AT所差动电流保护整定方法

李文起

石太客运专线电气化铁道牵引供电系统采用AT供电模式，其中AT所差动电流保护是一种新型保护。自2009年4月正式投入运行以来，在没有发生短路故障的情况下，曾经多次发生AT所差动电流保护装置误动作现象。经现场检查和测试证明，所有一次设备、二次设备、设备接线和电流互感器极性均正常。差动电流保护装置动作时，外部电流大于其差动电流整定值，说明差动电流保护装置应该动作。但是继电保护整定原则要求，在无短路故障的情况下，差动电流保护装置不能动作，因此说明差动电流保护整定值可能存在问题，下面进行详细分析。

1 AT所差动电流保护的基本原理

从AT所主接线示意图（图1）和AT差动电流保护二次接线图（图 2）可以看出，AT差动电流保护有2种检测差电流的模式：一是检测T线、F线上的电流差，即电流互感器LHT1与LHF1（LHT2与 LHF2）二次线圈同极性并联，在有电流通过时产生的电流差；二是检测上下行的电流差，即电流互感器“LHT1与LHF1的电流差”与“LHT2与LHF2的电流差”之差形成的差电流。

图1 AT所主接线示意图

上述T线、F线上的电流差是在综合自动化系统（简称综自系统）外部，通过 LHT与 LHF电流互感器二次线圈并联形成。然后将上下行各自的电流差输入到综自系统内部，通过它的分析计算形成最后差电流，并将此差电流与保护整定值自动比较，判断出差电流保护装置是否动作，若差电流超过标准电流整定值，则差电流保护装置即可动作跳闸。

2 AT供电电流的种类及强度

2.1 电流的种类

T线、F线上存在的电流有4种：一是在AT空载投入时的励磁涌流；二是在机车运行时的负荷电流（包括机车启动时的电流）；三是线路短路电流（T线、F线间短路；T线对地间短路；F线对地间短路）；四是AT所内短路电流（T线、F线间短路；T线对地间短路；F线对地间短路）。前 2种情况时差电流保护装置不应该动作；第3种情况差电流保护装置可以动作或不动作；第4种情况差电流保护装置应该动作。

由于T线、F线间短路时，对AT变压器没有太大的影响，所以AT差电流保护对T线、F线间短路可以不起作用。

2.2 形成电流差的强度

2.2.1 励磁涌流形成的电流差

AT空载投入时，励磁涌流为自耦变压器 AT额定电流Ie的5～10（取8）倍，但通过T线、F线LH的电流大小为I/2，方向相同（见图3点划线），流入电流互感器同名端的电流方向相反，输入到综自系统的二次电流基本相互抵消，仅有一个电流互感器 LHT与 LHF不平衡差电流。一般不平衡系数取0.1，即差电流约等于0.1×8Ie。

2.2.2 机车运行时的电流差

从图3看出，通过自耦变压器AT1的负荷电流（I1=I2=I/ 2）大小相等，方向相反，流入电流互感器LHT1、LHF1同名端的电流方向相同，输入到综自系统的二次电流为I1、I2之和，即电流差为I1+I2= 2×I/2 =I。

在机车启动时的不平衡电流与上述相同，亦为I。

2.2.3 线路短路电流

（1）T线对地间短路时，其短路电流为Idt，若上下行联络隔离开关GK（见图1）处于断开状态，反映到综自系统的二次电流等于电流互感器LHT与LHF的电流之和，即I1+I2=Idt。若隔离开关GK处于闭合状态，短路电流为Idt，反映到综自系统的二次电流等于电流互感器“LHT1与LHF1的电流之和”与“LHT2与LHF2的电流之和”之差。其电流值为0.1Idt。

（2）同理，F线对地间短路时，反映到综自系统的二次电流与上述相同，等于IdF或0.1IdF。

（3）T线对F线间短路时，其短路电流为Idtf，若上下行联络隔离开关GK处于断开状态，反映到综自系统的二次电流等于电流互感器LHT与LHF的电流之差，其电流值为0.1Idtf。若隔离开关GK处于闭合状态，短路电流为Idt，反映到综自系统的二次电流等于电流互感器“LHT1与LHF1的电流差”与“LHT2与LHF2的电流差”之差。其电流值为0.01Idtf。

2.2.4 AT所内短路电流

（1）T线对地间短路时，其短路电流为Idt，若上下行联络隔离开关GK处于断开状态，反映到综自系统的二次电流等于电流互感器LHT与LHF的电流之和，即I1+I2=Idt。若隔离开关GK处于闭合状态，短路电流为Idt，反映到综自系统的二次电流等于电流互感器“LHT1与LHF1的电流之和”加上“LHT2与LHF2的电流之和”。其电流值为Idt。

图2 AT差动电流保护装置二次接线图

图3 AT供电电流分布示意图

（2）同理，F线对地间短路时，反映到综自系统的二次电流与上述相同，等于IdF。

（3）T线对F线间短路时，其短路电流为Idtf，若上下行联络隔离开关GK处于断开状态，反映到综自系统的二次电流等于电流互感器 LHT与 LHF的电流之差，其电流值为 0.1Idtf。若隔离开关 GK处于闭合状态，短路电流为Idt，反映到综自系统的二次电流等于电流互感器“LHT1与LHF1的电流差”与“LHT2与LHF2的电流差”之和。其电流值亦为0.1Idtf。

3 AT差动电流保护的整定与分析

3.1 目前AT差动电流保护的整定方法及影响

现在 AT差动电流保护的整定值，按 AT所27.5 kV母线最大短路电流Id乘以电流互感器不平衡系数0.1整定。其整定公式为Kk×Id×0.1（式中Kk为可靠系数、取1.25），该整定方法在实际运行中存在如下不适宜的地方：

（1）其整定值太小。由于AT所最大短路电流Id约为6 000 A（最小短路电流约为3 000 A），其整定值仅为1.25×6 000×0.1 = 750 A，小于AT所馈线最大负荷电流1 200 A（机车启动电流800 A），因此，在正常负荷时差动电流保护装置会误动。

（2）上下行综合电流的影响。由于目前 AT所上下行联络隔离开关GK处于断开状态，在上下行分别送电时，上（下）行机车运行电流与下（上）行AT变压器的最大励磁涌流形成累加电流，其电流值更大，更容易引起差动电流保护装置误动作。据不完全统计，仅运行一个月，在上（下）行机车运行，下（上）行送电时发生差动电流保护装置误动12次。

（3）按最大短路电流整定不合理。从整定公式可以看出，整定值所用的短路电流应该是T线、F线间的短路电流（因乘以0.1的不平衡系数），经计算该短路电流较小（在3 000 A左右），而公式中用的是T线对地的短路电流，故以上整定公式无实质意义。

3.2 AT差动电流保护的整定原则

根据现场实际需要，经详细分析认为AT差动电流保护的整定原则应该符合如下几点基本要求：（1）AT所内部设备（AT变压器及其他设备）发生短路故障时，差动电流保护装置必须动作。（2）线路发生短路故障时，差动电流保护装置可以动作或不动作。（3）能躲过AT变压器空载投入时的最大励磁涌流。（4）能躲过机车运行时的最大负荷电流（包括机车启动时的电流）。（5）在上下行联络隔离开关GK断开时，还应考虑上（下）行AT变压器的最大励磁涌流和下（上）行最大负荷电流的综合影响。由于目前AT供电运行方式为上下独立供电，AT所、分区亭开环运行方式，所以必须采取该整定原则。

3.3 AT差动电流保护的整定值

3.3.1 考虑励磁涌流的影响

从第2.2.1条可以看出，最大励磁涌流对差电流的影响取0.1×8Ie。为使在最大励磁涌流时差电流保护装置可靠不动作，加入可靠系数K1，一般K1取1.3。即差电流公式将为Id1＝K1×0.1×8Ie。

3.3.2 考虑最大负荷电流的影响

从第2.2.2条可以看出，输入到综自系统的负荷电流二次值为If，最大负荷电流为Ifmax，加入可靠系数K2，一般K2取1.3。即差电流公式将为Id2=K2×Ifmax。

若机车启动电流大于最大负荷电流，则公式中电流取用机车启动电流。

3.3.3 考虑综合因素的影响

考虑励磁涌流和最大负荷电流同时影响时，其差电流公式为上述2个公式之和：即

3.4 AT差动电流保护可靠性分析

根据AT差动电流保护的整定原则，校对按式（1）整定时保护动作的可靠性。

（1）由于式（1）按励磁涌流和最大负荷电流同时影响整定的，所以在励磁涌流和最大负荷电流存在时，差动电流保护装置不会误动作。

（2）外部线路短路时，由于式（1）整定值远大于 T线、F线间短路时的差电流值（0.1Idtf或0.01Idtf），所以 T线、F线间短路时，差动电流保护装置不会动作。由于式（1）整定值远小于T（F）线对地间短路时的短路差电流Idt。所以T（F）线对地间短路时，差动电流保护装置会动作。

（3）AT所内短路时，由于式（1）整定值远大于T线、F线间短路时的差电流值为0.1Idtf，所以T线、F线间短路时，差动电流保护装置不会动作。由于式（1）整定值远小于T（F）线对地间短路时的短路差电流Idt。所以T（F）线对地间短路时，差动电流保护装置会动作。

根据上述公式对AT所差动电流保护整定值进行了计算，2009年5月对所有AT所、分区亭差动电流保护按式（1）进行了整定，改变整定值后，AT所再没有发生差动电流保护装置误动现象。

4 建议与措施

从上面分析可以看出，在现有接线的情况下，采用改变差动电流保护整定值的方法，只能防止其误动，不能完善保护功能。在AT所内T线、F线间短路时，差动电流保护装置也不会动作。这就达不到现场要求，因此提出如下建议。

4.1 改变差动电流保护装置接线方式

将差动电流保护装置的接线方式改成如图4所示的形式。

图4 AT所差动保护装置二次接线示意图

差动保护的差电流由综自系统内部软件自动计算得出，并形成2种独立的差电流，即T线、F线间的差电流和上下行间的差电流，2种差电流自动比较，输出其电流大的值。其差电流的形成原则：一是通过电流互感器LHT1与LHF1（LHT2与LHF2）的电流之差形成差电流，与上述相同，不赘述；二是由LHT1与LHT2、LHF1与LHF2的电流分别形成差电流，再进行绝对值相加后输出。当外部线路发生任何形式的短路故障时，通过LHT1与LHT2、LHF1与LHF2的电流分别形成的差电流之和小于或等于0.1Id，此值小于整定值，差电流保护装置不会动作。当AT所内发生任何形式的短路故障时，通过LHT1与LHT2、LHF1与LHF2的电流分别形成的差电流之和等于短路电流Id，此值远远大于整定值，差电流保护装置会动作。

将差电流保护装置的功能综合得：（1）T（F）线对地间短路时，无论在AT所内外，差动电流保护装置都会动作。（2）在AT所内T线、F线间短路时，差动电流保护装置会动作；在线路上T线、F线间短路时差动电流保护装置不会动作。（3）在励磁涌流和负荷电流累加的情况下，差动电流保护装置不会发生误动作。

4.2 增加继电保护功能

目前在AT所、分区亭仅设有2种保护，一种是AT变压器差动电流保护；另一种是馈线失压保护。上述2种保护目前无法满足现场运行的需要，容易发生误动和拒动。因此提出如下建议：（1）增加电流速断和过电流保护。（2）增加阻抗三段保护和电流增量保护。

增加上述保护后，在差动电流保护装置接线不变动的情况下，仍能完成在各种短路情况下AT所、分区亭正常跳闸，缩小故障范围。

AT所、分区亭差动电流保护是目前使用的一种新型保护，对自耦变压器及AT所内的设备具有一定的保护作用。目前此种保护的整定原则、整定方法还不十分完善，有待于进一步论证和探讨。上面介绍的整定原则、整定方法是根据现场实际运行情况和分析得出的，解决了AT所差动电流保护误动作问题，适应于石太客运专线现场运行情况，也可供其他AT供电的电气化铁道差动电流保护整定时参考和借鉴。

[1]曹建猷.供电系统[M].北京：中国铁道出版社，1993：162-171.

[2]谭秀炳.交流电气化铁道供电系统[M].成都：西南交通大学出版社，2007：239-256.