高鐵牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)的研究和試驗(yàn)方法

李 瑞

（中鐵電氣化局京滬高鐵維護(hù)管理公司，高級(jí)工程師，北京100000）

目前高速鐵路中最常用的供電制式為全并聯(lián)AT供電，在牽引變電所設(shè)置接線組別為VX型的牽引變壓器組，分區(qū)所和AT所設(shè)有自耦變壓器。此兩種變壓器自身價(jià)值最高，可占全部投資的一半以上，且出現(xiàn)嚴(yán)重故障后，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境一般不具備修復(fù)條件，修復(fù)周期長(zhǎng)，影響范圍較大，因此日常檢修和預(yù)防性試驗(yàn)是其安全的重要保障。差動(dòng)保護(hù)是變壓器的主保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)的準(zhǔn)確性和快速動(dòng)作直接關(guān)系變壓器的安全，因此對(duì)差動(dòng)保護(hù)功能的驗(yàn)證是非常重要的，鐵路規(guī)程要求的周期是每年必須進(jìn)行一次。

1 差動(dòng)保護(hù)原理

本文采用電路圖與數(shù)學(xué)公式結(jié)合方式闡述差動(dòng)保護(hù)原理。

1）牽引供電系統(tǒng)變電所牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)原理見(jiàn)圖1牽引變壓器等效電路圖。

圖1 牽引變壓器等效電路圖

圖1 中TR指變壓器，P1和P2指電流互感器的極性，α和β指牽引變壓器低壓總回路名稱(chēng)。

由圖1可得如下公式：

當(dāng)I?CDA&I?CDB&I?CDC≥I?red差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)。

2）分區(qū)所和AT所自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)原理見(jiàn)圖2自耦變壓器等效電路圖。

圖2 自耦變壓器等效電路圖

在AT全并聯(lián)供電模式下采用的自耦變壓器由上圖可得出如下公式：

當(dāng)自耦變壓器故障發(fā)生在F繞組一側(cè)時(shí)，根據(jù)圖2可得如下公式：

同理，當(dāng)自耦變壓器故障發(fā)生在T繞組一側(cè)時(shí)，可得如下公式：

聯(lián)立公式（2）和（3），可得自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)原理公式：

當(dāng)T相和F相電流之差大于差動(dòng)保護(hù)電流設(shè)定值，差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)。

2 工程中的實(shí)際應(yīng)用

圖3 為差動(dòng)保護(hù)在實(shí)際工程中兩種二次原理接線圖。

圖3 差動(dòng)保護(hù)在工程實(shí)際兩種二次原理接線圖

牽引變壓器和自耦變壓器的差動(dòng)保護(hù)接線原理見(jiàn)圖3差動(dòng)保護(hù)在工程實(shí)際兩種二次原理接線圖，此兩種接線方式在工程實(shí)踐中都較為常見(jiàn)，（a）方式分別采集所需差動(dòng)保護(hù)電量數(shù)據(jù)，由裝置內(nèi)部根據(jù)理論模型自行合成，（b）方式直接在電流互感器差動(dòng)線圈二次端進(jìn)行連接合成，將合成后的電量數(shù)據(jù)傳送給差動(dòng)保護(hù)裝置判別。根據(jù)圖3（b）方式，牽引變壓器與自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)的二次接線雖然完全相同，但根據(jù)公式（2）和公式（4）可得知，二者的含義是完全不同的，前者是在做和，提供牽引變壓器低壓側(cè)的總電流，后者是在做差。對(duì)自耦變壓器進(jìn)行差動(dòng)電流計(jì)算。

3 試驗(yàn)方式

技術(shù)試驗(yàn)人員在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)前，為了避免平衡系數(shù)的影響，可以先設(shè)置為1，以使計(jì)算簡(jiǎn)單方便。當(dāng)比率差動(dòng)保護(hù)的設(shè)計(jì)整定值確定后，動(dòng)作邊界就相應(yīng)確定，一般采用三折線的特性曲線，可見(jiàn)圖4比率制動(dòng)特性曲線。差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)?zāi)康臑轵?yàn)證實(shí)際動(dòng)作邊界是否與設(shè)計(jì)整定邊界一致。

圖4 比率制動(dòng)特性曲線

差動(dòng)電流為：

比率差動(dòng)保護(hù)判據(jù)為：

式中：ICD為差動(dòng)電流；IZD為制動(dòng)電流；IDZ為差動(dòng)電流整定值；I1為制動(dòng)電流I段整定值；I2為制動(dòng)電流Ⅱ段整定值；K1為I段比率制動(dòng)系數(shù)；K2為II段比率制動(dòng)系數(shù)。

1）最小動(dòng)作電流ICD測(cè)試：

在變壓器高壓側(cè)A、B、C、α和β分別施加整定差動(dòng)電流值IDZ，保護(hù)應(yīng)可靠動(dòng)作，誤差應(yīng)符合技術(shù)條件的要求。

2）制動(dòng)特性斜率K1和K2測(cè)試：

制動(dòng)特性斜率實(shí)驗(yàn)時(shí)，要同時(shí)輸入兩側(cè)電流，而且要注意兩側(cè)電流的相位關(guān)系，通過(guò)對(duì)同一斜率測(cè)試兩個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定制動(dòng)特性斜率K1和K2的誤差是否符合技術(shù)條件。

3）差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的測(cè)定

測(cè)定差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間時(shí)，為確保差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作，應(yīng)充分考慮保護(hù)裝置的保護(hù)固有動(dòng)作時(shí)間，一般要求保護(hù)裝置固有動(dòng)作時(shí)間不大于15 ms。

4）二次諧波閉鎖條件的測(cè)定

由于變壓器空載投運(yùn)和線路故障產(chǎn)生或切除時(shí)會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，從而產(chǎn)生大量諧波分量，為防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，采用二次諧波分量的含量來(lái)區(qū)分故障情況，當(dāng)二次諧波電流占基波的含量大于二次諧波閉鎖整定值時(shí)，使用諧波制動(dòng)方式閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

試驗(yàn)人員可以利用繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出測(cè)試電流，同時(shí)輸出諧波電流，以驗(yàn)證二次諧波閉鎖條件，防止保護(hù)誤動(dòng)作。測(cè)試時(shí)，為了提高效率和準(zhǔn)確性，在滿足差動(dòng)保護(hù)可靠動(dòng)作的條件下，閉鎖試驗(yàn)可在邊界數(shù)據(jù)附近測(cè)試時(shí)，僅需調(diào)整施加的諧波電流數(shù)值。

4 試驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)

無(wú)論是在新變壓器的交接試驗(yàn)中，還是在既有變壓器的預(yù)防性驗(yàn)中，差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)驗(yàn)證都必須遵循防止人身傷害，保護(hù)設(shè)備安全運(yùn)行，不干擾既有運(yùn)行設(shè)備的原則。

1）新建工程變壓器的差動(dòng)保護(hù)交接試驗(yàn)，應(yīng)注意牽引變壓器高壓側(cè)公共端的確定，以及牽引變壓器高壓側(cè)相和低壓側(cè)相的比較關(guān)系。在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)在綜自廠家的配合下進(jìn)行試驗(yàn)，防止誤操作損壞保護(hù)裝置，且可以在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)異常時(shí)快速解決問(wèn)題。

2）既有高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中的變壓器保護(hù)試驗(yàn)，一般采取V形天窗的形式，即一套系統(tǒng)運(yùn)行，另一套系統(tǒng)退出運(yùn)行進(jìn)行檢修的方式。技術(shù)試驗(yàn)人員在試驗(yàn)過(guò)程中一般采取先進(jìn)行傳動(dòng)試驗(yàn)，然后在保護(hù)裝置處進(jìn)行保護(hù)試驗(yàn)的程序。但由于兩套進(jìn)線保護(hù)系統(tǒng)一般采取相鄰的布置樣式，在試驗(yàn)過(guò)程中，容易發(fā)生試驗(yàn)人員誤入運(yùn)行區(qū)域和誤接連線的情況，對(duì)投運(yùn)中的保護(hù)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，使得正常運(yùn)行的系統(tǒng)產(chǎn)生誤動(dòng)作的可能性。因此，切實(shí)做到運(yùn)行區(qū)和檢修預(yù)試區(qū)的有效隔離是確保試驗(yàn)安全的重中之重，與此同時(shí)，增強(qiáng)防護(hù)人員和檢修試驗(yàn)人員的責(zé)任心也必不可少。

5 結(jié)束語(yǔ)

牽引變壓器和自耦變壓器作為高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，無(wú)論從影響范圍還是實(shí)際價(jià)值來(lái)考慮，維護(hù)其長(zhǎng)久的穩(wěn)定運(yùn)行有著極其重要的意義，而作為其最重要的防護(hù)手段的差動(dòng)保護(hù)能否正常工作是其關(guān)鍵，因此差動(dòng)保護(hù)的功能驗(yàn)證無(wú)論在新建牽引變電所的交接試驗(yàn)，還是在牽引變電所的正常運(yùn)行中的預(yù)防性試驗(yàn)中都必須引起相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)人員的重視。