高速鐵路牽引變壓器沖擊合閘保護誤動作分析

夏文忠

0 引言

牽引變壓器作為高速鐵路供電核心設備，對其制造工藝和質量要求越來越高，隨著速度的提升，其容量也越來越大，350 km/h以上速度的高速鐵路牽引變壓器容量達100 MV·A，單臺變壓器容量高達 50 MV·A。在新建變電所進行變壓器沖擊試驗時，往往因勵磁涌流，造成主變壓器保護裝置誤動作，影響牽引變電所受電啟動的進程，本文將就高速鐵路牽引變壓器勵磁涌流產生、特點和影響因素進行闡述，通過案例分析，提出防止保護裝置誤動作的具體措施，與同仁共同探討。

1 影響勵磁涌流的因素

由于變壓器繞組為感性，在空載投入時，不可避免地在其繞組中產生勵磁涌流，最大峰值可達到變壓器額定電流的6～8倍，甚至更大，電壓等級高的大容量變壓器涌流持續時間為5～10 s，而小容量變壓器近幾個周波。如此大的勵磁涌流，如何準確判斷，必須正確掌握其特點和影響因素，方能采取必要的措施。大量的仿真試驗和工程實踐發現變壓器空載投入時產生的勵磁涌流具有如下特點：波形具有很大的離散性；幅值大且隨時間衰減；含有非周期分量電流，波形呈間斷特性；含有大量的偶次諧波分量，其中以2次諧波為主。

理論研究和實踐證明，勵磁涌流的大小和性質取決于以下因素：合閘時電壓初相位角、變壓器鐵心的剩余磁通、合閘回路電阻、變壓器的容量、變壓器的內部結構等[1]。最大涌流出現在變壓器投入時電壓經過零點瞬間，即 0°和 180°時產生的勵磁涌流最大，90°和-90°時最小，但三相變壓器合閘時很難控制三相的初相位角均為90°或-90°。

變壓器鐵心的剩余磁通越大，對合閘勵磁涌流的影響越大。當剩磁與合閘電壓產生的磁通極性相同時，會助長勵磁涌流的增大，反之，減小勵磁涌流。合閘時間常數與變壓器的立場電抗，鐵心保護度以及電源到變壓器的總電阻有關[2]。總電阻越大，勵磁涌流的時間常數（τ = L/R）越小，衰減時間越短，勵磁涌流也就越小；電抗越大，勵磁涌流的時間常數τ 越大，衰減時間越慢；同電壓等級變壓器的容量越大，電抗越大，鐵心磁通密度工作點越高，產生的勵磁涌流較大。

2 故障案例及分析

某高速鐵路工程在牽引變壓器沖擊試驗時，多次出現低電壓啟動過電流保護出口動作跳閘的現象，為安全起見，組織技術人員對保護范圍內的一次設備和二次設備進行了檢查試驗，未發現任何異常，核對保護整定值與設計定值一致，查看調度記錄發現地方電力調度曾下令，要求牽引變電所值班員將低電壓啟動過電流整定值延時由 1.3 s改為0.2 s，以保證線路初充電的順利進行。初步判斷是沖擊合閘時，不能躲過較大的勵磁涌流，造成變壓器保護裝置誤動作，斷路器跳閘。

2.1 高速鐵路牽引變壓器保護配置

客運專線牽引變電所進線電壓一般為220 kV，V形接線變壓器組，變壓比220 kV/（2×27.5）kV，客運專線250～350 km/h牽引變壓器容量為63～80 MV·A，380 km/h及以上速度的高速鐵路牽引變壓器容量為80～100 MV·A，單臺變壓器容量高達50 MV·A，短路阻抗10.5%，按照牽引供電動態負荷特點，變壓器過負荷能力要求，實際容量比額定容量高一個容量等級。

高速鐵路牽引變壓器通常設置變壓器主保護和后備保護，主保護主要為帶諧波閉鎖的三段式比率制動差動保護和差動速動以及瓦斯保護。后備保護主要為低電壓啟動過電流保護和過負荷保護。牽引變電所主接線和保護裝置配置示意圖見圖1。

圖1 牽引變電所主接線和保護裝置配置示意圖

差動保護整定，差動電流一般為高壓側額定電流的50%～70%，諧波制動比15%～20%，差動速斷一般為高壓側額定電流的8～10倍。

低電壓啟動過電流整定，一般動作電流為高壓側額定電流的2.5倍，延時1.3 s，電壓啟動值為低壓側母線電壓的60%。

2.2 故障分析

經過調取保護裝置故障跳閘錄波，其波形如圖2所示。對事件的電流波形進行分析，發現電流波形有明顯的勵磁涌流特征，其中一次跳閘時，B、C相電流達1.64 A，是額定電流的7倍，持續時間大于臨時延時整定值0.2 s，諧波含量低于15.48%，幾乎處于臨界值，改變低電壓啟動過電流保護延時時間為0.5 s后，仍然偶有跳閘現象。從繼電保護配置圖可以看出，變壓器沖擊時，2×27.5 kV側斷路器處于分閘狀態，2×27.5 kV母線電壓互感器（下文簡稱 PT）無壓，低電壓啟動過電流保護之電壓元件處于動作狀態，只要合閘涌流和持續時間大于整定值，低電壓啟動過電流保護將出口，斷路器跳閘。

據了解，目前國內100 MV·A牽引變壓器仍為使用初期，容量大，制造結構、工藝要求嚴格，沖擊時勵磁涌流大，諧波基波比低于 15%，在 12%左右，甚至更低，持續時間長，可能會造成差動保護或低電壓啟動過電流保護出口，斷路器跳閘。另外，如果變壓器出廠試驗和現場試驗時，特別是直流項目試驗后，未能及時采取消磁措施，一旦鐵心剩磁偏高且極性與電源電壓相同時，勵磁涌流可能會更大，極易造成保護裝置誤動作。通過分析可見，此事件是保護誤動作跳閘，屬正常現象，但必須采取措施。

3 防止誤動作的主要措施

高速鐵路大容量牽引變壓器沖擊時由于勵磁涌流的原因造成保護裝置誤動作跳閘，其不但影響了正常的啟動進程，還容易造成變壓器內部過電壓，嚴重時破壞變壓器絕緣，會給未來的高速鐵路運營帶來許多困擾和問題。筆者查閱大量資料，結合高速鐵路牽引變電所及其保護的設置，提出下述措施，與同仁探討。

3.1 調整27.5 kV母線PT位置

從圖1可知，變壓器受電時，2×27.5 kV側斷路器處于分閘狀態，2×27.5 kV母線PT無壓，低電壓啟動過電流保護之電壓元件處于動作狀態，一旦勵磁涌流超過保護定值就會跳閘。

圖2 牽引變壓器沖擊試驗差動保護裝置電流波形圖

如果原27.5 kV母線PT移至牽引變壓器的低壓出線側（方案 1），或者在牽引變壓器的低壓出線側加裝PT（方案2），其二次電壓作為低電壓啟動過電流保護裝置的電壓啟動元件的輸入條件，可以消除原設計方案的主變沖擊時低電壓啟動過電流保護裝置的誤動作。分析可知，方案1存在PT前移后，27.5 kV母線電壓必須加入電壓側斷路器位置信息，饋線距離保護電壓輸入條件必須相應改變，該方案簡單易行。方案2存在一次、二次接線復雜問題，為此增加了部分投資。

3.2 倒閘操作及自投程序

根據國家標準規定，在額定電壓下對變壓器沖擊合閘試驗，應進行 5次，每次間隔時間宜為5 min，應無異常現象；沖擊合閘宜在變壓器高壓側進行[3]。據此，在現有的鐵路牽引變電所啟動程序中，變壓器沖擊試驗前4次均未投入2×27.5 kV/27.5 kV設備，當大容量變壓器沖擊合閘時難免出現過流保護裝置誤動作。筆者認為，可對變壓器沖擊的倒閘操作內容進行調整：

（1）第一次沖擊時，原有操作不變，成功后即可投入2×27.5 kV/27.5 kV進線設備、母線和母線電壓互感器，第 2、3、4次不再退出 2×27.5 kV/27.5 kV設備，避免后備保護裝置誤動作。

（2）4次沖擊正常后，退出 2×27.5 kV /27.5 kV設備。

（3）2號系統變壓器沖擊按步驟（1）的要求進行。

（4）2號系統第4次沖擊完成后，模擬2號變壓器故障，1號系統自投。

（5）1號系統自投成功后，模擬 1號變壓器故障，2號系統自投，完成2號變壓器第5次沖擊，空載運行。

為保證系統供電可靠性，變壓器故障時，設置有自投裝置，即切除故障變壓器高低壓側設備，備用變壓器系統自動投入，但是自投程序一般為先合220 kV斷路器，再合2×27.5 kV設備。同上原因，為減小勵磁涌流影響，可以改變該程序，即先合2×27.5 kV設備，再合220 kV斷路器，備用變壓器投入運行。該運行方式在既有電氣化鐵路牽引變壓器2×27.5 kV或27.5 kV側僅設置隔離開關時也有應用，是可行的。

3.3 變壓器出廠試驗后的消磁措施

牽引變壓器出廠時需要做大量的試驗，既有交流試驗項目，又有直流試驗項目，先后次序不統一，如果最后項目為直流試驗，特別是采用直流方法的繞組變形試驗，往往會產生較高的剩磁，建議出廠試驗時最后試驗項目為交流試驗并采取消磁措施，同樣原因，現場試驗時也應如此，防止變壓器剩磁過高，在變壓器合閘沖擊時涌流過大。

3.4 高壓側配置帶合閘電阻的斷路器

根據國內外電力系統運行經驗，220 kV及以上電壓等級的大容量變壓器設置帶預合閘電阻的斷路器，以減小變壓器合閘沖擊時的勵磁涌流的幅值。該斷路器結構復雜，合閘電阻的壽命有限，檢修困難，且價格昂貴，應綜合考慮各種因素選用。

3.5 斷路器分相合閘控制

目前高速鐵路牽引變電所220 kV斷路器一般選用配置為三相電聯控制，如果增設電壓測控裝置，利用電壓初相角捕獲功能，理想情況下，在A相電壓初相角為-90°或+90°處合閘，發出 A 相合閘命令，B、C相分別錯開120°合閘，即6.67 ms，勵磁涌流可最小。該方式在電力系統早有應用，可以嘗試使用。

3.6 避免誤整定和二次接線松動

長大干線牽引變壓器的種類多，不同廠家、不同容量，而且保護裝置廠家也不盡相同，因此不同變電所每臺變壓器的保護整定也不相同，試驗調試時，稍有疏忽就會發生錯誤。另外，往往由于二次回路接線松動、短連片、試驗連接片不緊，運行時正常的負荷電流，就會發生差動保護裝置動作，長時間開路，危害極大，嚴重時燒損電流互感器和保護裝置。因此，二次配線時應嚴格檢查，保證二次回路接線正確、牢固，現場試驗時應特別注意核對繼電保護整定值，低電壓通電模擬試驗應完整，保證可靠投運。

4 結束語

通過上述案例的分析和理論研究，由于保護配置不當、誤整定、二次接線錯誤等原因，造成保護裝置誤動作，沖擊合閘不成功，危害極大，而且高速鐵路牽引變壓器容量大，合閘沖擊時勵磁涌流很大，會出現保護裝置誤動作，但必須采取相應的技術措施，最大限度地減小勵磁涌流的影響，保證安全性、可靠性的向接觸網供電，確保動車組正常運行。

[1]陳忠.降低勵磁涌流不良影響的措施[J].電力系統保護與控制，2009，（23）.

[2]陳麗萍.變壓器空載合閘勵磁涌流與外部故障切除后恢復性涌流討論[J].現代商貿工業，2010，（5）.