牵引变压器差动保护典型故障分析

何小勇

0 引言

牵引变压器是电气化铁道供电系统的重要设备，它的安全运行直接关系到铁路运输秩序。作为变电所的核心设备，在现场投运和日常运行过程中，也时常遇到牵引变压器保护装置差动出口，不能第一时间准确分析跳闸原因，导致牵引变压器恢复投运时间延长。现通过几个较典型的牵引变压器差动跳闸案例，进行数据分析和措施总结，为检修人员现场处理提供一些参考。

1 牵引变压器

牵引变压器将三相电力系统的电能传输给2个单相牵引线路的上下行机车，根据供电制式的不同，牵引变压器主要有Scott、平衡变、Y/-11、三相V/x、三相V/v、单相接线变压器等几种类型，与之相应的牵引变压器差动保护电流平衡关系也各不相同，具体参见保护设备说明。

2 牵引变压器差动保护范围

牵引变压器差动保护主要保护变压器内部、套管以及引出线上的多相短路及层间短路和接地短路故障。它无延时的切断故障，动作于牵引变压器两侧断路器跳闸。牵引变压器两侧电流大小不等，不同形式接线变压器对应相的相角也不完全一致，

因此要使正常运行或外部短路时的变压器保护装置差动电流为零，就应通过装置软件调节来实现两侧电流的平衡。

3 变压器比率差动保护原理

牵引变压器差动保护装置（以下简称装置）设置三段式差动保护，装置共采集IA、IB、IC、Ia、Ib五相电流。为实现高低压侧之间的差动电流平衡，电流由低压侧向高压侧平衡，不同的变压器类型平衡计算关系各异，变压器低压侧向高压侧调节平衡后的各相电流向量分别表示为Ia′、Ib′、Ic′。则各相对应差动电流为ICDA= ｜IA- Ia′｜、ICDB= ｜IB- Ib′｜、ICDC= ｜IC- Ic′｜。各相对应制动电流为IZDA= ｜IA+ Ia′｜/ 2、IZDB= ｜IB+ Ib′｜ / 2、IZDC= ｜IC+ Ic′｜ / 2。差动速断及比率差动动作区域如图1所示，与差动速断不同，比率差动要求各相二次谐波比例均小于谐波制动系数才能出口。

图1 比率差动保护特性曲线图

4 差动保护故障实例分析

4.1 Scott 接线变压器差动保护装置故障实例

Scott 变压器差动保护装置接线如图2，两侧电流平衡调整计算采用式（1）。

图2 Scott 变压器差动保护接线图

2009年5月大秦线某牵引变电所1#Scott 牵引变压器差动保护装置跳闸，动作报告数据如下：

IA= 1.17(0°) A，IB= 1.79(177.6°) A，IC= 0.64(355.9°) A ，Ia= 0.66(1.5°) A ，Ib=0.75(177.8°) A；

ICDA= 0.74 A，ICDB= 1.45 A，ICDC= 0.73 A；

定值ISD= 12.42 A，IDZ= 1.44 A，KPH= 2.667。

故障分析：故障报告中B 相差动电流达到定值，从其平衡关系式（1）得知理论计算电流bI′只跟Ib有关，代入公式反算可知，欲使B 相差动电流平衡，Ib电流需达到4.134 A，实际Ib仅有0.75 A。并且根据该计算电流经过平衡计算，A、C 两相差动电流也趋于零，因此判断变压器低压侧b 相实际采集电流偏小，导致差动保护装置误动作。

对策及措施：对变压器低压侧b 相电流互感器，二次电缆及装置采样回路进行检查。检查结果显示b 相电流互感器接线松动，Ib电流异常，导致装置B 相差动出口。类似实际采样电流偏小情况主要考虑整个电流采样回路有无异常，包括电流互感器是否多点接地、一二次接线有无松动、装置采样处理是否异常等。

4.2 平衡变压器差动保护装置故障实例

平衡变压器差动保护装置接线如图3，两侧电流平衡调整计算采用式（2）。

（2）组织技术人员对炼胶生产设备XK-560A型双辊筒开放式炼胶机电力拖动系统在安全、经济效益等方面进行了详细分析了解，选定改造方案；

图3 平衡变压器差动保护接线图

2012年12月嘉镜线某牵引变电所1#平衡变压器差动保护装置跳闸，动作报告数据如下：

IA= 6.24 (0°) A，IB= 2.57 (184°) A，IC= 3.65 (176.9°) A，Ia= 8.01(353.5°) A，Ib= 0.02(83.6°) A；

ICDA= 3.60 A，ICDB= 0.5 A，ICDC= 3.48 A；

定值ISD= 19.89 A，IDZ= 1.42 A，KPH= 1.13。

故障分析：故障录波曲线（图4）中变压器高压侧A 相和低压侧a 相电流基本是稳定的正弦波，而高压侧B、C 相电流较小且波形偏离于规则的正弦波。主变低压侧两相电流，按式（2）计算对应的高压侧电流理论上应该分别达到aI′=9.68 A、Ib′=2.59 A、Ic′= 7.08 A。而装置实际采集高压侧三相电流：IA= 6.24 A、IB= 2.57 A、IC= 3.65 A。IB和bI′基本上相吻合，IA和IC都偏小了约3.4 A。结合图3，装置采集的电流是高压电流互感器二次侧角接后接入的，IA1、IB1、IC1分别为高压侧电流互感器相电流，IA=IA1-IB1，IB=IB1-IC1，IC=IC1-IA1。IB电流正常，基本上判定IB1和IC1正常，且IA和IC都受IA1影响，因此可据此判断高压侧一次IA1有异常导致A、C 相实际采集电流偏小，差动保护装置动作。

图4 平衡变压器故障录波曲线图

对策及措施：对高低压侧电流各相二次电缆及装置采样回路进行检查，重点检查1#B 高压侧A相电流互感器回路。最终由检修部门排查确认1#B高压侧A 相电流互感器套管介损值异常。为能及时发现类似异常情况，建议运行维护人员关注高压设备绝缘在线监测系统（若有）的监测数据，并定期对高压套管的绝缘状况进行检测。

4.3 Y/Δ-11 接线变压器差动保护装置故障实例

Y/Δ-11 接线变压器差动保护二次接线同图3，两侧电流平衡调整计算采用式（3）：

2007年3月湖南某改造牵引变电所2#Y/Δ-11牵引变压器差动保护装置速断跳闸，动作报告数据如下：

IA= 1.77(0°) A，IB= 31.31(223.5°) A，IC= 16.18(65°) A，Ia= 1.33(1.6°) A，Ib= 26.5(207.5°) A；

ICDA= 0.07 A，IZDA= 1.74 A，ICD2A= 0.03 A，ICDB= 9.71 A，IZDB= 32.57 A，ICD2B= 6.71 A，ICDC= 22.11 A，IZDC= 23.48 A，ICD2C= 10.16 A；

牵引变压器类型为Y/Δ-11，容量S= 40 MV·A，高压UH= 110 kV，低压UL= 27.5 kV（BT 供电），高压侧电流互感器变比nH= 400 / 5，低压侧电流互感器变比nL= 1 200 / 5；

定值ISD= 15.0 A，IDZ= 3.0 A，KYL= 0.2，KPH= 0.77。

故障分析：故障录波曲线（图5）中C 相电流波形呈现明显的激变。由低压电流反推计算C 相电流需达到33 A 才能平衡，而装置实际仅采集到16 A。ICDC电流达到22 A，超过差动速断15 A 的定值，且二次谐波含量高达46%（ICD2C/ ICDC）。由此判定该次故障是变压器区外故障（低压母线或馈线近端短路）大电流导致的高压电流互感器饱和引起的差动速断误动作，比率差动保护因为被二次谐波制动（0.46 大于KYL= 0.2）而没有动作。

图5 Y/Δ-11 接线变压器故障录波曲线图

对策及措施：为了减缓电流互感器饱和对装置的影响，一是需要装置具备减缓饱和影响的能力；二是选择适当的电流互感器类型和参数；三是整定合适的差动速断定值。从定值来看变压器高压侧额定一次电流由于高压电流经角接引入保护，考虑接线系数，变换至装置按照额定电流6—8 倍考虑，差动速断定值稍微偏小，建议调整差动速断定值至6 倍的IeH’，即27.3 A 及以上较为合适，当类似现象再次出现的时候可由变压器低压侧过流出口，只是动作延时稍长点而已。

4.4 V/v 接线变压器差动保护装置故障实例

V/v 接线变压器差动保护接线如图6，两侧电流平衡调整计算同式（3）。

图6 V/v 变压器差动保护接线图

2010年11月兰青线某牵引变电所2#V/v 牵引变压器差动保护装置跳闸，同时有轻瓦斯信号和馈线速断跳闸，动作报告数据如下：

IA= 0.01 (0°) A，IB= 1.43 (31.8°) A，IC=1.41 (213.5°) A，Ia= 0.04 (114.4°) A，Ib= 0.04 (71.5°) A；

ICDA= 0.04 A，ICDB= 1.40 A，ICDC= 1.38 A；

定值ISD= 10.91 A，IDZ= 0.91 A，KPH= 1.6。

故障分析：因为该次案例有馈线近端短路故障，所以容易误导作出区外故障导致差动出口的判断。跳闸报告中高压侧B 相及公共相C 相差动电流为1.4 A，且低压侧没有电流，结合反映变压器内部故障的轻瓦斯信号，基本上可以判断主变压器高压侧B、C 相间有短路故障导致差动出口。基于故障录波波形（图7）分析，整个故障流程如下：馈线故障起始时刻为当日19 时53 分28 秒176 毫秒，故障电流4 632 A，因馈线速断设置延时 100 ms，所以53 分28 秒276 毫秒时馈线出口，355 ms 时刻馈线断路器分闸结束，低压侧电流消失，但此时录波数据显示高压B、C 相仍有3 A 左右幅值的异常相间电流，致差动出口，出口时刻是53 分28 秒370 毫秒，此后几秒内又分别有2 次轻瓦斯信号发出。具体时刻是当日19 时53 分32 秒716 毫秒及34 秒616 毫秒。

对策及措施：该种类型故障应该是变压器内部绕组发生少数线匝的匝间短路造成，而且是渐进式的，该差动电流应该持续存在只是较小未达到差动定值，可通过后台监控差动越限预警发现该异常情况，做到停运并检修。

图7 V/v 接线变压器故障录波曲线图

5 结语

变压器差动保护非常灵敏，整个一二次回路接线上和保护定值整定稍有疏忽，就会造成变压器差动保护误动，引起全所停电事故。变压器保护装置主要检查变压器类型选择、各相关定值的正确性。装置以外范围主要检查接入电流相别顺序、电流互感器极性及电流互感器回路接地是否正确。变压器空投差动出口一般是励磁涌流引起，适当调整二次谐波制动比例及差动定值躲过涌流即可，变压器投运后最关键的检查是要在负荷出现情况下监视保护装置各项差动电流是否达到平衡。