萬 勇,秦建民,董 杰,楊卉卉
(1 中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京102600;2 內蒙古平莊煤業(集團)有限責任公司,內蒙古赤峰024076;3 北京四方繼保自動化股份有限公司,北京100085)
電氣化鐵路兩供電臂的負荷常常是不相同的,一臂負荷重,一臂負荷輕[1]。現有的V/V等容牽引變壓器存在著容量偏大、利用率低、一次投資和運行電費高等缺點。而三相V/V接牽引變壓器是一種非平衡變壓器,兩相容量可以相等也可以不相等,其容量利用率可達100%,具有變壓器容量利用率高、抗短路能力強、分相有載調壓方便、易實現固定備用、對牽引網和三相動力負荷供電的可靠性高等突出優點[2]。因此,三相V/V接牽引變壓器作為一種新型變壓器,目前越來越多的在常速、重載、高速鐵路中采用。
三相V/V接牽引變壓器由于兩相容量不相等,因此,其差動保護方法與常規牽引變壓器差動保護有所不同。文獻[3]、[4]給出了V/V接牽引變壓器差動保護方案,但采用的是二相式差動保護方案。本文提出了三相V/V接牽引變壓器的三相式差動保護方案,并給出了工程應用實例。
(1)配置差動速斷保護、二次諧波閉鎖的比率制動差動保護、差流越限告警功能;
(2)上述功能均按A,B,C三相分別整定;
(3)中間相相別可設定。
(1)比率制動差動保護
考慮到變壓器各側TA性能、變比有差異以及兩側繞組連接組別的不同,差動回路存在不平衡電流。采用三段式折線特性,能夠保證區外故障不平衡電流最大時不發生誤動,又能保證切除區內故障的靈敏性。動作方程如下:

其中Ic為變壓器額定電流;I′H,I′L分別為校正后的變壓器高壓側和低壓側電流;Icd為穩態比率差動啟動定值;Id為差動電流;Ir為制動電流;K為第一段折線的斜率,整定范圍(0.2≤K≤0.7),推薦整定為K=0.5。第二段折線斜率固定為0.7。拐點1固定為0.6Ie,拐點2固定為4Ie。比率制動特性曲線見圖1。圖中Isd為差動速斷保護定值。

圖1 比率制動特性曲線
(2)勵磁電涌閉鎖原理
為防止牽引變壓器合閘時的勵磁電涌引起差動保護誤動,采用三相差動電流中二次諧波與基波的比值作為勵磁電涌閉鎖判據。動作方程如下:

式中Idφ2為差動電流中的二次諧波分量;Kxb2為二次諧波制動系數整定值,Idφ為差動電流中的基波分量。
采用或門閉鎖方式,即三相差流中某相判為勵磁電涌,閉鎖整個比率差動保護。
差動保護的接線方式與牽引變電所和三相V/V接牽引變壓器的接線方式密切相關。因此,需要了解其常規接線方式。鐵路沿線各牽引變電所的三相V/V變壓器一般需換相接線。例如,各個供電臂按AB、-BC、CA、-AB、BC、-CA、AB的順序,每6個變電所構成一個循環[2],如圖2所示。

圖2 三相V接牽引變電所換相連接示意圖
從圖2可見,V/V接線的方式有正V/V接線(V/V-12)和反V/V接線(V/V-6)兩種(見圖3),二者交替出現。

圖3 三相V接牽引變壓器接線方式示意圖
圖2所示換相連接方式下,三相V/V牽引變壓器二次側共有6種各種電壓組合,其相量關系如圖4所示。可見,二次側電壓的夾角總是保持為60°不變。
由于相牽引變壓器只有正V/V接線(V/V-12)和反V/V接線(V/V-6)兩種接線方式,高低壓側相位關系不是同相就是反相,因此,高低壓側CT均按星形接線即可。另外,考慮到牽引變電所換相連接,中間相(接地相)并非固定不變,因此,以X,Y,Z代表A,B,C三相。差動保護接線見圖5。

圖4 三相V接牽引變壓器相量關系示意圖

圖5 三相V接牽引變壓器差動保護接線示意圖
由于變壓器二組線圈容量不同,正常運行以及故障時,各相電流大小、保護靈敏度均有所不同[2],因此,差動保護各相的動作邊界、保護定值需按A,B,C三相分別整定計算。以圖5為例(以X,Y,Z代表A,B,C三相,其中Y為中間相),介紹差動保護的整定計算。
(1)額定電流計算
非中間相(邊相):

其中SXe、SZe為額定容量(kVA);UH為高壓側額定電壓(kV);nH為高壓側CT變比。
中間相(Y):中間相電流為兩個邊相電流之向量和。根據圖4,兩邊相電流夾角為60°,因此,中間相額定電流計算如下(參見圖6)。

圖6 B相電流計算示意圖

(2)校正方式
高壓側:

低壓側:

平衡系數:

式中UH,UL為高、低壓側額定電壓;nH,nL為變壓器高、低壓側CT變比。
(3)差動速斷保護整定計算
差速斷定值需躲過變壓器最大合閘勵磁電涌。

式中m為A,B,C相;Kk為可靠系數,取5~10。
(4)比率差動保護整定計算
差動電流定值需躲過最大負荷電流下的不平衡電流,并要保證變壓器內部故障時有足夠的靈敏度。一般根據實際情況可取(0.3~0.6)Ie·m;第一段折線斜率KID取0.2~0.7,一般取0.5;二次諧波制動系數取0.1~0.5,一般取0.15,重載AT供電系統可取0.12。
某110kV牽引變電所采用三相V/V不等容牽引變壓器,系統參數見表1。

表1 系統參數表
差動保護整定計算如下:
(1)額定電流計算

(2)整定計算(表2)

表2 整定計算結果表
設牽引變壓器為V/V-12接線,見圖5(a)。定值整定見表2。
(1)試驗1:區內故障
以區內低壓側α相接地故障為例(見圖7),其他故障與此類似。

圖7 V/V-12牽引變壓器接地短路故障
施加量計算:
由于變壓器為V/V-12接線,且以指向變壓器為正方向,故
低壓側校正后電流:

差動保護計算結果見表3。

表3 試驗1差動保護計算結果表
其中,C相動作邊界為:3.18+0.5·(3-2.73)=3.32;A相和B相由于制動電流小于拐點1電流,故動作邊界就等于表2中的差動動作電流。見圖8。

圖8 C,B相差動保護動作區示意圖
(2)試驗2:正常負荷
低壓側電流:
低壓側校正后電流:

差動保護計算結果見表4。

表4 試驗2差動保護計算結果表
針對三相V/V不等容牽引變壓器提出了三相差動保護方案。中間相可設定,并給出了中間相電流幅值和相角的計算公式。介紹了具體實現方案和現場試驗方案,對工程人員有一定指導意義。
[1]邱長文.三相V/V接牽引變壓器在工程設計中的應用[J].華東交通大學學報.2005(05):100-106.
[2]符德川.三相V/V接線牽引變壓器的應用[J].鐵道機車車輛.1999(04):47-51.
[3]楊衛國,邵周杰,許 江.V/V不等容牽引變壓器保護方案及應用[J].電氣化鐵道.2004,(06):9-12.
[4]劉 巍.V/V接線變壓器差動保護方案研究[J].電力系統保護與控制,2011,39,(10):130-134,139.