穿越性故障引起变压器微机差速断保护误动作的原因及措施

龚学长

穿越性故障引起变压器微机

差速断保护误动作的原因及措施

龚学长

摘 要 变压器微机差动保护中，当外部发生近端穿越性故障时，引起差动速断保护误动作。本文由变压器低压侧的短路电流，还原到高压侧各相短路电流值，证明了高压侧电流互感器未进入饱和状态，是差动保护装置的电流变换器进入了饱和，造成差速断误动。

成渝线电气化铁路牵引变电所牵引变压器微机差动保护中，**牵变电所发生变压器低压侧近端穿越性短路故障时，引起保护装置发生差动速断保护误动，保护设备厂方认为是一次电流互感器饱和造成，把责任推给了运行单位。

电流互感器会不会饱和呢？它的饱和电流又是多大呢？差动速断保护为什么会动作呢？由于本案例中，微机差动保护测量到的高压侧电流波形录波已严重畸变。因此本文从短路暂态过程入手，并根据平衡变压器的电流分配原理，将低压侧电流还原至高压侧，分析说明差动速断保护误动的原因及改进措施。

一、电流互感器的饱和电流：

在电流互感器交接试验时，都要对电流互感器进行电磁饱和性试验（伏安特性试验），以确定电流互感器在误差允许的情况下的电流过载倍数。试验接线如图1，图中被试电流互感器的一次侧开路，在二次侧经一调压变压器TB和电流表A向流互的二次侧输入一50HZ交流电流，电流由零逐渐升至5A，并在不同电流下记录电流互感器二次侧的电压。当电流增大而电压基本不变时即为电流互感器的的磁饱和点。表1是宝成线江油牵引变电所110kV和27.5kV电流互感器在交接试验时的伏安特性。

　　电流互感器正常运行，容量为50VA容量时，电流互感器的二次负载阻抗要求小于2Ω，20VA容量的二次负载小于0.8Ω。微机保护装置电流回路的输入阻抗很小,因此电流互感器二次阻抗基本等于二次电缆的阻抗，在设计时阻抗就已经进行了校核，都不会大于上述值。

从表1可以看出，LCWB-110、315/5型电流互感器，当次边输入4.5A电流时，励磁饱和电压为206V；LZBJ-27.5、600/5型电流互感器，次边输入5A电流时，励磁饱和电压为226V；LZBJ-27.5、1500/5型电流互感器，次边输入4A电流时，励磁饱和电压为244V。折算至一次侧，LCWB-110、315/5型电流互感器，一次电流为283.5A时，励磁饱和电压为3.27V；LZBJ-27.5、600/5型电流互感器，一次电流为600A时，励磁饱和电压为1.883V；LZBJ-27.5、1500/5型电流互感器，一次电流为1200A时，励磁饱和电压为0.8133V。

当电流互感器的次边接入额定负载并折算至一次侧时, LCWB-110型电流互感器一次负载电阻为2/(63x63)=0.005039Ω。当一次输入电流6489A时，一次侧电压为3.27V，一次需要励磁电流283.5A，次边电流为（6489-283.5）/63=98.5A，二次电流误差Z为：

Z=98.5/(6489/63)*100-100=-4.36%

即LCWB-110型电流互感器，一次侧的饱和电流是额定电流的20.6倍时。

同理可以得出：LZBJ-27.5、600/5电流互感器的一次侧饱和电流是额定电流的56.49倍，二次电流误差为-1.8%。LZBJ-27.5、1500/5电流互感器的一次侧饱和电流是额定电流的61倍，二次电流误差为-1.42%。

因此电流互感在额定负荷下的的饱和电流都大于其额定电流的20倍，当电流互感器的二次负载小于其额定值时，其饱和电流还要大。

二、短路电流分析：

牵引网的短路电流id为：

　　式中：IZm--短路电流周期分量的幅值，α—短路时的电源相位角，φd —短路时的电流、电压相位角，if0—当t=0时电流的非周期分量值，Tfi —非周期分量电流的时间常数。

在牵引变电所首端短路，牵引变压器阻抗角近似于90°，因此短路电流与电压的相位角φd=90°，当α为零度或180度时，非周期分量if0=IZm，这时短路电流为：

　　当远离发电站短路时，Tfi 为0.05~0.064,取0.05。

**牵引变电所的牵引变压器为阻抗匹配平衡三相变两相变压器，容量为16000kVA，高压侧额定电流为84A，低压侧额定电流为291A，短路电压百分数为10.5%；110kV侧电流互感器变比为100/5；27.5kV侧电流互感器变比为600/5。

图2是**牵引变电所在牵引网发生近端短路时的差动速断动作数据和录波。图2中，变压器低压侧的电流波形正常，高压侧的电流波形已经严重畸变。牵引变压器低压侧记录电流α相为牵引负荷电流，有效值为96A；β相对地短路电流周期分量电流的有效什为1200A(是变压器低压侧额定电流的4.12倍)，幅值IZm为1697A，代入上式计算得出如图3所示的短路电流波形图。

图3所示的理论计算波形与现场录波的α相和β相波形(图2)一至,由于非周期分量的影响,现场录波和理论计算波形Iβ都偏向于负半轴。

图3中，短路电流第一个峰值发生在短路10ms处，峰值为2975A，按峰值换算为有效值为2104A，是变压器低压侧额定电流的7.23倍，是电流互感器额定电流的3.5倍。

图2 **牵引所差动速断动作数据和录波

式中K是变压器高压绕组与低压三角形绕组的变比，K=2.828，当Iα=96，Iβ=2104A时，将变压器低压侧电流还原至高压侧的电流波形如图4。变压器原边最大相电流IC峰值为820A，有效值为580A，是变压器高压侧额定电流的6.9倍，是电流互感器额定电流的5.8倍，

由于**厂微机保护装置高压侧电流互感器二次侧是采用三角形接线的输入方式。三角形接线的输入二次电流还原至一次电流波形如图5。IBC电流峰值为1450A，有效值为1025A，输入微机保护装置的二次电流为51.25A。是微机保护装置的二次侧额定电流的10.25倍。

　　三、差动速断保护误动原因分析：

1、微机保护装置的电流输入变换原理：

由上述分析可以知道，差动速断保护误动的原因不是因为电流互感器饱和造成，而是差动保护装置内部的电流变换器饱和引起。图6是变压器微机差动保护装置的电流输入回路。

　　图6中IK为电流变换器，它将额定电流0~5A的I1变换为毫安级的电流I2，I2经R1后得到与I1成比例的电压。U1为放大器，将R1上电压放大至A/D模数变换器所需要的电压。目前一些厂家已经取消了放大器这一环节，合理的选择IK变比和R1阻值，使R1上电压直接输给A/D模数变换器。

因为IK也是属于一个电流互感器，当电流输入变换器IK的容量太小或二次侧的负荷电阻R1太大时，造成大电流时IK输出电流失真。

图7是浙江大学电气工程学院在对LCLWDG-220型、1200/5做电流互感器不同饱和程度下试验得到的电流互感器二次侧的电流输出波形。由图3的现场录波可以看出，在变压器低压侧β相短路时，高压侧电流互感器二次侧采用三角形接线时，IB（IA-IB）电流最大，峰值1450A（见图5），有效值为1025A，二次电流为51.27A，是微机保护装置的二次侧额定电流的10.25倍。同时由于短路电流中有很大的非周期限分量，使电流偏向于半轴，IK发生严重饱和，因此微机保护装置的录波电流与图7d中的严重饱和波形相同。IC（IC-IA）峰值1000A，有效值为707A，二次电流为35.35A，是微机保护装置的二次侧额定电流的7.5倍。因此微机保护装置的录波电流与图7C中的中等程度的饱和波形相同。IA（IA-IB）电流最小，峰值450A，有效值为318A，二次电流为15.9A，是微机保护装置的二次侧额定电流的3倍，按理不会进入饱和，但是其录波与IC相似，也属于IK电流变换器的中等程度饱和。Iβ相输入电流为微机保护装置的二次侧额定电流的3.5倍，所录波形正常。

图7 不同饱和程度电流互感器电流输出波形

　　（3）差动保护的电流输入回路接入计量用电流互感器：

四、措施

目前微机继电保护装置输入饱和电流有效值要求大于额定电流的20倍（峰值电流为28.28倍）。笔者查看了差动速断误动厂家微机继电保护装置在“国家继电器质量监督中心”的检验报告，所有型号的保护装置均没有做输入电流的饱和性试验。笔者同时查看了成都磁海电气工程有限公司的变配电所综合自动化装置在“电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心”最近三年的测试报告，全部做了输入20倍额定电流，持续时间4秒的装置可靠性试验，在20倍额定电流时的实测误差都小于0.8%（标准为5%）。因此成都磁海电气工程有限公司的变配电所综合自动化装置在成都局、武汉局、昆明局、西安局、济南等局的牵引变电所运行多年，从来没有发生过27.5kV母线近端短路时引起差动速断保护误动作的现象。因此建议用户从以下几个方面查找差动速断动作原因。

（1）装置可靠性试验。用智能化电源对微机保护输入100A（额定电流1A为20A）、50HZ正弦波电流，且持续时间为4秒，装置工作应正常。

（2）测量精度和饱和性试验。输入电流100A，检查装置的测量精度，误差应小于5%，录波波形应无明显失真。

2007．3．26