牽引變電所變壓器差動保護故障分析和處理

徐 科 中國鐵路上海局集團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行，為我國的運輸業作出了巨大的成就，牽引變電所是電氣化鐵路的動力來源，其正常穩定運行至關重要。牽引變電所饋線停電等故障輕則會導致列車誤點，重則打鐵路亂運輸。牽引變電所內設備比較復雜，隨著設備運行時間增長，不時有故障發生，這要求各供電單位嚴格按照相關規章制度執行，按各標準進行運行、維護、檢修、試驗。對現場設備缺陷故障進行整理、分析，從管理上進行加強，從技術業務上進行提高，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供應的電能轉變為適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，原邊產生一次電流，在變壓器鐵芯中產生交變的磁通，由電磁感應原理交變的磁通使次邊產生感應電壓，其原邊、次邊的在理想狀態下功率是一致的。變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的元件。

2 主變差動故障

2.1 主變差動保護的原理

變壓器的差動保護基本原理是反應被保護變壓器各端流入和流出電流的電流差。

牽引主變壓器差動保護的范圍是高壓側流互到低壓側流互之間的設備，包括牽引主變壓器及變壓器兩側的電纜或架空線。

現場運行的單相主變保護裝置采用三段式差動保護。它的原理為裝置采集高壓側電流 ，低壓側電流 ，為實現高、低壓側之間的差動電流平衡，電流由低壓側向高壓側平衡。

2.2 一起保護裝置故障引起的主變保護差動動作

2.2.1 故障概況

差動報文見圖1。

圖1 差動報文

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

故障概況：某變電所設備在運行過程中，高鐵2B主變低壓側合成電流IL1突然為0，而在高壓側IH1仍存有電流，2B單相保護裝置判斷為差動故障，動作出口發信跳閘。

2.2.2 故障分析及診斷措施

對故障進行分析。對現場進行調查，主變、高壓柜、電纜無明顯異常。

①從保護報文可發現在差動故障時刻2B高壓側IH1為0.13 A，低壓側IL1為0 A。保護定值單：平衡系數3.2，差動速斷電流1.45 A，差動動作電流0.13 A，差動制動電流1（0.36 A），比例制動系數 1（0.4），差動制動電流 2（0.73），比例制動系數 2（0.6）。

根據公式進行計算：

圖2 比率差動保護特性曲線

從比率差動保護特性曲線可確定（見圖2），差動電流為0.13 A等于定值0.13 A、制動電流為0.065 A時，為差動動作第一動作區，且ICD2/ICD=0/0.06=0

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

③從波形還可以看出，UH、IH1、IH2和低壓側UL、IL2一直比較平穩，未出現電壓電流突變現象，出現設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，仍需進一步對保護裝置、主變和連接電纜、電流互感器做檢測試驗，依據實驗數據結果再做詳細分析。

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

圖3 錄波分析

進行試驗查找分析問題，由于該所特殊設計方式，考慮從易到難的方式逐步進行試驗判斷：

①變壓器油器試驗取樣簡單，試驗快速。取2B牽引主變壓器油進行耐壓試驗，運行中的66 kV～220 kV牽引主變壓器擊穿電壓要大于等于35 kV，現場試驗結果為60.23 kV，此項合格。

②油色譜分析：取變壓器油進行分析結果如表1。

表1 油色譜分析結果

根據《上海鐵路局高速鐵路牽引變電所運行、檢修和試驗管理辦法》的要求，運行中變壓器的油中H2與烴類氣體含量（體積分數）超過下列任何一項值時應引起注意：總烴：150 μL/L；H2：150 μL/L；C2H2：5.0 μL/L。比對情況總烴=乙烯（C2H4）+乙烷（C2H6）+甲烷（CH4）+乙炔（C2H2）很小未達到 150 μL/L，氫氣（H2）<150 μL/L，乙炔（C2H2）<5.0 μL/L。此項合格。

③二次回路檢查方便易行。根據2B主變差動保護二次原理圖，對主變低壓側保護回路二次接線進行絕緣測試，從GIS高壓柜流互接線端子及保護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檔測量每根導線對地的絕緣及線間絕緣，測量結果為∞。說明二次線正常。

④懷疑保護裝置采樣存問題。對二次電流回路進行加流試驗，主變低壓側變比保護為2500/1。在高壓柜加模擬量進行電流校核，在2B的12LH2（202GIS高壓柜中）合成二次回路加模擬量為0.1 A時，2B單相變保護裝置IL1為0.1 A，4B單相變保護裝置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，2B單相變保護裝置IL2為0.1 A，4B單相變保護裝置IL1為0.1 A。校驗正常。

⑤從二次回路檢查未發現問題，考慮電流互感器是否存異常，決定對電流互感器時行測試。因為全封閉設備，拆卸下202GIS高壓柜的T相避雷器，通過接入試驗電纜過渡，拆下2B接地相電纜（中性點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2B低壓側進行絕緣試驗，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IL1，決定對2B的低壓側流互進行變比校驗，12LH變比為2500/1。采用大電流發生器SL2對12LHT相一次側加入大電流200 A，2B單相保護裝置保護電流IL1為0.08 A，4B單相保護裝置保護電流IL2為0.08 A，根據變比計算200/2500=0.08 A；對12LHF相一次側加入大電流200 A，2B單相保護裝置保護電流IL1為0.08 A，4B單相保護裝置保護電流IL2為0.08 A，根據變比計算200/2500=0.08 A。未發現異常。

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。因有多種設備相連接，在202柜帶2B主變低壓側電纜進行耐壓試驗，采用試驗電壓30 kV進行了5 min交流耐壓試驗，未發現異常。

⑧將保護裝置采樣模塊送回綜自廠家進行檢測，發現采樣模塊異常，長時間運行后不能穩定進行數據采集。本次故障中，由于2B單相變壓器保護裝置的數據采集模塊在運行過程中，未能采集到2B低壓側合成電流IL1，根據計算出差動電流并達到了差動動作電流定值0.13 A，且此時的制動電流0.06 A在比率差動動作第一區內，根據保護裝置的邏輯圖，差動保護投入、差動在動作區、差動電流二次諧波ICD2與差動電流ICD的比值小于二次諧波制動系數。從本次故障處理的情況看，目的明確，原因是由于2B低壓側合成電流IL1缺失，在整個故障查找分析過程中，始終圍繞著這一點，從二次回路到一次回路進行詳細檢查，最終發現了問題所在。

2.3 故障處置方式

差動動作時對設備運行帶來了很大的影響。故障原因為保護裝置問題，但保護裝置未能發出裝置異常的告警，給故障查找帶來了很大的不便，需要對主變、流互、高壓電纜及二次設備逐個進行試驗檢查，對鐵路搶修的時效性是個挑戰。

本文結合現場實際認為，在處理故障時，首先，進行現場情況調查，從一次設備的外觀等肉眼可見的地方進行調查、檢查，同時聞一下空氣中是否有異味。

其次，進行數據的收集，從后臺讀取報告、報文、錄波，并盡快通過網絡上至相關專業科室、車間。

第三，在搶修人員到達后對值班人員進行詢問同時，分析報告、報文、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，故障時它的電流是完全消失的且一次設備等無明顯異常，有了初步的判斷，可以節省搶修時間。

第四，在對報文的分析上，計算可作簡化處理。第五，出現比較嚴重故障時，搶修人員可以分批出發，為搶修爭取時間同時后繼人員可以思考的更全面，攜帶好所需的設備、工具，不因缺少設備、工具、材料而影響搶修。

保護裝置損壞后最終是進行保護裝置模塊的更換，更換完成對其進行電流、電壓、差動、過流、過負荷等相關功能的校驗、核對，以確保其功能正確完備。同時，注意主程序、邏輯程序的需與原裝置一致。

3 結論

通過對牽引變電所變壓器及其保護常見故障分析和處理，基本分為幾步。第一，當故障發生時，現場設備檢查，收集數據，觀察故障現象。第二，根據故障情況，進行深入分析，有報文錄波先行分析，查找具體原因。第三，根據分析判斷確定查找方向，進行故障處置，根據現場情況，實施恢復。第四，進行總結，提出診斷方法或預防措施。不難發現其復雜多樣的設備在出現故障時，只要深入進行分析，由表象到深入內部，查找出具體的原因，問題均可解決。困難之處在于新生設備在投入運行前，還未有相關技術措施進行故障診斷，無法進行確認設備的運行狀態。如27.5 kV GIS柜，其全電纜進出的方式，在高鐵天窗點時間內是不可能進行拆卸試驗，其試驗必將是一個不停電的在線試驗。從高鐵的發展來看，在線試驗，在線監測將取代原來的傳統電氣試驗。由周期修向狀態修發展是個趨勢，也是個方向。只要在解決了在線監測、試驗的瓶頸，牽引變電所無人化將大規模實施。