一起差动保护误动作的故障分析及防范措施

敖晓峰，姜贤武，陈珍珍

0 引言

牵引变电所综合自动化系统保护装置主要起保护、监测、控制作用[1]，要求具备可靠性、选择性、灵敏性和速动性[2]。正常运行时，综自保护装置可在线监测牵引网等设备的运行状态。当牵引网故障时，综自保护装置可迅速准确切除故障点，缩小故障范围，确保非故障设备安全运行。

实际运行中，综合自动化系统保护装置偶有出现自身状态不良导致保护拒动或误动作的情况，影响可靠供电，干扰铁路运输秩序。及时发现牵引变电所综合自动化系统保护装置运行中的隐患，及早制定防范措施，提高装置运行质量，尤为重要。

本文对一起因保护装置状态不良引起牵引变电所主变差动保护误动作跳闸故障进行分析，根据牵引变电所高压设备、保护装置元器件检测、试验结果分析故障原因，并从根源上制定整改防范措施，杜绝类似故障再次发生。

1 故障概况

2023年3月9日16：23，某牵引变电所1#、2#B比率差动保护动作，造成相关变压器高低压侧3台断路器同时跳闸。保护动作数据见表1。

由保护动作故障报告数据可知，跳闸时低压侧a相电流很小，为空载状态，高压侧A相几乎无电流，a相和A相回路正常；低压侧b相电流为304.69 A，高压侧C相电流36.25 A，符合变压器正常比例关系，电流数值也不是很大，非短路故障电流；高压侧B相电流为196.1 A，比额定电流明显偏大，符合差动保护动作条件，但3次、5次谐波含量较高，其中5次谐波差流达106.87%，故障时也未伴随变压器瓦斯保护告警或动作，初步判断保护动作数据为异常数据。

2 保护动作分析

2.1 故障录波曲线

查看保护动作时故障录波曲线可以发现，此次该所1#、2#B比率差动保护动作时，高压侧B相波形存在畸变，幅值突变形成尖顶波形，故障录波曲线与保护动作故障报文数据吻合。

2.2 保护定值配置

该牵引变电所采用2台单相变压器（40 000 kV·A）组成的V/x接线方式，高压220 kV侧流互变比600，低压27.5 kV侧流互变比为2 500。B相差动速断定值2.42 A、差动电流定值0.24 A，制动拐点一0.3 A，制动拐点二0.91 A。该牵引变电所主变差动保护定值配置具体见表2。

2.3 保护动作逻辑分析

由表1保护动作数据可知，B相差动电流一次值为213.75 A，则二次值为0.356 A（213.75 A/ 600= 0.356 A），B相制动电流一次值为92.01 A，则二次值为0.153 A（92.01 A/600 = 0.153 A）。

对比1#、2#B相比率差动保护差动特性曲线（图1），B相差动电流和制动电流数据落在比率差动保护动作区，可以判断此次比率差动保护动作逻辑正常。

图1 B相比率差动特性曲线

3 现场设备检查分析

为分析此次比率差动保护动作原因，对现场设备进行检测试验。

对1#、2#B进行绕组绝缘电阻、直流电阻、介质损耗、泄漏电流、变压比测试试验，对2台变压器油取样并进行色谱分析及微水测试试验，试验结果均正常。

对1LHA、B、C相电流互感器进行绝缘电阻、介质损耗及特性测试试验，试验数据均符合标准，且与历年数据相比偏差不大。检查流互二次回路电缆及接线均无异常。

对1#、2#B低压侧的T、F相共4台27.5 kV避雷器进行绝缘电阻及泄漏电流试验，试验数据均符合标准，且与历年数据相比偏差不大。

通过现场检查试验，1#、2#B主变差动保护区内涉及的高压侧3台电流互感器、2台变压器、4台避雷器及电缆、母线均未发现异常，相应的流互二次回路电缆及接线无异常，初步判断此次比率差动保护动作并非区内设备故障引起。

4 保护装置检测及原因分析

4.1 电源插件检测分析

该所差动保护装置电源插件输入电压为DC 110 V，经装置内部逆变—整流后输出元器件工作所需的4组（+5 V、±12 V、开出24 V、开入24 V）直流电压。通过示波器对电源插件的4组直流输出电压进行为期1周的持续监测，4组电压一直稳定，未发生电压跌落、波动等异常情况，说明电源插件工作正常且稳定。

4.2 交流采样插件检测分析

4.2.1 采样精度测试

差动保护装置交流插件设有高压侧A、B、C相和低压侧a、b相共5个电流回路。利用继电保护测试仪给交流插件的5个电流回路分别施加电流，共进行了10余次测试试验，均符合“差动保护电流采样的幅值误差不超过2.5%，相角误差不超过0.5%”[3]的标准，各电流通道的采样精度均满足误差要求。

4.2.2 保护动作边界测试

按照该所1#、2#B主变差动保护定值进行整定，利用继电保护测试仪对交流采样插件的保护动作准确性进行测试，进行了10余次测试，每次测试结果均满足“动作电流误差不大于整定值5%”[4]的标准要求。差动保护动作边界自动搜索曲线如图2所示。

图2 比率差动保护动作边界特性曲线

4.2.3 带电运行监测

将该交流采样插件安装于1台正常的样机上通电持续运行，在交流采样插件外部未施加输入电流的工况下，通过示波器对交流插件的二次输出回路进行监测。经过持续1周时间的监测，发现期间出现一次差动保护动作现象，即高压侧B相电流发生了一次突变现象，导致差动保护动作，其他电流通道未见异常。

4.2.4 交流采样插件检测总结分析

通过长达1周的监测检测，发现交流采样插件的采样精度和比率差动动作边界试验均正常，长时间带电运行时出现一次高压侧B相电流突变的情况，波形与3月9日该所1#、2#B主变B相比率差动保护动作时的电流波形类似。由此初步推断交流采样插件的高压侧B相电流传感器存在问题，偶尔会出现电流采集异常，导致差动保护动作跳闸。

4.3 传感器检测分析

该所主变差动保护装置交流采样插件采用的是霍尔电流传感器。对该交流插件B相霍尔电流传感器进行检测后发现，在没有外部电流输入的情况下，霍尔电流传感器会有0.1～0.7 A的电流输出。对传感器内部进行检查，发现运算放大器芯片的IC1管脚端子颜色异常，判断是IC1管脚因运行年限过久（已运行9年）而出现老化导致电流输出异常。更换新的运放芯片后，检测采样正常，同时将原运放芯片安装至1个新的传感器上，新传感器也出现同样的交流采样异常现象。

由此证明，本次差动保护装置误动作的原因为交流采样插件的高压侧B相霍尔电流传感器的运算放大器芯片IC1管脚老化，偶发性出现B相电流采样突变。

5 防范措施

（1）采用新型无源电流互感器。霍尔电流传感器为有源元件，需要外接12 V电源用于产生基准磁场，若外部电源故障或外界强磁场干扰基准磁场，传感器的输出电流会出现突变或抖动等异常情况，导致保护误动作。新型无源电磁式电流互感器为无源器件，可代替霍尔电流传感器，不存在上述干扰问题，提高保护装置交流采样稳定性。

（2）对保护装置进行全面排查。对既有牵引变电所主变差动保护装置交流采样插件进行全面排查，将原采用霍尔电流传感器的交流采样插件更换为新型无源电磁式电流互感器的交流采样插件，防止出现类似保护误动作故障。

（3）强化保护装置的日常试验检修。按规范及标准要求，做好保护装置的试验检修，加强对保护装置采样精度、保护动作逻辑及可靠性进行全面检测试验和分析，发现隐患及时处理，确保保护装置运行稳定、可靠。

（4）推进综合自动化系统更新改造。根据规程规范要求，将高速铁路运行时间长达8年或超过8年[5]的牵引变电所综合自动化系统纳入更新改造计划，并逐步推进， 防止综合自动化系统设备老化出现保护拒动或误动等情况。

6 结语

牵引变电所综合自动化系统保护装置可靠运行与否，直接关系到电气化铁路的运输安全。保护装置内部的元器件也会严重影响装置的运行性能，可能导致事故的发生，应强化产品源头质量控制。日常运行维护中，应着力提升保护装置的运行质量，出现问题深究根源，制定防范措施，加快推进整改，保证保护装置动作正确、稳定、可靠，防止因误动或拒动影响牵引供电系统正常运行，避免给铁路运输安全造成严重干扰。