牽引變電所變壓器差動(dòng)保護(hù)故障分析和處理

徐 科 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州供電段

1 引言

1.1 背景

電氣化鐵路不斷開通運(yùn)行，為我國的運(yùn)輸業(yè)作出了巨大的成就，牽引變電所是電氣化鐵路的動(dòng)力來源，其正常穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。牽引變電所饋線停電等故障輕則會(huì)導(dǎo)致列車誤點(diǎn)，重則打鐵路亂運(yùn)輸。牽引變電所內(nèi)設(shè)備比較復(fù)雜，隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間增長，不時(shí)有故障發(fā)生，這要求各供電單位嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)章制度執(zhí)行，按各標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)行、維護(hù)、檢修、試驗(yàn)。對(duì)現(xiàn)場設(shè)備缺陷故障進(jìn)行整理、分析，從管理上進(jìn)行加強(qiáng)，從技術(shù)業(yè)務(wù)上進(jìn)行提高，由此故障分析越加被各供電單位重視。

1.2 牽引變電所變壓器作用

在鐵路牽引變電所中主要有牽引主變壓器、自藕主壓器和所用變壓器。牽引變電所的作用是將電力系統(tǒng)供應(yīng)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于電力牽引及其供電方式的電能，其中的核心件是牽引變壓器。

1.3 變壓器的工作原理

變壓器一般由鐵芯與線圈組成，通過原邊施加交流電壓，原邊產(chǎn)生一次電流，在變壓器鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通，由電磁感應(yīng)原理交變的磁通使次邊產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其原邊、次邊的在理想狀態(tài)下功率是一致的。變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的元件。

2 主變差動(dòng)故障

2.1 主變差動(dòng)保護(hù)的原理

變壓器的差動(dòng)保護(hù)基本原理是反應(yīng)被保護(hù)變壓器各端流入和流出電流的電流差。

牽引主變壓器差動(dòng)保護(hù)的范圍是高壓側(cè)流互到低壓側(cè)流互之間的設(shè)備，包括牽引主變壓器及變壓器兩側(cè)的電纜或架空線。

現(xiàn)場運(yùn)行的單相主變保護(hù)裝置采用三段式差動(dòng)保護(hù)。它的原理為裝置采集高壓側(cè)電流 ，低壓側(cè)電流 ，為實(shí)現(xiàn)高、低壓側(cè)之間的差動(dòng)電流平衡，電流由低壓側(cè)向高壓側(cè)平衡。

2.2 一起保護(hù)裝置故障引起的主變保護(hù)差動(dòng)動(dòng)作

2.2.1 故障概況

差動(dòng)報(bào)文見圖1。

圖1 差動(dòng)報(bào)文

本次故障微機(jī)變壓器保護(hù)測控裝置為差動(dòng)與高后備、非電量合一。具有差動(dòng)速斷、二次諧波制動(dòng)的比率差動(dòng)、低電壓、高壓側(cè)過電流、低壓側(cè)過電流、過負(fù)荷（I段、II段）、失壓、低壓側(cè)過電壓、TV斷線檢測（高壓側(cè)、低壓側(cè)）、重瓦斯、輕瓦斯、溫度（I段、II段）、壓力、油位異常等保護(hù)功能。硬件由9大部件組成：①交流/采樣模塊，②通信模塊，③保護(hù)CPU模塊，④開入模塊，⑤開出模塊，⑥信號(hào)模塊，⑦出口模塊，⑧監(jiān)控面板，⑨電源模塊。

故障概況：某變電所設(shè)備在運(yùn)行過程中，高鐵2B主變低壓側(cè)合成電流IL1突然為0，而在高壓側(cè)IH1仍存有電流，2B單相保護(hù)裝置判斷為差動(dòng)故障，動(dòng)作出口發(fā)信跳閘。

2.2.2 故障分析及診斷措施

對(duì)故障進(jìn)行分析。對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查，主變、高壓柜、電纜無明顯異常。

①從保護(hù)報(bào)文可發(fā)現(xiàn)在差動(dòng)故障時(shí)刻2B高壓側(cè)IH1為0.13 A，低壓側(cè)IL1為0 A。保護(hù)定值單：平衡系數(shù)3.2，差動(dòng)速斷電流1.45 A，差動(dòng)動(dòng)作電流0.13 A，差動(dòng)制動(dòng)電流1（0.36 A），比例制動(dòng)系數(shù) 1（0.4），差動(dòng)制動(dòng)電流 2（0.73），比例制動(dòng)系數(shù) 2（0.6）。

根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算：

圖2 比率差動(dòng)保護(hù)特性曲線

從比率差動(dòng)保護(hù)特性曲線可確定（見圖2），差動(dòng)電流為0.13 A等于定值0.13 A、制動(dòng)電流為0.065 A時(shí)，為差動(dòng)動(dòng)作第一動(dòng)作區(qū)，且ICD2/ICD=0/0.06=0

②從故障錄波（見圖3）可看出，2B單相保護(hù)裝置高壓側(cè)UH、IH1、IH2和低壓側(cè)UL、IL2波形在未跳閘前一直平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)突變情況；但低壓側(cè)IL1電流基本為0，所以重點(diǎn)是低壓側(cè)合成電流為什么會(huì)沒有。

③從波形還可以看出，UH、IH1、IH2和低壓側(cè)UL、IL2一直比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)電壓電流突變現(xiàn)象，出現(xiàn)設(shè)備短路的故障情況不大，可能為二次回路接觸不良或電流未采集到。具體故障原因，仍需進(jìn)一步對(duì)保護(hù)裝置、主變和連接電纜、電流互感器做檢測試驗(yàn)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果再做詳細(xì)分析。

該牽引所進(jìn)線為組合電器柜，牽引主變壓器進(jìn)出均為電纜（插拔式），高壓柜為GIS柜，它們之間全部由電纜（插拔式）進(jìn)行連接。

圖3 錄波分析

進(jìn)行試驗(yàn)查找分析問題，由于該所特殊設(shè)計(jì)方式，考慮從易到難的方式逐步進(jìn)行試驗(yàn)判斷：

①變壓器油器試驗(yàn)取樣簡單，試驗(yàn)快速。取2B牽引主變壓器油進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，運(yùn)行中的66 kV～220 kV牽引主變壓器擊穿電壓要大于等于35 kV，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果為60.23 kV，此項(xiàng)合格。

②油色譜分析：取變壓器油進(jìn)行分析結(jié)果如表1。

表1 油色譜分析結(jié)果

根據(jù)《上海鐵路局高速鐵路牽引變電所運(yùn)行、檢修和試驗(yàn)管理辦法》的要求，運(yùn)行中變壓器的油中H2與烴類氣體含量（體積分?jǐn)?shù)）超過下列任何一項(xiàng)值時(shí)應(yīng)引起注意：總烴：150 μL/L；H2：150 μL/L；C2H2：5.0 μL/L。比對(duì)情況總烴=乙烯（C2H4）+乙烷（C2H6）+甲烷（CH4）+乙炔（C2H2）很小未達(dá)到 150 μL/L，氫氣（H2）<150 μL/L，乙炔（C2H2）<5.0 μL/L。此項(xiàng)合格。

③二次回路檢查方便易行。根據(jù)2B主變差動(dòng)保護(hù)二次原理圖，對(duì)主變低壓側(cè)保護(hù)回路二次接線進(jìn)行絕緣測試，從GIS高壓柜流互接線端子及保護(hù)測控屏接線端子全部脫開二次接線，選用KYORITSU 3125兆歐表采用500 V檔測量每根導(dǎo)線對(duì)地的絕緣及線間絕緣，測量結(jié)果為∞。說明二次線正常。

④懷疑保護(hù)裝置采樣存問題。對(duì)二次電流回路進(jìn)行加流試驗(yàn)，主變低壓側(cè)變比保護(hù)為2500/1。在高壓柜加模擬量進(jìn)行電流校核，在2B的12LH2（202GIS高壓柜中）合成二次回路加模擬量為0.1 A時(shí)，2B單相變保護(hù)裝置IL1為0.1 A，4B單相變保護(hù)裝置IL2為0.1 A；在4B的14LH2（204GIS高壓柜中）合成二次回路加模擬量為0.1 A時(shí)，2B單相變保護(hù)裝置IL2為0.1 A，4B單相變保護(hù)裝置IL1為0.1 A。校驗(yàn)正常。

⑤從二次回路檢查未發(fā)現(xiàn)問題，考慮電流互感器是否存異常，決定對(duì)電流互感器時(shí)行測試。因?yàn)槿忾]設(shè)備，拆卸下202GIS高壓柜的T相避雷器，通過接入試驗(yàn)電纜過渡，拆下2B接地相電纜（中性點(diǎn)接地插拔式電纜頭拔出），102DL、1022GK、202DL、2021GK、204DL、2041GK 均為分位，1026E 為分位，通過202柜T相對(duì)2B低壓側(cè)進(jìn)行絕緣試驗(yàn)，選用KYORITSU 3125兆歐表采用5000 V檔測量為∞。

⑥主要目的是查找2B低壓側(cè)IL1，決定對(duì)2B的低壓側(cè)流互進(jìn)行變比校驗(yàn)，12LH變比為2500/1。采用大電流發(fā)生器SL2對(duì)12LHT相一次側(cè)加入大電流200 A，2B單相保護(hù)裝置保護(hù)電流IL1為0.08 A，4B單相保護(hù)裝置保護(hù)電流IL2為0.08 A，根據(jù)變比計(jì)算200/2500=0.08 A；對(duì)12LHF相一次側(cè)加入大電流200 A，2B單相保護(hù)裝置保護(hù)電流IL1為0.08 A，4B單相保護(hù)裝置保護(hù)電流IL2為0.08 A，根據(jù)變比計(jì)算200/2500=0.08 A。未發(fā)現(xiàn)異常。

⑦由于原因仍未找到，考慮大型變壓器需要檢查其交流耐壓情況。因有多種設(shè)備相連接，在202柜帶2B主變低壓側(cè)電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，采用試驗(yàn)電壓30 kV進(jìn)行了5 min交流耐壓試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)異常。

⑧將保護(hù)裝置采樣模塊送回綜自廠家進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)采樣模塊異常，長時(shí)間運(yùn)行后不能穩(wěn)定進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本次故障中，由于2B單相變壓器保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)采集模塊在運(yùn)行過程中，未能采集到2B低壓側(cè)合成電流IL1，根據(jù)計(jì)算出差動(dòng)電流并達(dá)到了差動(dòng)動(dòng)作電流定值0.13 A，且此時(shí)的制動(dòng)電流0.06 A在比率差動(dòng)動(dòng)作第一區(qū)內(nèi)，根據(jù)保護(hù)裝置的邏輯圖，差動(dòng)保護(hù)投入、差動(dòng)在動(dòng)作區(qū)、差動(dòng)電流二次諧波ICD2與差動(dòng)電流ICD的比值小于二次諧波制動(dòng)系數(shù)。從本次故障處理的情況看，目的明確，原因是由于2B低壓側(cè)合成電流IL1缺失，在整個(gè)故障查找分析過程中，始終圍繞著這一點(diǎn)，從二次回路到一次回路進(jìn)行詳細(xì)檢查，最終發(fā)現(xiàn)了問題所在。

2.3 故障處置方式

差動(dòng)動(dòng)作時(shí)對(duì)設(shè)備運(yùn)行帶來了很大的影響。故障原因?yàn)楸Ｗo(hù)裝置問題，但保護(hù)裝置未能發(fā)出裝置異常的告警，給故障查找?guī)砹撕艽蟮牟槐悖枰獙?duì)主變、流互、高壓電纜及二次設(shè)備逐個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)檢查，對(duì)鐵路搶修的時(shí)效性是個(gè)挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際認(rèn)為，在處理故障時(shí)，首先，進(jìn)行現(xiàn)場情況調(diào)查，從一次設(shè)備的外觀等肉眼可見的地方進(jìn)行調(diào)查、檢查，同時(shí)聞一下空氣中是否有異味。

其次，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，從后臺(tái)讀取報(bào)告、報(bào)文、錄波，并盡快通過網(wǎng)絡(luò)上至相關(guān)專業(yè)科室、車間。

第三，在搶修人員到達(dá)后對(duì)值班人員進(jìn)行詢問同時(shí)，分析報(bào)告、報(bào)文、錄波，判斷出大概故障方向，給故障處理指出方向，是有跡可循的，故障時(shí)它的電流是完全消失的且一次設(shè)備等無明顯異常，有了初步的判斷，可以節(jié)省搶修時(shí)間。

第四，在對(duì)報(bào)文的分析上，計(jì)算可作簡化處理。第五，出現(xiàn)比較嚴(yán)重故障時(shí)，搶修人員可以分批出發(fā)，為搶修爭取時(shí)間同時(shí)后繼人員可以思考的更全面，攜帶好所需的設(shè)備、工具，不因缺少設(shè)備、工具、材料而影響搶修。

保護(hù)裝置損壞后最終是進(jìn)行保護(hù)裝置模塊的更換，更換完成對(duì)其進(jìn)行電流、電壓、差動(dòng)、過流、過負(fù)荷等相關(guān)功能的校驗(yàn)、核對(duì)，以確保其功能正確完備。同時(shí)，注意主程序、邏輯程序的需與原裝置一致。

3 結(jié)論

通過對(duì)牽引變電所變壓器及其保護(hù)常見故障分析和處理，基本分為幾步。第一，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，現(xiàn)場設(shè)備檢查，收集數(shù)據(jù)，觀察故障現(xiàn)象。第二，根據(jù)故障情況，進(jìn)行深入分析，有報(bào)文錄波先行分析，查找具體原因。第三，根據(jù)分析判斷確定查找方向，進(jìn)行故障處置，根據(jù)現(xiàn)場情況，實(shí)施恢復(fù)。第四，進(jìn)行總結(jié)，提出診斷方法或預(yù)防措施。不難發(fā)現(xiàn)其復(fù)雜多樣的設(shè)備在出現(xiàn)故障時(shí)，只要深入進(jìn)行分析，由表象到深入內(nèi)部，查找出具體的原因，問題均可解決。困難之處在于新生設(shè)備在投入運(yùn)行前，還未有相關(guān)技術(shù)措施進(jìn)行故障診斷，無法進(jìn)行確認(rèn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。如27.5 kV GIS柜，其全電纜進(jìn)出的方式，在高鐵天窗點(diǎn)時(shí)間內(nèi)是不可能進(jìn)行拆卸試驗(yàn)，其試驗(yàn)必將是一個(gè)不停電的在線試驗(yàn)。從高鐵的發(fā)展來看，在線試驗(yàn)，在線監(jiān)測將取代原來的傳統(tǒng)電氣試驗(yàn)。由周期修向狀態(tài)修發(fā)展是個(gè)趨勢，也是個(gè)方向。只要在解決了在線監(jiān)測、試驗(yàn)的瓶頸，牽引變電所無人化將大規(guī)模實(shí)施。