京滬高鐵李營牽引變電所比率差動故障的分析

肖世輝，李 瑞

（中鐵電氣化局，1.工程師，2.高級工程師，天津 300380）

1 設備情況

京滬高鐵李營牽引變電所位于京滬高速鐵路的K 9+333處，為直供加回流的供電模式，承擔著為京滬高鐵正線（里程為K 5—K 19）、北京動車所和走行線的供電任務。李營牽引變電所的設備結構包括主變壓器，其接線方式為VV 形式，電壓變換等級為220 KV/27.5 KV，設備廠家為新疆特變；高壓側CT（電流互感器）變比為800/1，低壓側CT變比為2 500/1；進線側電壓等級為220 KV，整體結構為全密封的SF6 GIS 組合電器設備，設備廠家分別為220 KV 的蘇州阿海琺和27.5 KV的廈門ABB；微機保護裝置型號為TA 21綜合自動化系統，設備廠家為成都交大許繼有限公司。李營牽引變電所主接線形式如圖1所示。

圖1 李營牽引變電所主接線示意圖

2 故障簡介

李營牽引變電所于2012年6月23日21：15：36，1、3#主變主保護裝置比率差動元件和差速斷元件保護動作，同時1、3#主變后備保護裝置1#B 壓力釋放保護動作，備自投成功。為了查清故障原因，我們注意到故障發生時天氣情況為雷陣雨，有大風；首先查閱了相關故障報文，記錄如下：

故障序號：21

故障時間：2012-06-23 21：15：36.823

報告類型：變壓器主保護

主變號：1,3號主變

跳閘標志：跳閘

故障動作：差動速斷元件動作,比率差動元件動

UAB：101.23 V；UBC：104.32 V；UCA：103.57 V；

IA：1.47 A；IB：1.47 A；IC：0.00 A；Iα：0.01A；

Iβ：0.00 A

事件1：1 ms A相差動啟動I=1.46 A

事件2：1 ms B相差動啟動I=1.47 A

事件3：2 ms A相差動速斷啟動I=1.46 A

事件4：4 ms A相差動出口I=1.47 A

事件5：4 ms B相差動出口I=1.47 A

事件6：74 ms A相差動返回I=1.30 A

事件7：74 ms B相差動返回I=1.30 A

事件8：75 ms A相差動速斷返回I=1.30 A

故障序號：64

故障時間：2012-06-23 21：15：36.888

報告類型：變壓器后備保護

主變號：1,3號主變

跳閘標志：跳閘

故障動作：（AT）壓力釋放1/（BT）壓力釋放

IA：669 A；IB：575 A；IC：0A；Iα：6 A；Iβ：0A；

Uα：0.35 KV；Uβ：1.72 KV

事件1：0 ms B相過負荷Ⅰ段啟動I=245 A

事件2：1 ms B相過電流啟動I=493 A

事件3：2 ms A相過負荷Ⅱ段啟動I=620 A

事件4：2 ms B相過負荷Ⅱ段啟動I=493 A

事件5：3 ms A相過負荷Ⅰ段啟動I=620 A

事件6：4 ms α相過電流啟動I=7 005 A

事件7：5 ms A相低壓啟動U=16.32 KV

事件8：5 ms A相過電流啟動I=834 A

事件9：84 ms α相過電流返回I=1 572 A

事件10：145 ms B相低壓啟動U=16.43 KV

事件11：165 ms 壓力釋放1出口

事件12：193 ms A相過電流返回I=332 A

事件13：194 ms A相過負荷Ⅱ段返回I=152 A

事件14：195 ms A相過負荷Ⅰ段返回I=152 A

事件15：195 ms B相過負荷Ⅰ段返回I=74 A

事件16：197 ms B相過電流返回I=2 A

事件17：198 ms B相過負荷Ⅱ段返回I=2 A

同時，我們還查閱了故障錄波圖形，分別見圖2和圖3所示：

圖2 后備保護裝置故障錄波示意圖

圖3 主變主保護故障錄波示意圖

3 保護原理

牽引變壓器的保護分為電量保護和非電量保護，其中電量保護中的差動保護由于具有延時短和反應靈敏等特點，作為牽引變壓器的主保護。差動保護是依據基爾霍夫KCL定律即，它表示變壓器側電流的向量和為零，其物理意義是：當變壓器正常運行或外部故障時，若忽略勵磁電流損耗及其他損耗，則流入變壓器的電流等于流出變壓器的電流；當變壓器內部有故障時，則流進變壓器的電流不等于流出變壓器的電流，其差動保護元件動作，切除故障變壓器。

李營牽引變電所使用的主變主保護裝置型號為WBH-892Z，主變后備保護裝置型號為WBH-892H。

1)主變主保護裝置為WBH-892Z保護裝置。為了便于表達相關原理，現將主變高壓側引入保護裝置的電流統一用表示，將主變低壓側引入保護裝置的電流折算到主變高壓側的電流用表示。

對于V/V接線變壓器有：

V/V接線變壓器電流平衡關系：

則差動電流為：

制動電流為：

變壓器三相差動保護采用具有比率制動特性的差動保護，特性曲線如圖4所示。

圖4 比率制動特性曲線

比率差動保護判據為：

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

2)主變后備保護裝置WBH-892 H 保護裝置中設有非電量保護，可實現變壓器重瓦斯、輕瓦斯、溫度I和II段、油位高和低、壓為釋放、油壓速動等各種非電量信號的出口跳閘或信號指示功能，另外可以根據需要設置低電壓啟動過電流保護、過負荷保護和零序過電流（電壓）等電量保護。

4 故障分析

4.1 饋線保護未啟動跳閘原因分析 從圖2 可以看出主變低壓側Iα電流，突然從正常值大幅升高至5 100 A 左右，且母線電壓Uα大幅降低至16 KV 左右，說明其相關α 饋線側出現了短路接地故障，但由于未達到α饋線開關跳閘條件（饋線保護有阻抗I、II段距離保護和過電流保護），主要原因是跳閘延時未達要求（從圖2 可以看出大電流只持續了三個半周波約為0.07 S，而從相關定值單可得出延時最短的也為0.1 S），所以相關饋線保護裝置雖啟動，但無任何保護功能出口引起饋線開關跳閘。

4.2 主變差動保護動作原因分析 利用相關數據通過公式2可得出其平衡系數為KPH=2.56，然后從圖3 得出的數據和故障報文上給出的數值利用公式（3）和公式（4）得出ICDA=1.46A ＞ISD，滿足公式5 的相關保護跳閘判據，所以差動速斷元件動作,比率差動元件動作。

初步結論：由于主變后備保護1#主變壓力釋放保護動作，且綜合以上數據綜合分析，因此可以初步判定由于主變外部的α饋線側受到雷雨大風天氣的影響產生了接地短路故障，進而引發了1#主變內部發生了接地短路故障。

5 故障原因

經現場技術、檢修人員和變壓器廠家聯合檢查確認，發現1#主變低壓側a 套管的連接銅棒與主變繞組的引出線壓接部分的連接螺栓未壓緊，且此處有明顯的放電燒傷痕跡，因此得出以下結論：由于雷雨大風天氣對接觸網線路的影響，α饋線側出現了接地短路故障，因此1#主變低壓側產生了大電流。由于此電流電動力的作用，促使主變低壓側a 套管處的繞組和金屬導體未壓接的連接處產生大范圍的電動力振動，使得連接處對主變外殼絕緣距離不足，造成導體部分對主變外殼產生了放電現象，從而使得主變差動速斷和比率差動保護動作。

另外由于此次放電產生的電弧對變壓器絕緣油進行的分解作用，也使得1#主變的壓力釋放保護繼電器動作。

6 結束語

京滬高鐵作為中國高鐵走向世界的名片，社會影響和政治影響極其巨大。其中牽引變壓器作為牽引供電系統中的核心設備，且在單體設備中造價最高，它的安全運行和牽引供電系統的穩定運行關乎重大的經濟和社會效益，為此，很多經驗還需要好好地總結和積累，各種各樣的問題也需要系統地分析歸納，希望此文能為相關檢修和技術人員探索更加有效防范牽引變壓器故障、確保高鐵運行安全的方法，起到參考和借鑒作用。