地铁TA饱和变压器保护研究

摘要：变压器差动保护原理简单，而且实用可靠，被广泛应用于现代城市轨道交通中，作为线路、变压器等元件的主保护。但是，差动保护有误动或拒动的毛病，这是由于出现电流互感器(TA)饱和。本文结合深圳地铁工程实践，对出现电流互感器(ta)饱和引起的变压器保护进行分析探讨，仅供参考！

关键词：变压器；差动保护； 电流互感器；暂态饱和

电流互感器(TA)饱和可分为2类：一类是大容量短路稳态对称电流引起的饱和，另一类是短路电流中含有非周期分量和铁芯存在剩磁而引起的暂态饱和。这2类TA饱和的特性有很大不同，引起的误差差别也很大。一般采用的方法有异步识别法、小波识别法、电流比相法等，但在众多文献中，鲜有关于装置内部TA暂态饱和判别的分析。在此通过对一次牵引变压器外部牵引网异相短路导致的误动作情况进行分析，判断为装置TA暂态饱和引起，并根据实际情况改进了异步法识别外部故障时TA饱和判据。

1变压器差动保护误动作

1.1差动保护误动作介绍

在我国电气化铁路中，直接供电线路常常采用Y/-11接线三相变压器，在变压器次边c相接地，a、b相给2个供电臂(铁路牵引供电系统中常称α相、β相)供电，其中α、β相间采用分相绝缘器隔离。当机车经过分相绝缘器时，必须降弓通过，如果由于各种原因，不能及时降弓，可能导致α、β相近区短路，成为异相短路，如图1所示。异相短路发生时，应由对应的2个馈线断路器(QF3、QF4)跳闸隔离故障。

变压器采用电流纵差保护作为主保护，采用高压侧电流二次谐波闭锁，其中，原边TA接线采用三相“”接，次边采用两相“Y”接，如图2(a)所示，保护采用双折线原理，如图2(b)所示，差动保护的三相制动量和三相差动量分别为

Ida= | IA-Ia |，Ira=| IA+Ia|/2，Idb=| IB-Ib |，Irb=| IB+Ib |/2，Idc=| IC-Ic |，Irc=| IC+Ic|/2

Ia= Iα/kph， Ib= Iβ/kph， Ic=-Iα/kph-Iβ/kph

电气化铁路上易发生异相短路，无时限的变压器差动保护在馈线断路器动作前出口导致越级跳闸，保护显得十分必要。

1.2差动保护误动作分析

牵引网α、β相异相短路为牵引变压器近端a、b两相短路，变压器低压侧承受短路电流最大的是变压器b相，b相波形最有可能发生畸变。因此，反映变压器b相电流Iα=(Ia-Ib)/nL，Iβ=(Ib-Ic)/nL(Ia、Ib、Ic为变压器低压侧线圈电流)，均应发生畸变。故不是变压器低压侧线圈发生畸变，只可能是直接反映Iβ的现场一次TA(以下称一次TA)或装置TA(以下称二次TA)饱和。

进入装置的IA=(IAH-IBH)/nH，IB=(IBH-ICH)/nH，IC=(ICH-IAH)/nH(其中，电流带H下标表示变压器高压侧线圈电流)，如果高压侧B相电流(IBH)波形畸变情况，反映变压器高压侧B相线圈电流的IA、IB均应发生畸变。高压侧一次TA采用“”连接形式，但一次TA直接反映线圈电流，也不会发生畸变(否则进入装置的两相都应该饱和)，输入装置的只有B相电流发生畸变，据此推断是保护装置内部反映电流IB的二次TA饱和导致IB发生畸变。

TA饱和的原因有2种，由图2所示波形图可以看出，故障电流比较小，根本没有达到TA标称的20倍饱和的标准，而波形包含衰减直流分量，初始直流量都在10 A上下，可以判断不是故障稳态电流引起的TA饱和，而是非周期分量引起的TA暂态饱和。在装置采集到的高压侧电流中，大小基本相同的A、B相电流只有B相有畸变，是装置内部二次TA个体差异和当时TA的剩磁状况等因素形成;可以同样认为低压侧β相电流畸变也是同样原因引起。

A、B相差动一般不会动作。在采样点40前后，C相差动电流大于制动电流，三相的2次谐波均不能起到闭锁作用，所以C相发生误动作，并且是由启动边界进入动作区。综上所述，本次变压器差动误动作因装置内部二次TA因非周期分量过大导致发生暂态饱和引起差流增大引起。

2解决方案

如何避免或减少TA饱和引起的问题，很多文献有论及，但是鲜见有关于保护装置内部TA饱和的分析，笔者认为两者饱和情况应基本类似。TA在电流换向后的一段时间内不饱和，在短路开始的1/4周期内也不饱和，当发生外部故障时，差动电流和制动电流的不同步出现特性，制动电流较差动电流至少早1/4周期(即5ms)。对于一次TA暂态饱和，异步法TA暂态饱和判别区内故障或区外故障是比较简单并易实现的一种方法。判据为t≥5ms时， |ΔIr|>Ith1或

|ΔId |

其中， |ΔIr|、|ΔId |分别为各项相制动电流变化量和差动电流变化量，Ith1、Ith2为门槛值，门槛值根据经验数据决定，主要考虑变压器外部故障时的不平衡电流和制动电流。装置内部二次TA饱和判别区内外故障也可以采用类似一次TA饱和判别方法。对于本次故障，采用异步法得到的A、B、C相的ΔId、ΔIr如图3所示。由图可以看到C相的制动变化量引前差动变化量只有约2ms，不能满足判据要求。采用分相判别出现了问题，这是由差动保护的平衡方程引起，分析如下：异相短路有Iα+Iβ=0，则C相差动电流为

Idc=| IC-Ic | =| ICH-IAH+(Iα+Iβ)/kph | = | ICH-IAH |

同理可得，制动电流为

Irc=| IC+Ic| =| ICH-IAH | - |(Iα+Iβ)/kph|= |ICH-IAH|

变压器外部故障差动电流很小，在TA均不饱和的情况下，差动电流将等于制动电流并且基本上接近于零，C相差动、制动电流波形如图4所示。TA饱和时，除了TA饱和引起的电流，差动电流和制动电流都将很小，不能体现出ΔIr引前ΔId出现的情形，判据也就不能识别出来。

由图3(a)(b)可以看到，A、B相受TA饱和影响不大，其制动电流超前差动电流，因此考虑采用三相的|ΔId |、|ΔIr |之和判断。新判据为t≥5ms时，当Σ|ΔIr |>Ith1或Σ|ΔId |

此时的Ith1考虑机车最大电流变化量引起的三相穿越最大制动电流，Ith2要考虑发生穿越故障差动不平衡电流。当新判据满足时，在差动电流和达到Ith2时闭锁差动保护，闭锁时间要考虑非周期分量的可能持续时间，同时要考虑避开馈线断路器电流速断、阻抗Ⅰ段保护时限和馈线断路器动作时间和，一般取60 ms。这里整定Ith1=9.1 A，Ith2=4.5 A。根据这次故障按新判据得到如图5所示电流变化量之和，可以看出，即使C相差动电流超过了启动整定值Idz，也因为差动变化量仍较制动变化量晚出现20多毫秒，从而满足式C相差动电流和制动电流的判据。新判据避免了由于外部TA接线引起的分相异步法失效问题，识别是外部故障后，再判别谐波含量大小，以确定是TA暂态饱和或稳态饱和，从而闭锁差动保护。

3结束语

异相短路可能会因为TA暂态饱和引起牵引变压器差动误动作。非直流分量不仅会引起一次TA暂态饱和，也会引起装置TA暂态饱和，二次TA暂态饱和也应该值得研究。选择装置内部二次TA时，要考虑其暂态饱和性能。分相异步法可以判断区内外TA饱和问题，但是对于某些变压器、二次接线情况，判据可能会失效;综合考虑各相差动电流变化量之和及制动电流变化量之和的异步法能有效地解决分相异步法的失效问题。

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