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摘 要：牵引变压器在牵引供电系统中具有十分重要的作用，一旦发生故障，其影响范围较大，因此必须对牵引变压器设置性能完善的保护装置。差动保护作为牵引变压器主保护之一，其构成和整定计算是十分重要的。
关键词：牵引变压器;比率差动保护;二次谐波闭锁;差动速断保护
牵引变压器在牵引供电系统中具有十分重要的作用，一旦发生故障，其影响范围较大，因此必须对牵引变压器设置性能完善的保护装置。牵引变压器应配置差动保护作为其主保护之一。差动保护主要用来保护牵引变压器内部、套管以及引出线上的相间短路，同时也可以保护绕组单相层间短路和接地短路。差动保护为瞬时动作，动作后牵引变压器各侧断路器均跳闸，牵引变压器退出运行。
牵引变压器差动保护一般由二次谐波闭锁的比率差动保护和差动速断保护两个元件组成，其动作特性如图1所示。
图1 变压器差动保护的动作特性
一、二次谐波闭锁的比率差动保护
（一）比率差动保护
由于电流互感器的误差、变压器的接线方式及励磁涌流等因素的影响，在正常运行及外部故障时流入到差动继电器中的电流并不为零，而是有一定的电流，这个电流叫做不平衡电流。由电流互感器传变产生的不平衡电流与变压器外部故障时的穿越性电流有关。在变压器区外短路时，穿越性短路电流越大，不平衡电流也就越大。如果按照躲过最大外部故障时的不平衡电流来整定动作电流，将会使差动保护的灵敏度降低。因此，在差动继电器中引入一个能反应变压器穿越性短路电流大小的制动电流，差动保护动作电流的大小根据制动电流的大小自动调整，令其动作电流总大于区外短路故障时的稳态不平衡电流，从而提高了差动保护的灵敏度，这种差动保护称为比率差动保护。
比率差动保护的制动特性由三个线段组成，见图1。第一段为水平线，用来躲过变压器正常运行时的不平衡电流。当不平衡电流很小时，无制动作用，将大大提高保护的灵敏性。第二段AB为斜线，用来躲过电流互感器未饱和时的不平衡电流，其反方向延长线通过原点。第三段斜线BC，用来躲过电流互感器饱和产生的不平衡电流。
对于双绕组变压器，三段折线式比率差动保护的制动特性可用下述动作方程或算法实现。
（1）
式（1）中，表示比率差动保护的最小动作电流，由变压器正常运行时的不平衡电流决定。
（1）
式中—可靠系数，取1.3;
—由于电流互感器计算变比和实际变比不一致引起的相对误差，单相变压按式计算，Yd11接线三相变压器按式计算;当采用中间变流器进行补偿时，取补偿后剩余的相对误差;
—由于变压器分接头改变引起的相对误差，一般可取调压范围的一半;
—电流互感器的同型系数， 同型时取为0.5， 不同型时取1。
—变压器正常运行时计算侧的最大负荷电流。
由于牵引负荷的特点，牵引变压器经常处于短时过负荷运行状态。牵引供电操作规程规定，当牵引供电负荷达到3倍额定电流时，牵引变压器还应继续运行2min，所以牵引变压器的一般较大。
、表示制动系数，的整定计算必须考虑不平衡电流的影响和差动保护对流出电流的要求;而对于的整定要保证差动保护在外部故障电流很大且含有大量非周期分量的情况下不误动。在实际应用中一般由运行经验来确定，因为这些参数的精确计算往往比较困难。通常取0.3～0.5，可以整定的较大，一般取0.5～0.7。
、表示制动电流整定值。对于，可按照正比例函数求得，即
（2）
是B点的横坐标，需要满足
（3）
（二）二次谐波闭锁
当变压器空载投入或外部短路故障切除后电压恢复过程中，励磁电流很大，电流可达到额定电流的6～8倍，即励磁涌流。励磁涌流数值可能很大，所以差动保护在励磁涌流的冲击下可能误动作，必须采取措施加以克服。在模拟式差动保护中广泛应用的是采用具有速饱和变流器或带短路线圈的速饱和变流器的差动继电器来构成差动保护。采用此种方法的差动保护动作电流大、灵敏度低，并且在变压器内部故障时，会延缓保护的动作，已逐渐被淘汰。微机式差动保护中，差动继电器可以采用更丰富的手段来鉴别励磁涌流，目前，我国铁路供电系统广泛采用的是二次谐波闭锁方法。
二次谐波闭锁方法是根据励磁涌流中含有大量二次谐波分量而内部故障电流中二次谐波含量很低的特点，当检测到差动电流中二次谐波含量大于整定值时就将差动继电器闭锁，以防止励磁涌流引起的误动。
如果采取二次谐波闭锁原理，该比率差动保护又称为二次谐波闭锁的比率差动保护。
二、 差动速断保护
在某些情况下二次谐波闭锁会导致差动保护延时动作。当保护范围内部发生短路故障时，暂态短路电流中也可能存在二次谐波;电流互感器铁屑饱和时也会在二次电流中产生二次谐波分量。如果二次谐波含量超过二次谐波制动系数整定值，则二次谐波闭锁的具有比率制动特性的差动保护也将被闭锁，一直等到暂态短路电流衰竭（变化）到一定程度后差动保护才能动作，这就相对地延迟了动作时间，减慢了动作速度。为了在变压器发生严重故障时差动保护能迅速动作，往往增加一个不需要考虑励磁涌流影响的差动速断保护元件，其动作判据为
（4）
式中—差动速断保护的动作电流，按躲过变压器的最大励磁涌流来整定，即
（5）
式中可靠系数取1.2～1.4，最大励磁涌流一般按变压器额定电流的8-10倍估算。
关键词：牵引变压器;比率差动保护;二次谐波闭锁;差动速断保护
牵引变压器在牵引供电系统中具有十分重要的作用，一旦发生故障，其影响范围较大，因此必须对牵引变压器设置性能完善的保护装置。牵引变压器应配置差动保护作为其主保护之一。差动保护主要用来保护牵引变压器内部、套管以及引出线上的相间短路，同时也可以保护绕组单相层间短路和接地短路。差动保护为瞬时动作，动作后牵引变压器各侧断路器均跳闸，牵引变压器退出运行。
牵引变压器差动保护一般由二次谐波闭锁的比率差动保护和差动速断保护两个元件组成，其动作特性如图1所示。
图1 变压器差动保护的动作特性
一、二次谐波闭锁的比率差动保护
（一）比率差动保护
由于电流互感器的误差、变压器的接线方式及励磁涌流等因素的影响，在正常运行及外部故障时流入到差动继电器中的电流并不为零，而是有一定的电流，这个电流叫做不平衡电流。由电流互感器传变产生的不平衡电流与变压器外部故障时的穿越性电流有关。在变压器区外短路时，穿越性短路电流越大，不平衡电流也就越大。如果按照躲过最大外部故障时的不平衡电流来整定动作电流，将会使差动保护的灵敏度降低。因此，在差动继电器中引入一个能反应变压器穿越性短路电流大小的制动电流，差动保护动作电流的大小根据制动电流的大小自动调整，令其动作电流总大于区外短路故障时的稳态不平衡电流，从而提高了差动保护的灵敏度，这种差动保护称为比率差动保护。
比率差动保护的制动特性由三个线段组成，见图1。第一段为水平线，用来躲过变压器正常运行时的不平衡电流。当不平衡电流很小时，无制动作用，将大大提高保护的灵敏性。第二段AB为斜线，用来躲过电流互感器未饱和时的不平衡电流，其反方向延长线通过原点。第三段斜线BC，用来躲过电流互感器饱和产生的不平衡电流。
对于双绕组变压器，三段折线式比率差动保护的制动特性可用下述动作方程或算法实现。
（1）
式（1）中，表示比率差动保护的最小动作电流，由变压器正常运行时的不平衡电流决定。
（1）
式中—可靠系数，取1.3;
—由于电流互感器计算变比和实际变比不一致引起的相对误差，单相变压按式计算，Yd11接线三相变压器按式计算;当采用中间变流器进行补偿时，取补偿后剩余的相对误差;
—由于变压器分接头改变引起的相对误差，一般可取调压范围的一半;
—电流互感器的同型系数， 同型时取为0.5， 不同型时取1。
—变压器正常运行时计算侧的最大负荷电流。
由于牵引负荷的特点，牵引变压器经常处于短时过负荷运行状态。牵引供电操作规程规定，当牵引供电负荷达到3倍额定电流时，牵引变压器还应继续运行2min，所以牵引变压器的一般较大。
、表示制动系数，的整定计算必须考虑不平衡电流的影响和差动保护对流出电流的要求;而对于的整定要保证差动保护在外部故障电流很大且含有大量非周期分量的情况下不误动。在实际应用中一般由运行经验来确定，因为这些参数的精确计算往往比较困难。通常取0.3～0.5，可以整定的较大，一般取0.5～0.7。
、表示制动电流整定值。对于，可按照正比例函数求得，即
（2）
是B点的横坐标，需要满足
（3）
（二）二次谐波闭锁
当变压器空载投入或外部短路故障切除后电压恢复过程中，励磁电流很大，电流可达到额定电流的6～8倍，即励磁涌流。励磁涌流数值可能很大，所以差动保护在励磁涌流的冲击下可能误动作，必须采取措施加以克服。在模拟式差动保护中广泛应用的是采用具有速饱和变流器或带短路线圈的速饱和变流器的差动继电器来构成差动保护。采用此种方法的差动保护动作电流大、灵敏度低，并且在变压器内部故障时，会延缓保护的动作，已逐渐被淘汰。微机式差动保护中，差动继电器可以采用更丰富的手段来鉴别励磁涌流，目前，我国铁路供电系统广泛采用的是二次谐波闭锁方法。
二次谐波闭锁方法是根据励磁涌流中含有大量二次谐波分量而内部故障电流中二次谐波含量很低的特点，当检测到差动电流中二次谐波含量大于整定值时就将差动继电器闭锁，以防止励磁涌流引起的误动。
如果采取二次谐波闭锁原理，该比率差动保护又称为二次谐波闭锁的比率差动保护。
二、 差动速断保护
在某些情况下二次谐波闭锁会导致差动保护延时动作。当保护范围内部发生短路故障时，暂态短路电流中也可能存在二次谐波;电流互感器铁屑饱和时也会在二次电流中产生二次谐波分量。如果二次谐波含量超过二次谐波制动系数整定值，则二次谐波闭锁的具有比率制动特性的差动保护也将被闭锁，一直等到暂态短路电流衰竭（变化）到一定程度后差动保护才能动作，这就相对地延迟了动作时间，减慢了动作速度。为了在变压器发生严重故障时差动保护能迅速动作，往往增加一个不需要考虑励磁涌流影响的差动速断保护元件，其动作判据为
（4）
式中—差动速断保护的动作电流，按躲过变压器的最大励磁涌流来整定，即
（5）
式中可靠系数取1.2～1.4，最大励磁涌流一般按变压器额定电流的8-10倍估算。