一起差動保護誤動作的故障分析及防范措施

敖曉峰，姜賢武，陳珍珍

0 引言

牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)保護裝置主要起保護、監(jiān)測、控制作用[1]，要求具備可靠性、選擇性、靈敏性和速動性[2]。正常運行時，綜自保護裝置可在線監(jiān)測牽引網(wǎng)等設(shè)備的運行狀態(tài)。當(dāng)牽引網(wǎng)故障時，綜自保護裝置可迅速準確切除故障點，縮小故障范圍，確保非故障設(shè)備安全運行。

實際運行中，綜合自動化系統(tǒng)保護裝置偶有出現(xiàn)自身狀態(tài)不良導(dǎo)致保護拒動或誤動作的情況，影響可靠供電，干擾鐵路運輸秩序。及時發(fā)現(xiàn)牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)保護裝置運行中的隱患，及早制定防范措施，提高裝置運行質(zhì)量，尤為重要。

本文對一起因保護裝置狀態(tài)不良引起牽引變電所主變差動保護誤動作跳閘故障進行分析，根據(jù)牽引變電所高壓設(shè)備、保護裝置元器件檢測、試驗結(jié)果分析故障原因，并從根源上制定整改防范措施，杜絕類似故障再次發(fā)生。

1 故障概況

2023年3月9日16：23，某牽引變電所1#、2#B比率差動保護動作，造成相關(guān)變壓器高低壓側(cè)3臺斷路器同時跳閘。保護動作數(shù)據(jù)見表1。

由保護動作故障報告數(shù)據(jù)可知，跳閘時低壓側(cè)a相電流很小，為空載狀態(tài)，高壓側(cè)A相幾乎無電流，a相和A相回路正常；低壓側(cè)b相電流為304.69 A，高壓側(cè)C相電流36.25 A，符合變壓器正常比例關(guān)系，電流數(shù)值也不是很大，非短路故障電流；高壓側(cè)B相電流為196.1 A，比額定電流明顯偏大，符合差動保護動作條件，但3次、5次諧波含量較高，其中5次諧波差流達106.87%，故障時也未伴隨變壓器瓦斯保護告警或動作，初步判斷保護動作數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)。

2 保護動作分析

2.1 故障錄波曲線

查看保護動作時故障錄波曲線可以發(fā)現(xiàn)，此次該所1#、2#B比率差動保護動作時，高壓側(cè)B相波形存在畸變，幅值突變形成尖頂波形，故障錄波曲線與保護動作故障報文數(shù)據(jù)吻合。

2.2 保護定值配置

該牽引變電所采用2臺單相變壓器（40 000 kV·A）組成的V/x接線方式，高壓220 kV側(cè)流互變比600，低壓27.5 kV側(cè)流互變比為2 500。B相差動速斷定值2.42 A、差動電流定值0.24 A，制動拐點一0.3 A，制動拐點二0.91 A。該牽引變電所主變差動保護定值配置具體見表2。

2.3 保護動作邏輯分析

由表1保護動作數(shù)據(jù)可知，B相差動電流一次值為213.75 A，則二次值為0.356 A（213.75 A/ 600= 0.356 A），B相制動電流一次值為92.01 A，則二次值為0.153 A（92.01 A/600 = 0.153 A）。

對比1#、2#B相比率差動保護差動特性曲線（圖1），B相差動電流和制動電流數(shù)據(jù)落在比率差動保護動作區(qū)，可以判斷此次比率差動保護動作邏輯正常。

圖1 B相比率差動特性曲線

3 現(xiàn)場設(shè)備檢查分析

為分析此次比率差動保護動作原因，對現(xiàn)場設(shè)備進行檢測試驗。

對1#、2#B進行繞組絕緣電阻、直流電阻、介質(zhì)損耗、泄漏電流、變壓比測試試驗，對2臺變壓器油取樣并進行色譜分析及微水測試試驗，試驗結(jié)果均正常。

對1LHA、B、C相電流互感器進行絕緣電阻、介質(zhì)損耗及特性測試試驗，試驗數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準，且與歷年數(shù)據(jù)相比偏差不大。檢查流互二次回路電纜及接線均無異常。

對1#、2#B低壓側(cè)的T、F相共4臺27.5 kV避雷器進行絕緣電阻及泄漏電流試驗，試驗數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準，且與歷年數(shù)據(jù)相比偏差不大。

通過現(xiàn)場檢查試驗，1#、2#B主變差動保護區(qū)內(nèi)涉及的高壓側(cè)3臺電流互感器、2臺變壓器、4臺避雷器及電纜、母線均未發(fā)現(xiàn)異常，相應(yīng)的流互二次回路電纜及接線無異常，初步判斷此次比率差動保護動作并非區(qū)內(nèi)設(shè)備故障引起。

4 保護裝置檢測及原因分析

4.1 電源插件檢測分析

該所差動保護裝置電源插件輸入電壓為DC 110 V，經(jīng)裝置內(nèi)部逆變—整流后輸出元器件工作所需的4組（+5 V、±12 V、開出24 V、開入24 V）直流電壓。通過示波器對電源插件的4組直流輸出電壓進行為期1周的持續(xù)監(jiān)測，4組電壓一直穩(wěn)定，未發(fā)生電壓跌落、波動等異常情況，說明電源插件工作正常且穩(wěn)定。

4.2 交流采樣插件檢測分析

4.2.1 采樣精度測試

差動保護裝置交流插件設(shè)有高壓側(cè)A、B、C相和低壓側(cè)a、b相共5個電流回路。利用繼電保護測試儀給交流插件的5個電流回路分別施加電流，共進行了10余次測試試驗，均符合“差動保護電流采樣的幅值誤差不超過2.5%，相角誤差不超過0.5%”[3]的標(biāo)準，各電流通道的采樣精度均滿足誤差要求。

4.2.2 保護動作邊界測試

按照該所1#、2#B主變差動保護定值進行整定，利用繼電保護測試儀對交流采樣插件的保護動作準確性進行測試，進行了10余次測試，每次測試結(jié)果均滿足“動作電流誤差不大于整定值5%”[4]的標(biāo)準要求。差動保護動作邊界自動搜索曲線如圖2所示。

圖2 比率差動保護動作邊界特性曲線

4.2.3 帶電運行監(jiān)測

將該交流采樣插件安裝于1臺正常的樣機上通電持續(xù)運行，在交流采樣插件外部未施加輸入電流的工況下，通過示波器對交流插件的二次輸出回路進行監(jiān)測。經(jīng)過持續(xù)1周時間的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)期間出現(xiàn)一次差動保護動作現(xiàn)象，即高壓側(cè)B相電流發(fā)生了一次突變現(xiàn)象，導(dǎo)致差動保護動作，其他電流通道未見異常。

4.2.4 交流采樣插件檢測總結(jié)分析

通過長達1周的監(jiān)測檢測，發(fā)現(xiàn)交流采樣插件的采樣精度和比率差動動作邊界試驗均正常，長時間帶電運行時出現(xiàn)一次高壓側(cè)B相電流突變的情況，波形與3月9日該所1#、2#B主變B相比率差動保護動作時的電流波形類似。由此初步推斷交流采樣插件的高壓側(cè)B相電流傳感器存在問題，偶爾會出現(xiàn)電流采集異常，導(dǎo)致差動保護動作跳閘。

4.3 傳感器檢測分析

該所主變差動保護裝置交流采樣插件采用的是霍爾電流傳感器。對該交流插件B相霍爾電流傳感器進行檢測后發(fā)現(xiàn)，在沒有外部電流輸入的情況下，霍爾電流傳感器會有0.1～0.7 A的電流輸出。對傳感器內(nèi)部進行檢查，發(fā)現(xiàn)運算放大器芯片的IC1管腳端子顏色異常，判斷是IC1管腳因運行年限過久（已運行9年）而出現(xiàn)老化導(dǎo)致電流輸出異常。更換新的運放芯片后，檢測采樣正常，同時將原運放芯片安裝至1個新的傳感器上，新傳感器也出現(xiàn)同樣的交流采樣異?，F(xiàn)象。

由此證明，本次差動保護裝置誤動作的原因為交流采樣插件的高壓側(cè)B相霍爾電流傳感器的運算放大器芯片IC1管腳老化，偶發(fā)性出現(xiàn)B相電流采樣突變。

5 防范措施

（1）采用新型無源電流互感器?；魻栯娏鱾鞲衅鳛橛性丛?，需要外接12 V電源用于產(chǎn)生基準磁場，若外部電源故障或外界強磁場干擾基準磁場，傳感器的輸出電流會出現(xiàn)突變或抖動等異常情況，導(dǎo)致保護誤動作。新型無源電磁式電流互感器為無源器件，可代替霍爾電流傳感器，不存在上述干擾問題，提高保護裝置交流采樣穩(wěn)定性。

（2）對保護裝置進行全面排查。對既有牽引變電所主變差動保護裝置交流采樣插件進行全面排查，將原采用霍爾電流傳感器的交流采樣插件更換為新型無源電磁式電流互感器的交流采樣插件，防止出現(xiàn)類似保護誤動作故障。

（3）強化保護裝置的日常試驗檢修。按規(guī)范及標(biāo)準要求，做好保護裝置的試驗檢修，加強對保護裝置采樣精度、保護動作邏輯及可靠性進行全面檢測試驗和分析，發(fā)現(xiàn)隱患及時處理，確保保護裝置運行穩(wěn)定、可靠。

（4）推進綜合自動化系統(tǒng)更新改造。根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，將高速鐵路運行時間長達8年或超過8年[5]的牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)納入更新改造計劃，并逐步推進， 防止綜合自動化系統(tǒng)設(shè)備老化出現(xiàn)保護拒動或誤動等情況。

6 結(jié)語

牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)保護裝置可靠運行與否，直接關(guān)系到電氣化鐵路的運輸安全。保護裝置內(nèi)部的元器件也會嚴重影響裝置的運行性能，可能導(dǎo)致事故的發(fā)生，應(yīng)強化產(chǎn)品源頭質(zhì)量控制。日常運行維護中，應(yīng)著力提升保護裝置的運行質(zhì)量，出現(xiàn)問題深究根源，制定防范措施，加快推進整改，保證保護裝置動作正確、穩(wěn)定、可靠，防止因誤動或拒動影響牽引供電系統(tǒng)正常運行，避免給鐵路運輸安全造成嚴重干擾。