级联和应涌流对牵引变压器差动保护的影响分析

22：八基金项目：铁道部科技研究开发计划项目（2009007-D）。

牵引变压器的运行状态直接关系整个牵引系统能否安全、稳定的运行。差动保护能很好地识别内部故障与外部故障，但不能可靠地识别励磁涌流和内部故障。差动保护除受励磁涌流的影响外，还受级联和应涌流的影响。随着牵引供电系统容量的增加和供电方式的改变，级联和应涌流对差动保护的影响也越来越显著。二次谐波制动判据已经不能满足牵引变压器保护的要求，现场中误动事故时有发生，极大地影响和危害设备及供电的安全。

目前，国内外对电力变压器和应涌流理论已经有了深入的研究，但对牵引变电所中因备用变压器绝缘或AT变压器空投产生的级联和应涌流引起差动保护误动的报道较少，这主要是由于这两种情况而产生的级联和应涌流造成的误动具有隐蔽性，常被当成普通的误动1而没引起足够的重视。

本文从牵引变压器励磁电压变化导致励磁电流变化的角度分析运行变压器的级联和应涌流的发生及发展过程，进一步分析级联和应涌流以及发生级联和应涌流时电流互感器饱和与否对牵引变压器差动保护误动的影响，并通过动模。图中：T1和T2为变压器，其中T1处于运行状态，T2处于备用状态；T1和T2分别由电源Source1和Source2供电；T1副边的a相与T2副边的a相均连接在母线1上，T1和T2的p相则连接在母线2上，以提高供电的可靠性；S1，S2，S3和S4为断路器。由可知，由于不同的变压器采用不同的供电电源，系统发生级联和应涌流的可能性较小；而当变压器副边的a相和卩相分别连接在相同的母线上，则发生级联和应涌流的可能性比较大。备用变压器T2的高低压侧都与线路断开时，若其S2断路器真空泡绝缘性能不好，存在放电现象，就相当于在S2侧空投，V/V牵引变电所电气连接图则低压侧会产生励磁涌流，该励磁涌流穿越了1时，会在了1的原边侧产生级联和应涌流。在AT供电模式下，若S4合闸为AT所空充，则同样会在了1侧产生级联和应涌流。

为了研究级联和应涌流的产生机理并验证级联和应涌流对牵引变压器差动保护的影响，在清华大学电力系统国家重点结构构建了。图中：Us为单相电源；T1和T2为2个相级联的单相牵引变压器；Rs为电源系统的等效电阻；化和以分别为T1原边和副边绕组的等效电阻；化和分别为T2原边和副边绕组的等效电阻；S为合闸开关。

为了研究2台单相变压器的级联和应涌流问题，根据所示电气结构进行了级联和应涌流；为T2空投时T1原边侧的电压波形图。由和可知：未合闸时T1的原边侧没有励磁涌流流过，故可以忽略电源系统等效电阻Rs上的电压降落，T1的励磁电压基本稳定；合闸后，T2的副边侧被施加励磁电压，在T2的合闸侧产生励磁涌流（见）。T2的励磁电流穿越T1时，T1的原边侧会产生1个较大的电流ZT1，使Rs中产生较大的压降，导致T1原边侧的电压出现和励磁涌流方向相同的电压降落；随着励磁电流的衰减，励磁电压也逐渐减小。

在0.48s时开始出现级联和应涌流zd，且方向与相反，这主要由于T1单向偏置，而使变压器的磁链向与励磁涌流相反的方向偏置。当反向磁链积累达到饱和时，在中出现级联和应涌流；级联和应涌流的出现时间比合闸时刻以及励磁电压畸变的时刻要晚得多，这是由于从合闸到T1磁链饱和需要时间。随着负向磁链的积累，导致T1饱和的程度加深，级联和应涌流也不断增大；当磁链的积累达到零时，级联和应涌流幅值达到大，随后，级联和应涌流幅值减小。

3级联和应涌流对牵引变压器差动保护的影响级联和应涌流与励磁涌流有近似的波形特点，两者的波形均偏于时间轴一侧，含有直流分量，且二次谐波分量较大，如所示。因此，仅利用二次谐波分量制动判据即可识别出级联和应涌流。

处于运行状态的牵引变压器副边侧有变压器合闸操作时，则在该副边侧会有励磁涌流产生。励磁涌流中含有大量的直流分量，而直流分量易导致处于运行状态的变压器副边侧的电流互感器饱和。当该励磁涌流穿越运行变压器时在系统电阻上产生压降，使运行状态变压器的原边侧励磁电压发生偏移，同时产生富含直流分量的级联和应涌流，导致该原边侧的电流互感器饱和。电流互感器饱和与级联和应涌流的共同作用可能会形成正弦性较好的差流。该差流的综合谐波分量（二次谐波和三次谐波）很低，容易造成差动保护的误动。由此可推断：级联和应涌流的直流分量才是牵引变压器差动保护误动的主要原因。

为了验证上述分析的正确性，本文根据所示电气连接结构图进行了V/V接线牵引变压器级联和应涌流的。

其中，为发生T1空载、S2合闸时运行变压器高压侧的三相电流波形；为发生T1空载、S2合闸时a相及卩相的相电流波形；和分别为电流互感器不饱和和饱和时的各相差流波形；和0分别为电流互感器不饱和和饱和时各相电流互感器不饱和时差流波形（a）A相差流（c）C相差流差流中谐波分量及差流中的基波分量。

由可知：在S2合闸后经过一段时间，T1出现级联和应涌流，其中相B和C相在产生级联和应涌流之前及发生级联和应涌流时电流互感器均饱和。由可知：由于合闸侧励磁涌流中直流分量较大，电流互感器饱和。由可知：若电流互感器不饱和，只有在出现级联和应涌流时，才会出现明显的差流。由可知：在考虑电流互感器饱和情况下，级联和应涌流产生之前，B相和C相的差流也较大，这是因为合闸侧励磁涌流中的直流分量比较大，导致合闸侧的电流互感器饱和，同时使励磁涌流穿越T1时产生的电流流经T1原边侧电流互感器时该电流互感器也容易饱和，进一步导致差流变大。由可知：在发生级联和应涌流时，电流互感器饱和与级联和应涌流共同导致差流的正弦性较好（中C相的差流）；在电流互感器不饱和的情况下，差流为和应涌流。因此仅依靠综合谐波分量配合差动保护即可识别出级联和应涌流的发生，闭锁差动保护。由0可知：若电流互感器饱和时，差流的正弦性较好，C相在1.457s时的综合谐波分量会低于门槛值015，此时该相基波动作量足够大，综合谐波分量不能够闭锁差动保护，会造成差动保护的误动。

由上述分析可知：虽然运行牵引变压器T1没有故障，但相邻的T2因绝缘不好或空投时，会在T1原边侧产生级联和应涌流。该级联和应涌流在T1没有故障的情况下造成了保护的误动，该误动具有隐蔽性；级联和应涌流中的直流分量是差动保护误动的主要原因。

通过对以上的动模实验分析，针对级联和应涌流问题在牵引变压器继电保护中应注意的问题有：级联和应涌流的识别判据不能仅依靠谐波闭锁判据。因为若电流互感器饱和且与级联和应涌流共同导致差流的正弦对称性较强，综合谐波分量较低，则容易引起误动。

牵引变压器的保护中应增加电流互感器饱和的识别，或使用不容易饱和的电流互感器，如TPY级电流互感器。以减少电流互感器饱和对差动保护的影响。

应尽量避免或减少级联和应涌流产生的操作，如经常对开关进行检测；并采用一定的抑制起始涌流的措施，如在设计变压器时，考虑从变压器结构的角度抑制励磁涌流的大小。

4结语牵引变压器空载合闸会引起相邻运行状态的变压器的励磁电压变化，导致级联和应涌流的发生。级联和应涌流的出现时间与电压的畸变时间存在较大的时间差。

级联和应涌流中的直流分量引起电流互感器的饱和，这是牵引变压器差动保护误动的主要原因。因此仅依靠谐波制动的方法，无法准确地识别级联和应涌流，会造成牵引变压器差动保护误动。

为了降低级联和应涌流对差动保护的影响，应增加电流互感器饱和识别判据。