模拟短路试验核对变电所保护极性的方法探讨

李卫民

0 引言

在牵引供电系统中，馈线侧T、F 电压端子相别、极性错误会造成距离保护拒动或影响故测准确性，母线a、b 相别错误造成低压侧断路器拒动、高压侧断路器越级跳闸扩大停电范围，或高压侧A、B、C 电流相别错误造成主变差动保护拒动或误动。本文提出一种新型的试验方法，应用于交接试验中校验极性，简单、实用、方便快捷。

1 案例分析

1.1 电压极性错误使距离保护拒动

1.1.1 距离保护逻辑判据

距离保护是馈线保护的主保护[1]。变电所馈线保护装置的既有距离保护均不设置正反向，因此电压端子的极性必须完全正确，保证阻抗角测量正确，使故障点落在保护动作范围内，距离保护才能正确动作。距离保护动作特性如图1 所示。

图1 距离保护动作特性示意图

1.1.2 案例

2022 年9 月侯北变电所直供线路发生跳闸，跳闸数据：电流速断动作，故障距离4.79 km，线路阻抗角235.6，电阻-1.81 Ω，电抗-2.78 Ω，馈线电压12.84 kV，馈线电流4 082.51 A。

查阅保护定值发现，距离保护的压板和配置均为投入状态。由于故障时刻电阻、电抗值均为负值，如图1（b）“×”处，故障点落在平行四边形之外，导致距离保护未启动。经校线最终确认，该直供线路对应的变电所27.5 kV 母线电压互感器一次设备本体接线盒中，极性端与非极性端反接。若采用传统的在室内端子排用继保仪升流校验的方法，无法核查此类故障。

1.2 主变二次a、b 相别错误引发越级跳闸

1.2.1 低压过流保护逻辑判据

高压侧：低压过流保护逻辑判据如图2 所示。

图2 低压过流保护逻辑判据（高压侧）

图中：IA、IB、IC为高压侧三相电流；50HAC、50HBC、50HCC 分别为高压侧过流A、B、C 三相过流定值；Uα、Uβ、Uαβ分别为低压侧α 相电压、β 相电压、αβ 相间电压；27LV 为低压侧低压定值。可以看出，高压侧三相电流任一相超过电流定值，α、β 相任一相电压低于电压闭锁定值，将跳开主变高低压侧三台断路器。

低压侧：低压过流保护逻辑判据如图3 所示。

图3 低压过流保护逻辑判据（低压侧）

图中：Iα、Iβ为主变低压侧α 相、β 相电流；Uα、Uβ为主变低压侧α 相、β 相电压；50LAC、50LBC、27LV 分别为α 相过流定值、β 相过流定值、低压侧低压定值。当α、β 某相发生故障电流大于定值，对应相的电压低于低压闭锁定值时，将跳开对应相断路器。

1.2.2 案例

2022 年11 月洪洞西变电所27.5 kV 母线接引的所用变压器故障，引线单相接地，主变高压侧过流保护越级跳闸，全所停电。跳闸数据如下（二次值）：IA= 2.63 A，IB= 2.63 A，IC= 0 A，Iα= 7.36 A，Iβ= 0.01 A，Uα= 105.30 V，Uβ= 14.54 V。故障电流存在的α 相，其电压高达105 V，低压闭锁导致低压侧过流保护未启动，越级至主变高压侧过流保护动作，全所停电，扩大了停电范围。

上述问题非偶然，有些甚至是自开通运行就已存在，且这些故障影响较大，常规的试验方法难以发现，需要一种简单又行之有效的方法找出此类问题原因。

1.3 a、b（M、T）相别错误引发差动保护误动

2022 年翼城变电所全所二次电缆更新改造后，主变投运前需进行差动保护试验，在室内端子排侧用继保仪升流校验，均显示无异常。但是在室外高压场地采用短路试验的方法检验回路时，装置显示差动电流较大，具体数据：差动电流IDA= 0.26 A，IDB= 0.27 A，IDC= 0.52 A；制动电流IRA= 0.22 A，IRB= 0.23A，IRC= 0。

很明显，高低压侧处于不平衡状态，二次回路接线存在问题。若盲目投运主变，会出现差动保护动作、全所停电的风险。

2 模拟短路试验方法

2022 年侯月线沁水、翼城变电所二次电缆更新改造，通过与相关厂家交流沟通，采用一种新型的试验方法，对二次回路进行校验。

2.1 翼城变电所基础数据

翼城变电所主变为斯科特变压器，高压侧为A、B、C 三相，低压侧分为T、M 两座，M 座引出T、F 线，M 座流互引出电流为IMT、IMF，在室外端子箱通过接线方式作矢量差，即，引出Iβ，T 座同理。主变差动保护装置为天津凯发KF6530电铁变压器差动保护装置。

2.2 差动保护试验检验保护动作情况

2.2.1 试验原理

SCOTT 接线变压器差动保护接线如图4 所示。

图4 SCOTT 接线变压器差动保护接线

变压器两侧电流平衡关系（CT 二次侧、高压侧星接，高压侧CT 变比必须一致）为

差动电流方程：

制动电流方程：

2.2.2 第1 次试验

试验接线如图5 所示。在A、B、C 三相处施加380 V 交流电。

图5 试验接线

在D1 处加挂接地封线，若电流达到定值，差动保护应动作，可以成倍缩小保护定值或观察保护各项数据是否符合逻辑。验证差动保护时，未修改保护定值，由于所加电压较小，所以电流未达到差动保护定值，通过观察各相的数值与角度，判定接线是否正确。试验数据如下。

一次侧保护值：主变高压侧IA= 20.9 A，IB=20.65 A，IC= 20 A；主变低压侧I1= 0，I2= 0。

二次侧保护值：IA= 0.26∠0A，IB= 0.26∠120A，IC= 0.26∠240A，I1= 0，I2= 0。

差动电流：IDA= 0.26 A，IDB= 0.27 A，IDC= 0.26 A。

制动电流：IRA= 0.11 A，IRB= 0.12 A，IRC= 0.12 A。

由于主变低压侧流互被短路，所以低压侧流互测得电流数值为0。差动电流、制动电流数值也与计算值相等，表明主变高压侧至主变低压侧流互之前的一、二次接线没有问题。

2.2.3 第2 次试验

试验接线如图6 所示。在A、B、C 三相处施加380 V 交流电。在D2 处加挂接地封线，差动保护不应动作，观察保护各项数据是否符合逻辑。试验数据如下。

图6 试验接线

一次侧保护值：主变高压侧IA= 20.9 A，IB=20.65 A，IC= 20 A；主变低压侧I1= 44 A（T 座），I2= 43.9 A（M 座）。

二次侧保护值：IA= 0.26∠0A，IB= 0.26∠120A，IC= 0.26∠240A，I1= 0.17∠330A（T座），I2= 0.17∠60A（M 座）。

差动电流：IDA= 0.26 A，IDB= 0.27 A，IDC= 0.52 A。

制动电流：IRA= 0.22 A，IRB= 0.23 A，IRC= 0。

装置显示的各相差动电流和制动电流明显不符合平衡关系。短路试验时，制动电流不可能为0，因主变低压侧在流互外侧被短封，所以主变高低压侧一定平衡，差动电流应为0。

二次侧保护值如图7 所示。

图7 二次侧保护值相量

按照上述差动电流矩阵计算式，有

而装置显示IDC= 0.52 A = 2IC，判断I2反向，I2应为240，如图8 所示。

图8 更改后二次侧保护值相量

调整I2电流端子极性后，即倒接端子排I2与N，试验数据如下。

二次侧保护值：IA= 0.26∠0A，IB= 0.25∠120A，IC= 0.25∠240A，I1= 0.18∠330A，I2=0.17∠240A（M 座）。

差动电流：IDA=IDB=IDC= 0.01 A。

制动电流：IRA=IRB=IRC= 0.26 A。

此时差动电流接近0，制动电流等于主变高压侧电流，符合平衡关系。

至此，主变差动保护回路校验正确。

2.3 低压过流保护试验

2.3.1 第1 次试验

同样在D3 处做短封（图9），验证Ut＜Um（被短路相电压被拉低），电流互感器测得的数值符合，即可证明互感器相别、极性正确。

图9 试验接线

为验证主变高、低压侧低压过流保护，进行主变后备保护装置试验，试验数据：IA= 0.26 A，IB=0.25 A，IC= 0，It= 0.17 A，Ut= 0.11 V，Im= 0，Um= 0.35 V。

为验证馈线低压过流保护装置，进行馈线保护装置试验，试验数据：U= 0.11 V，I= 0.18 A（低压过流保护无方向性，数据无符号）。

至此，T 座低压过流保护相关的高、低压侧电压、电流一一对应。

2.3.2 第2 次试验

在D4 处做短封（图10），验证另一条馈线和M 座的保护接线。

图10 试验接线

试验数据：IA= 0，IB= 0.25 A，IC= 0.26 A，It= 0，Ut= 0.35 V，Im= 0.17 A，Um= 0.11 V。

至此，M 座低压过流保护相关的高、低压侧电压、电流一一对应。

2.4 馈线距离保护试验

因天窗作业，不能在馈线外侧挂接地线，只能在所内进行，测试出的阻抗角等无参考意义，因此仅对电压电流的对应关系，以及T、F 电流的极性进行检验。

按图9 所示方法，在馈线流互外侧D3 处做短封，距离保护应动作。同时，验证电压与电流的对应关系，校验It、If的极性。试验数据：U= 0.11 V，I= 0.18 A，φ= 348，R= 0.60 Ω，X= -0.13 Ω。

D4 处试验同理。

3 试验注意事项

（1）做好所有安全措施。

（2）受牵引变电所场地、电缆长度等因素的限制，在高压场地主变侧找到主变通风电源（此处注意试验过程中有可能顶跳上级交流电源），测量确认线电压为380 V。使用长大电缆接引，将接地线杆分别挂在主变高压侧A、B、C 进线处。

（3）为完全模拟变电所正常运行状态，使用核相仪，确保加入的三相交流电与高压侧进线三相电相序一致。为减少试验中的变量因素，在高压侧进线电压互感器室外端子箱处进行核相。

4 结论

（1）本文所述短路试验方法对各种接线方式的主变压器均适合。

（2）高铁变电所因流互变比较大，二次电流较小，会存在测试数据漂移现象。

（3）若采用传统的在一次侧升流的试验方法，只能校对电流在数值上的错误，无法模拟真实运行时的状态，无法发现各相角度间的关系。若采用继电保护仪在二次侧加流的试验方法，也无法模拟电压、电流在互感器、变压器高低压侧的变换关系，存在试验盲区，无法全面排查问题。当进行短路试验时，在进线侧加入互差120的三相电，同步记录各主变保护装置、馈线保护装置上显示的各相电流、电压采集数值，便可核对各模拟量正确与否。