牵引变压器比率制动差动保护的应用

柯志敏，谢巍敏

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052)

0 前言

电气化铁道牵引供电系统中较广泛应用了容量20kVA以上的大容量油浸式变压器，配置有二次谐波闭锁的比率制动差动保护、差电流速断保护、110kV(或220kV)侧和27．5kV侧低压启动过电流保护、零序电流保护、反时限过流保护、高压侧失压保护等电量型保护，同时，还配置有瓦斯、过热、压力释放等非电量型保护。其中，差动保护和瓦斯保护作为变压器的主保护应用，能够较全面地反映变压器箱体内、外的多数故障和不正常运行。本文以Y，d11牵引变压器差动保护为例，分析差动保护接入时相位补偿的方法，保护判据、整定参数制动系数、制动电流等定值选取方法，制动特性校验方法等注意问题。

1 Y，d11牵引变压器差动保护的相位补偿

Y，d11牵引变压器差动保护是一种检测变压器两侧电流差值变化构建的保护装置。保护经电流互感器(TA)接入变压器的高压侧和低压侧，以采集变压器两侧电流数据。理论上，在差动保护的保护区内(即变压器及引出线)无故障时，引入到差动保护的变压器两侧电流差值保证做到为零，以确保保护处于不动作状态，这就需要做到差动保护所采集于变压器两侧的电流在幅值及相位上相同。当牵引变压器绕组采用Y，d11接线方式时，造成变压器两侧电流的30°相差，如图1(b)，变压器A相一次侧电流滞后二次电流30°。所以，为使差动保护所采集于变压器两侧的电流在相位上相同，就必须考虑在高压侧采用相位补偿措施。在传统的电磁型、晶体管型差动保护中，一般采用电流互感器反接线方式实现相位补偿，即变压器Y形接线侧三相TA按△形接入，变压器△形接线侧三相TA按Y形接入，以获得30°相差的补偿，这种方式也是变压器Y，d11接线时的一种常规接线。

目前，用于牵引变压器的各类微机差动保护中，可提供两种相位补偿方式［1］，即采用与传统保护相同的TA反接线补偿和软件相位校正补偿，一般采用0表示Y形接入，1表示△形接入，应用过程中要注意接入方式的选择。采用软件相位校正补偿的保护接入方式相当于图1(a)。

图1 变压器微机保护接入方式

2 差动保护的比率制动特性的应用

在差动保护中，传统的起动电流定值确定方法是按躲过保护区外出现最大故障电流时的最大不平衡电流计算，见式(2)。应用这种整定方法，差动保护的起动电流定值较大，保护动作灵敏性较差。

式中:Krel为可靠系数，10%为TA的误差，Kst为TA的同型系数，Kaper为TA的非周期系数，ΔU为变压器调压变差，Δm为 TA变比实用误差，Iub．max为保护区外最大故障电流，ni为TA的变比。

为了提高差动保护在保护区外无短路故障时动作的灵敏性，牵引变压器的差动保护广泛应用了比率制动原理。微机型的差动保护采用三折线比率制动特性［2］，如图2所示，第一段为水平直线，第二段斜率为K1(制动系数)，第三段斜率为K2。差动保护应用比率制动原理，可以在保护区外无短路故障时获得较低的起动电流值(Iact．min)，从而提高动作灵敏性，同时，随着保护区外短路故障电流Ik的出现，又能够按一定的比率K1和K2提高保护的起动电流值，保证保护动作的可靠性。

图2 三折线比率制动特性

三折线比率制动特性差动保护的动作判据见下式(3)，Ires1为折线第一拐点制动电流，Ires2为折线第二拐点制动电流。

3 比率制动差动保护的整定

在三折线比率制动差动保护的整定过程中，主要涉及最小起动电流 Iact．min、制动电流 Ires1和 Ires2、比率制动系数K1和K2的确定。

3．1 最小动作电流Iact·min的确定

对于常规比率制动特性差动保护的整定原则，差动保护最小起动电流Iact．min应大于变压器额定负载时的不平衡电流［3］，可按式(4)计算。

式中，In2为变压器高压侧二次额定电流;Krel为可靠系数，取1．3～1．5;Ker为电流互感器的比误差，10P型取0．03×2，5P 型和 TP 型取0．01 ×2;ΔU、Δm 同式(2)，ΔU取调压范围的最大值，Δm一般取0．05。

在牵引供电系统Y，d11接线变压器的实际应用中，Iact．min可按躲过变压器空载时的最大不平衡电流确定，选取应控制在(0．2～0．5)In2之内，一般宜采用不小于0．3In2的动作电流整定值，多数情况下取0．5In2较为适宜，且在这种整定状态下，差动保护的灵敏性均能符合设计规范的要求，能够较灵敏地反应变压器轻微的匝间短路故障。但这种情况下，会造成误动的概率增大，可在(0．6～0．8)In2范围适当提高Iact．min，以提高保护动作的可靠性。

3．2 制动电流Ires1、Ires2的确定

在三折线比率制动特性中，制动电流Ires1和Ires2一般根据变压器负荷电流的变化情况确定，可按下式(5)计算。

式中，Krel为可靠系数，取 1．3 ～1．5;K1为变压器过负荷系数。

起始制动电流Ires1用以控制差动保护最小的起动电流 Iact．min的区域，Iresl越小，保护动作的可靠性越好，反之，Ires1越大，保护动作的灵敏性越好。在确定Ires1取值时，应充分考虑最小起动电流Iact．min的计算条件，在Iact．min按躲过变压器空载时的最大不平衡电流确定时，Ires1通常取负荷电流为额定电流的50%条件下计算，当可靠系数Kres取1．4时，Irel1=KrelKlIn2=1．4 ×0．5In2=0．7In2，所以，在牵引供电系统 Y，d11接线变压器应用中，Ires1一般取(0．8 ～1．0)In2。若为了提高保护动作可靠性，可在(0．5～0．6)In2范围内适当降低Ires1的取值。

制动电流Ires2一般根据变压器过负荷能力的强弱确定，当变压器的允许过载在100%，可靠系数Krel取 1．4 时，Irel2=KrelK1In2=1．4 ×2In2=2．8In2，所以，在牵引供电系统Y，d11接线变压器应用中，Ires2一般取(2．7 ～2．9)In2。

3．3 比率制动系数K1和K2的确定［4］

比率制动系数K1、K2直接表现为折线第二段和第三段的斜率大小，分别按制动电流Ires1、Ires2以及差动保护区最大短路故障电流Ik．max对应下的差动保护起动电流值计算，如式(6)、(7)。

式中，Iact．2为对应 Ires2下的起动电流，Iact．max为对应 Ik．max下的起动电流。

例如，在牵引供电系统Y，d11接线变压器的实际应用中，当 Iact．min取 0．5In2、Ires1取 0．8In2、Ires2取2．8 In2时，起动电流 Iact．2参考式(2)计算，若取 Krel=1．5、Kst=1、Kaper=1、ΔU=0．1、Δm=0．05，那么

则，K1=(Iact．2－ Iact．min)/(Ires．2－ Ires．1)=(1．05In2－0．5In2)/(2．8In2－0．8In2)=0．275，实际应用中可取K1=0．3，一般各型号微机保护产品的整定范围在(0．2 ～0．8)可调。

对应 Ik．max下的起动电流 Iact．max同样参考式(2)计算，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

则，K2=(Iact．max－ Iact．2)/(Ik．max－ Ires．2)=(4In2－1．05In2)/(8In2－2．8In2)=0．567，实际应用中可取K2=0．6。

4 结束语

目前，电气化铁道供电系统牵引变压器保护广泛应用交大许继、南京南自及天津凯发等供应商提供的微机保护产品，其变压器差动保护均采用了三折线比率制动特性。本文论述的保护启动电流、制动电流、制动系数等参数的计算与选取方法，对这类保护装置均可参照应用，对提高保护动作的灵敏性及可靠性具有一定的实际意义。

［1］TA21型牵引变电所安全监控及综合自动化系统说明书［Z］．交大许继公司，2008:121 －123．

［2］柯志敏，索娜．继电保护基础［M］．北京:北京交通大学出版社，2010:181－183．

［3］涂光瑜．汽轮发电机及电气设备［M］．北京:中国电力出版社，2007:478－479．

［4］黄瑞梅，许建安．比率制动变压器差动保护整定分析［J］．水电能源科学，2011，29(4)，169 －170．