiáng)，為了方便接線，一般將兩側(cè)電流互感器二次統(tǒng)一接成Y，再由微機(jī)保護(hù)軟件完成相應(yīng)的相位補(bǔ)償調(diào)整。以YNd11接線方式變壓器為例，高、低壓側(cè)電流相位如圖1所示。

圖1 YNd11變壓器差動(dòng)保護(hù)高低壓側(cè)電流相位

高、低壓側(cè)電流相位補(bǔ)償通常有以下兩種轉(zhuǎn)換方式：

（1）以△側(cè)電流作為基準(zhǔn)，將Y側(cè)電流向△側(cè)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換式如下：

（2）以Y側(cè)電流作為基準(zhǔn)，將△側(cè)電流向Y側(cè)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換式如下：

由上述兩種轉(zhuǎn)換方式的轉(zhuǎn)換式可以看出，當(dāng)以△側(cè)電流作為基準(zhǔn)時(shí)，Y側(cè)補(bǔ)償電流由于采用相電流矢量相減，可以消除零序電流分量，而△側(cè)補(bǔ)償后的電流中將含有零序電流分量，因此在進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)，需要考慮零序電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)元件的影響；當(dāng)以 Y側(cè)電流作為基準(zhǔn)時(shí)，Y側(cè)補(bǔ)償后的電流中固定將零序電流消除，而△側(cè)補(bǔ)償后的電流由于采用相電流矢量相減，可以消除零序電流分量。

結(jié)合變壓器低壓側(cè)接地變兩種接入形式[6]，分析差動(dòng)保護(hù)是否要求消除零序電流，如表1所示。

表1 零序電流消除需求

此外，需要注意的是，在進(jìn)行高、低壓側(cè)電流相位轉(zhuǎn)換調(diào)整以消除零序電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響時(shí)，會(huì)導(dǎo)致變壓器內(nèi)部發(fā)生接地故障時(shí)的靈敏度降低，同時(shí)也會(huì)對(duì)變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流特征的識(shí)別產(chǎn)生影響[7，8]。

2 故障分析

2.1 系統(tǒng)主接線

某市地鐵機(jī)場(chǎng)線采用集中供電方式，全線通過(guò)A、B兩座110 kV主所供電，兩座主所主接線及設(shè)備參數(shù)基本一致。本文以主所 A為例進(jìn)行分析，其主接線如圖2所示。

圖2 主變電所系統(tǒng)接線

該主所配置兩臺(tái)變壓器，容量均為 8 MV·A，接線組別為YNd11，主變高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地，主變低壓側(cè)引線不經(jīng)斷路器 T接接地變經(jīng)小電阻接地。

2019年12月8 日，該所312出線發(fā)生單相接地故障（圖2中F1處），該線路光纖差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi) 312開(kāi)關(guān)；同時(shí) 1#主變比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)1#主變高壓側(cè)101開(kāi)關(guān)和低壓側(cè)301開(kāi)關(guān)；1#接地變保護(hù)整組啟動(dòng)。根據(jù)保護(hù)配置原則，在312出線發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)首先由該線路保護(hù)跳開(kāi)312開(kāi)關(guān)以隔離故障，而屬于1#主變差動(dòng)保護(hù)范圍外，因此 1#主變差動(dòng)保護(hù)應(yīng)可靠不動(dòng)作。本次差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi) 1#主變高低壓側(cè)開(kāi)關(guān)，擴(kuò)大了故障影響范圍。

2.2 故障分析

本次主所主變低壓側(cè)35 kV Ⅰ母312出線發(fā)生單相接地故障，該線路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作正確，不再贅述。下文重點(diǎn)針對(duì) 1#主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行分析。1#主變差動(dòng)保護(hù)高低壓側(cè)故障電流波形如圖3所示。

圖3 1#主變高低壓側(cè)故障電流波形

由圖3可以看出，1#主變低壓側(cè)A相電流在故障時(shí)刻激增，高壓側(cè)A、B相電流同步增大。

1#主變配置的變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置僅接入變壓器高、低壓側(cè)三相電流，未接入接地變支路的三相電流。因此在主變低壓側(cè)區(qū)外發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地故障點(diǎn)和接地變接地點(diǎn)形成零序電流回路，將有零序電流在變壓器低壓側(cè)CT上流過(guò)。但由于主變低壓側(cè)為△側(cè)，低壓側(cè)零序電流無(wú)法傳變至高壓側(cè)，因此造成主變差動(dòng)保護(hù)出現(xiàn)差動(dòng)電流，引起差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。差動(dòng)電流波形如圖4所示。

圖4 1#主變差動(dòng)電流波形

由于該主所變壓器接線組別為YNd11，主變低壓側(cè)不經(jīng)斷路器T接接地變經(jīng)小電阻接地，同時(shí)配置的變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置采用 Y→△相位補(bǔ)償方式。因此在發(fā)生區(qū)外單相接地故障時(shí)，低壓側(cè)零序電流未消除，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。

根據(jù)主變高低壓側(cè)電流波形，將低壓側(cè)電流進(jìn)行零序電流消除，即低壓側(cè)三相電流按照式（5）進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償，離線計(jì)算出差動(dòng)電流基本為0，再次說(shuō)明由于低壓側(cè)電流未進(jìn)行零序消除導(dǎo)致產(chǎn)生差流。

主變低壓側(cè)消除零序后的差動(dòng)電流波形如圖5所示。

圖5 低壓側(cè)消零后差動(dòng)電流波形

3 改進(jìn)方案

針對(duì)該主所變壓器低壓側(cè)三相電流在低壓側(cè)區(qū)外發(fā)生接地故障時(shí)存在零序電流，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的問(wèn)題，解決方法是差動(dòng)保護(hù)在進(jìn)行各側(cè)電流幅值和相位調(diào)整時(shí)，進(jìn)行零序電流消除，從而保持差流平衡。主要有以下兩種解決方案：

方案1：將接地變支路作為變壓器差動(dòng)保護(hù)的一個(gè)支路，接入其三相電流參與差動(dòng)電流的計(jì)算，此時(shí)低壓側(cè)三相電流和接地變?nèi)嚯娏骶嬖诹阈螂娏?，因此能夠消除零序電流?duì)差動(dòng)保護(hù)的影響。

方案2：對(duì)主變低壓側(cè)三相電流進(jìn)行零序電流消除處理，即電流轉(zhuǎn)換調(diào)整按照式（5）進(jìn)行，而非式（2）。

本文推薦采用方案2，主要基于以下原因：將接地變作為差動(dòng)保護(hù)一個(gè)支路后，根據(jù)差動(dòng)保護(hù)原理，其保護(hù)范圍為主變各側(cè)CT內(nèi)側(cè)，因此接地變本體至接地點(diǎn)屬于差動(dòng)保護(hù)范圍以外，無(wú)法通過(guò)差動(dòng)保護(hù)快速切除接地變內(nèi)部故障；接地變支路接入差動(dòng)保護(hù)裝置，會(huì)增加一部分施工量。經(jīng)與設(shè)計(jì)單位及運(yùn)維單位討論后決定，該地鐵主所采用方案2作為改進(jìn)方案。Q/GDW 1175—2013《變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范》中第5.2.9節(jié)規(guī)定“變壓器低壓側(cè)引線配置接地變時(shí)，采用星轉(zhuǎn)角方式的差動(dòng)保護(hù)裝置，應(yīng)采用軟件消零”，因此方案2符合相應(yīng)的規(guī)范要求。

按照方案2對(duì)該軌道交通線路2座110 kV供電主所進(jìn)行改造，4臺(tái)變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置均投入低壓側(cè)零序電流消除參數(shù)后，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、驗(yàn)收，滿足設(shè)計(jì)要求，正常投入運(yùn)行，保護(hù)效果良好，至今未再發(fā)生類似的誤動(dòng)作情況。

4 結(jié)語(yǔ)

由于變壓器高、低壓側(cè)電流存在幅值和相位的

差別，在差動(dòng)電流計(jì)算時(shí)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換調(diào)整，需要消除零序電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響，而且不同的電流轉(zhuǎn)換方式對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流特征識(shí)別以及差動(dòng)保

護(hù)靈敏度也會(huì)產(chǎn)生影響，不同保護(hù)設(shè)備廠家采用的

相位轉(zhuǎn)換方式不盡相同，零序電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影

響也不完全一致。本文詳細(xì)闡述了差動(dòng)保護(hù)電流相

位調(diào)整原理，分析了零序電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響，針對(duì)地鐵主所變壓器低壓側(cè)引線直接 T接接地變經(jīng)小電阻接地的模式，結(jié)合差動(dòng)保護(hù)故障電流波形，深入分析了其誤動(dòng)作原因，并提出了改進(jìn)方案，以期對(duì)地鐵軌道交通供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試有所啟發(fā)和幫助。