牵引变电所馈线雷击引起主变差动保护误动分析

李普前

（苏州轨道交通有限公司，江苏 苏州 215101）

牵引供电系统中接触网设备由于露天架设在室外，运行环境恶劣，特别是在雷雨季节，接触网极易遭受雷击造成牵引变电所馈线保护动作，严重时甚至会引起变电所主变差动保护误动.本文针对2010年夏天，JH线某段因接触网设备遭雷击先后引发的A、B两牵引变电所主变差动保护误动，运用保护理论，对两起保护误动情况进行分析，提出了预防此类故障的具体措施.

1 故障概况

2010年06月02日22时29分33秒603毫秒，A变电所1#主变跳闸，差动保护动作，自投成功.故障数据：高压侧Ubc=76.26 V，高压侧Ic=2.48 A，低压侧Iβ=2.48 A.

同时，214馈线断路器跳闸，电流速断保护动作，重合闸成功.故障测距0.87 km，母线电压2.06 kV，故障电流5208 A，阻抗1.1 Ω∠6.4°.

2010年06月23日07时25分13秒129毫秒，B变电所2#主变跳闸，差动保护动作，自投成功.故障数据：高压侧Ubc=86.68 V，高压侧Ic=2.78 A，低压侧Iβ=2.35 A.

同时，214馈线断路器跳闸，电流速断保护动作，重合闸成功.故障测距2.25 km，母线电压4.18 kV，故障电流4040 A，阻抗3.43 Ω∠66.9°.

跳闸时，上述A、B两变电所区域均为雷雨天气.

2 故障数据分析

2.1 主变保护原理简介

A、B两站主变保护采用许继集团TA21型保护，保护原理与国内主流厂家基本一致，采用平衡系数的方法补偿各侧二次电流，计算差动电流和制动电流来判断故障.

TA21型主变保护装置通过采集主变高压侧（Ic）和低压侧（Iβ）电流，利用平衡系数补偿两侧二次电流的差异（平衡系数Kph=（高压侧CT变比×高压侧额定电压）/（低压侧CT变比×低压侧额定电压）），计算差动电流和制动电流（其中差动电流Icd=Ic-Iβ/Kph，制动电流Izd=Ic+Iβ/Kph），用来判断主变是否存在短路故障.

主变正常运行时，差动电流几乎为零，保护不动作；主变内部故障时，差动电流很大，保护动作.设置制动电流是考虑到区外故障CT饱和现象的存在，保证区外故障时保护不会误动.

由于主变受到冲击时会产生很大的励磁涌流，电流大小一般都会大于差动保护动作值，考虑到涌流中包含了高次谐波分量，主变保护中都设有谐波制动系数这个定值，一旦保护装置检测到差动电流中谐波含量高于这个定值就闭锁差动保护，保证在主变送电时不会因为励磁涌流的存在导致保护误动.

2.2 主变数据

A变电所：主变型号S6-QY-20000+20000/110，高压侧CT变比300/1，低压侧CT变比1250/1，馈线CT变比800/1.

B变电所：主变型号S6-QY-20000+16000/110，高压侧CT变比400/1，低压侧CT变比1250/1，馈线CT变比1000/1.

2.3 保护定值

A变电所1#变：差动电流整定值Idz=0.3 A，平衡系数Kph=0.96，二次谐波制动系数15%.B变电所2#变：差动电流整定值Idz=0.25 A，平衡系数Kph=1.28，二次谐波制动系数15%.

根据主变参数进行计算，得到A变电所1#主变平衡系数为300×110 kV/（1250×27.5 kV）=0.96，B变电所2#主变平衡系数为400×110 kV/（1250×27.5 kV）=1.28，由此可知，A、B两变电所跳闸的两台主变保护定值整定正确，不存在因保护定值整定错误导致保护动作的可能性.

2.4 故障数据分析

根据故障数据计算A变电所1#主变差动保护动作时的差动电流为：

Icd=Ic-Iβ/Kph＝2.48-2.48/0.96=0.10 A.

计算结果表明差动电流没有达到1#主变差动保护起动值，差动保护不应该动作.

根据故障数据计算B变电所2#主变差动保护动作时的差动电流和制动电流为：Icd=Ic-Iβ/Kph＝2.78-2.35/1.28=0.95 A，Izd=（2.78+2.35/1.28）/2=2.31 A.经过分析，未到达比率差动的动作区，差动保护不满足动作条件.

A、B两变电所214馈线断路器故障电流均超过电流速断保护定值，馈线保护正确动作.

3 故障录波分析

使用波形分析软件对A、B两变电所主变差动保护故障波形进行分析，结果如图1、图2所示.

图1 A所1#主变故障波形

图2 B所2#主变故障波形

由故障波形可知：

（1）两所高压侧电压波形基本相似，均为正常的正弦波形，中间相Ubc电压略有下降，没有发生明显的突变和畸变现象.（2）A变电所高压侧电流Ic、低压侧电流Iβ波形均发生了严重的畸变，故障电流中含有大量的高次谐波和直流分量.

（3）B变电所高压侧电流Ic为正常的正弦波形，低压侧电流Iβ波形则发生了较严重的畸变，且故障电流中含有较高的高次谐波和直流分量.

（4）两所高压侧电流Ic中二次谐波含量较小，不足10%；低压侧电流Iβ中二次谐波含量较高，超过40%.

（5）通过保护厂家提供的软件工具进行分析，得知两变电所主变保护动作过程中，差动电流由高压侧电流Ic和低压侧电流Iβ产生.

4 跳闸原因分析

（1）跳闸瞬间，两所值班人员均听到室外伴随有强烈的雷电声，且跳闸供电臂没有电力机车运行，可以确定雷击接触网是造成两变电所馈线跳闸的直接原因.

（2）由于两变电所馈线跳闸均为近端短路，短路电流非常大，且在雷电作用下，短路电流中产生了较大的直流分量，可能造成主变高低压侧CT饱和，差动保护装置中的电流采集系统也可能出现饱和现象.以上环节导致保护采集到的故障电流波形发生畸变.因高、低压侧电流波形畸变特性不同，主变差动保护装置通过计算得到较大的差流，造成主变差动保护误动.

（3）两变电所保护用电流互感器准确度等级均为5P20级，上述馈线短路产生的故障电流不会造成CT饱和.在主变差动保护装置试验时发现，当流入交流插件的电流中含有较大的直流分量时，插件中的电流变换器会出现饱和现象，电流波形会发生畸变.

（4）由于跳闸报告上的数值均为有效值，在电流波形发生畸变的情况下，采用有效值计算得出的差流值，未考虑相位及其他影响，与保护装置计算出来的差流值存在较大的误差.这就是A、B两变电所根据跳闸数据进行人工分析，没有达到差动动作条件的原因.

（5）由于故障时主变主保护装置中高压侧电流二次谐波含量较小，不足10%，故比率差动保护二次谐波闭锁未启动.通过离散分析，发现故障时主变低压侧差电流的二次谐波含量仍较大，超过了二次谐波闭锁整定值.

5 改进措施

（1）更换主变保护装置交流采集模块，增强电流变换器的抗饱和能力，消除区外故障时因直流分量引起的波形畸变.

（2）要求保护厂家更改保护逻辑，改进主变保护比率差动二次谐波闭锁判据，由高压侧二次谐波闭锁改为高低压侧差流二次谐波闭锁，增强外部故障时比率差动保护的二次谐波闭锁能力，提高保护装置动作的可靠性.

采用上述改进措施后，各牵引变电所馈线因雷击发生短路故障后，主变比率差动保护均未出现误动作现象，收到较好的效果.

6 结束语

随着牵引供电系统的发展，微机保护装置得到广泛应用，保护装置的硬件水平不断提高，多种保护原理综合运用，保护装置的可靠性、灵敏性和精确性明显提高.但在实际运行中，牵引所变压器差动保护误动现象仍时有发生，因此，要不断完善系统功能，提高装置采样精度，积极采取措施预防区外故障引起的保护误动，提高保护装置动作的可靠性.

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