動車組不分閘過分相時牽引變壓器差動保護誤動分析

許 龍，崔艷龍，魏建忠，高仕斌，韓正慶

（西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

在牽引供電系統(tǒng)中，為使電力系統(tǒng)三相負(fù)荷對稱，各變電所之間采用相序輪換的方式供電。為保證變電所之間的電氣隔離，一般每隔20～30 km，在牽引變電所處和兩變電所之間裝設(shè)電分相裝置[1]。如果采用普速鐵路的方式通過電分相，動車組每次通過電分相時需要將主斷路器分閘一段時間，以斷開與牽引網(wǎng)的電連接，防止產(chǎn)生異相短路故障[2]。這會使動車組在通過電分相時短時失去動力，不利于高速行車。因此，隨著列車速度的大幅提高，高速鐵路將全面采用地面開關(guān)自動切換方式[3]，動車組將不分閘通過電分相。動車組在運行過程中，頻繁地通過牽引供電接觸網(wǎng)各個供電段之間的電分相裝置，地面配合開關(guān)相應(yīng)地頻繁切換，這個過程中接觸網(wǎng)-動車組-電分相系統(tǒng)的電氣參數(shù)不斷地改變，電力機車、牽引供電接觸網(wǎng)和電分相系統(tǒng)的狀態(tài)持續(xù)變化，必然產(chǎn)生電壓、電流等電磁參量變化復(fù)雜的電氣過程[4]，可能會引起牽引變電所保護不正確動作，這些問題將給動車組的正常運行和運營部門的工作造成巨大的困難，嚴(yán)重地影響到電氣化鐵路的安全運營。本文深入分析動車組不分閘通過電分相時沖擊電流的產(chǎn)生原理，并研究此種情況下牽引變壓器差動保護誤動原因。

1 動車組不分閘過分相過程

地面開關(guān)式自動過分相方案以日本新干線為代表，采用關(guān)節(jié)式電分相裝置，最大限度地減少了硬點以改善受電弓受流質(zhì)量，斷電時間通常在0.15～0.3 s之間[5]，速度損失很小，其工作原理如圖1所示。

圖1 地面開關(guān)式自動過分相原理圖Fig.1 Schematic diagram of automatic phase-separation passing mode with switches on ground

當(dāng)區(qū)段無機車通過時，斷路器QF1閉合，QF2斷開；當(dāng)機車駛向中性段，感應(yīng)器G1感應(yīng)到機車位置，此時中性段由α相供電；當(dāng)機車到達(dá)G2但未達(dá)到G3時，斷路器QF1斷開，此時QF2仍處于斷開狀態(tài)；當(dāng)機車到達(dá)G3時，斷路器QF2閉合，此時中性段由β相供電；當(dāng)感應(yīng)器G4感應(yīng)到機車時，斷路器QF1閉合，QF2斷開，恢復(fù)至無機車通過時的狀態(tài)。

2 沖擊電流產(chǎn)生原理分析

由上述分析，當(dāng)機車行至G2時斷路器QF1斷開，在到達(dá)G3之前斷路器QF2也處于斷開狀態(tài)，此時中性區(qū)段應(yīng)處于無電狀態(tài)。但對于高速動車組，當(dāng)QF1斷開時其機車主變壓器低壓側(cè)與其牽引逆變器和異步電機組仍形成閉合回路，異步電機組仍有轉(zhuǎn)速，部分異步電機處于發(fā)電狀態(tài)[6]，將電機繞組電壓耦合至機車主變壓器高壓側(cè)，表現(xiàn)為中性段殘壓。當(dāng)機車到達(dá)G3時，由于殘壓的存在使得機車主變壓器鐵芯含有剩磁。由于高速動車組通過電分相的時間較短，約為0.15～0.25 s，并且高速鐵路采用220 kV以上的外部電源，其時間常數(shù)較普速鐵路明顯變大，因此為方便分析，在機車到達(dá)G3時可將中性段殘壓視為幅值和頻率都不變的量。設(shè)殘壓uz=Uzmsin（ωzt+θ），由電壓和磁通的關(guān)系式，可得在中性段時機車主變磁通為：

其中，Cz為衰減的非周期分量，若不考慮損耗，則為直流分量；N1為主變壓器高壓側(cè)繞組匝數(shù)。

當(dāng)機車行駛至G3、斷路器QF2合閘時，令β相電源電壓 uβ=Umsin（ωt+θ），同樣利用電壓和磁通關(guān)系式可得此時機車主變磁通：

設(shè)QF1在t=0時刻合閘，根據(jù)磁通不能突變原理，此時 Φ1=Φz，即：

由式（3）可得：

將式（4）代入式（2），可得：

由式（5）不難看出，當(dāng)斷路器QF2合閘時，機車主變磁通主要由兩部分構(gòu)成，即穩(wěn)態(tài)磁通和直流分量產(chǎn)生的磁通。并且在實際過程中中性段殘壓為隨時間衰減的分量，因此，機車主變磁通可由下式表示：

其中，Φs為穩(wěn)態(tài)磁通，Φd為穩(wěn)態(tài)直流磁通，Φdt為衰減的直流磁通。

通過上述的推導(dǎo)過程可知，若考慮最壞情況，即當(dāng)合閘相位角ωt+φ=φ+2kT（T為機車主變勵磁涌流基波分量周期，工頻條件下為20 ms）時，機車主變磁通將達(dá)到最大值2Φs+Φdt，將遠(yuǎn)超過主變飽和磁通Φsat，其鐵芯將高度飽和，由圖2變壓器近似磁化曲線可知，勵磁涌流iμ會大幅增加[7-8]。根據(jù)現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的勵磁涌流和線路的負(fù)荷電流疊加后，機車主變合閘側(cè)涌流可達(dá)到額定電流的4～6倍。

圖2 變壓器近似磁化曲線Fig.2 Approximate magnetization curve of transformer

3 仿真分析

通過MATLAB／Simulink建立模型對上述理論分析進行仿真。仿真牽引變壓器容量為40 MV·A，變比為220 kV／27.5 kV，電分相兩側(cè)供電臂長度為25 km，等效單位阻抗為0.11+j0.3 Ω／km，中性段等效阻抗為0.0755+j0.223 Ω／km，動車組機車主變壓器容量為5 MV·A，變比為27.5 kV／1.5 kV。當(dāng)機車行駛至G3、斷路器QF2閉合時，機車主變壓器勵磁涌流波形如圖3所示，機車主變壓器合閘側(cè)電流波形見圖4。

圖3 主變壓器勵磁涌流Fig.3 Excitation inrush of main transformer

圖4 主變壓器合閘側(cè)涌流Fig.4 Inrush at closing side of main transformer

通過以上的仿真結(jié)果可以看出，在斷路器QF2合閘后，在中性段殘壓和合閘過電壓的共同激勵下，動車組機車主變壓器鐵芯磁鏈被迅速抬高到飽和點之上，產(chǎn)生幅值很高的勵磁涌流，其波形與變壓器空載合閘時類似，存在明顯的間斷角。但由于機車變壓器負(fù)荷側(cè)與牽引逆變器和異步電機形成閉合回路，合閘側(cè)涌流為勵磁涌流與負(fù)荷側(cè)電流的疊加，因此合閘側(cè)涌流不存在明顯的間斷角，但由于非周期分量的存在，波形發(fā)生明顯的畸變。

4 牽引變壓器差動保護誤動分析

目前我國新建的高速鐵路或者由原有電氣化鐵路改造的高速鐵路所用牽引變壓器主保護大部分采用差動保護[7]。當(dāng)動車組不分閘過分相時，對于機車主變壓器而言，當(dāng)斷路器QF2閉合時相當(dāng)于一次變壓器的有載合閘，由前述理論和仿真分析可知，在其合閘側(cè)可能會產(chǎn)生幅值較高且波形嚴(yán)重畸變的沖擊電流，并且會直接注入β相牽引變壓器的低壓側(cè)。由于沖擊電流幅值大且由非周期分量引起的波形畸變較大，會造成牽引變壓器低壓側(cè)電流互感器（TA）鐵芯暫態(tài)飽和[10-13]，二次電流波形和數(shù)值嚴(yán)重失真，不能準(zhǔn)確反映一次電流波形，直至退出飽和；而由于牽引變壓器對穩(wěn)態(tài)周期分量和非周期分量傳變特性的不同，兩側(cè)非周期分量呈現(xiàn)較大差別，牽引變壓器高壓側(cè)電流波形非周期含量要遠(yuǎn)低于低壓側(cè)電流，高壓側(cè)TA二次電流不會有太大失真。此時由低壓側(cè)TA暫態(tài)飽和引起的不平衡電流較大，可能大于差動保護動作值。

采用PSCAD現(xiàn)有的TA模型進行仿真分析，TA參數(shù)設(shè)為：低壓側(cè)TA變比k=2000 A／5 A，l=0.5 m，S=51.2cm2，R=0.13Ω；高壓側(cè) TA 變比k=250A／5A，l=0.7 m，S=23.2 cm2，R=0.06 Ω。 其中，l為 TA 鐵芯長度，S為TA鐵芯截面積，R為TA二次側(cè)等效電阻。勵磁支路飽和倍數(shù)均為ψs／ψm=1.2。將上述機車主變合閘側(cè)涌流作為TA的一次電流導(dǎo)入，TA二次電流仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 牽引變壓器低壓側(cè)TA二次側(cè)電流Fig.5 Secondary current of traction transformer CT at low-voltage side

由圖5可以看出，在動車過分相合閘瞬間，由于TA鐵芯磁通不會突變，因此在合閘后的前一個周期內(nèi)TA二次電流未出現(xiàn)明顯失真；隨著TA鐵芯在非周期分量作用下出現(xiàn)飽和，從第2個周期開始二次電流出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形畸變。

牽引變壓器高壓側(cè)電流非周期分量所占比例很少，波形幾乎不發(fā)生畸變，其周期分量幾乎等于高壓側(cè)TA額定值，因此高壓側(cè)TA能夠線性傳變，二次電流值可以反映一次電流大小，波形幾乎不出現(xiàn)畸變，如圖6所示。

圖6 牽引變壓器高壓側(cè)TA二次側(cè)電流Fig.6 Secondary current of traction transformer CT at high-voltage side

差動電流為牽引變壓器低壓側(cè)和高壓側(cè)TA二次側(cè)電流的合成，流入差動繼電器的差動電流波形如圖7所示。由于牽引變壓器低壓側(cè)TA二次電流產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，由圖7可以看出，在合成差動電流時，該特征也體現(xiàn)得比較明顯；一段時間后隨著非周期分量的明顯衰減，差流畸變情況明顯降低，波形開始規(guī)整。

圖7 差動電流波形Fig.7 Waveform of differential current

圖8 差動電流基波幅值波形Fig.8 Fundamental amplitude waveform of differential current

差動電流基波幅值波形如圖8所示。由于非周期分量造成低壓側(cè)電流畸變，產(chǎn)生較大的不平衡電流，由圖8可以發(fā)現(xiàn)，此時差動電流基波幅值大于差動保護啟動整定值0.25 A。為避免外部不平衡電流導(dǎo)致的差動保護誤動，常規(guī)差動保護均采用2次諧波閉鎖來防止不平衡電流引起的保護誤動，2次諧波制動比整定范圍為15%～20%[15-16]。利用傅里葉變換進一步分析差動電流2次諧波幅值所占百分比，結(jié)果如圖9所示。

圖9 差動電流中2次諧波幅值所占百分比Fig.9 Percentage of second harmonic amplitude in differential current

從圖9可以看出，由于不分閘過分相情況下在牽引變壓器低壓側(cè)產(chǎn)生的涌流中含有所占比重可觀的機車主變負(fù)荷側(cè)電流分量，造成差動電流2次諧波含量小于制動整定值15%，無法實現(xiàn)可靠閉鎖。目前高速鐵路牽引變壓器差動保護普遍采用“三折線”比率制動特性[17-18]，以武廣線某牽引變電所為例，其最小動作電流Iset.min=0.25 A，拐點制動電流Ires.g1=0.57 A，Ires.g2=1.70 A，比率制動系數(shù) K1=0.4，K2=0.6，則機車過分相時比率差動判據(jù)的動作軌跡見圖10。

圖10 比率制動差動保護動作軌跡Fig.10 Operating trace of ratio braking differential protection

由圖10可見，在S2合閘初期（圖中圓圈所示），雖然差動電流位于比率制動特性曲線上方動作區(qū)，但由于此時2次諧波含量較高，可以實現(xiàn)可靠閉鎖；隨著非周期分量的衰減，2次諧波含量小于整定值，而差動電流值仍滿足差動保護動作條件，仍處于比率制動曲線的動作區(qū)，此時可能造成差動保護誤動（虛線左端箭頭處）。

5 結(jié)論

為適應(yīng)高速行車的需要，在通過電分相時高速鐵路全面采用地面開關(guān)式自動過分相方式。隨著機車通過電分相，地面開關(guān)配合自動切換，通過本文的分析可知，在這個過程中由于機車主變壓器進行了一次有載合閘，其合閘側(cè)即牽引變壓器低壓側(cè)可能會出現(xiàn)幅值較高的沖擊電流。由于此沖擊電流含有大量的非周期分量，牽引變壓器低壓側(cè)TA出現(xiàn)暫態(tài)飽和，造成流過差動繼電器的不平衡電流大于整定動作值；同時沖擊電流中除了機車主變壓器產(chǎn)生的勵磁電流外，還含有比重較大的機車負(fù)荷電流，這樣使得差動電流中的2次諧波含量低于其整定值，無法有效制動，差動電流位于比率制動曲線的動作區(qū)，差動保護誤動，無法保證差動保護動作的可靠性。因此，在對高速鐵路牽引變壓器進行保護配置時，要對機車過分相時沖擊電流造成的差動保護誤動采取有效防范措施，提高差動保護的靈敏性和可靠性。