電氣化鐵路供電體系中繼電保護故障分析

莘富龍

【摘 ?要】隨著國民經濟的迅速發展，電力需求日益增加，安全可靠供電顯得越來越重要。用戶對電能質量及供電的可靠性更高的要求，為了滿足這一要求，關鍵問題之一便是要保證輸配電網中重要的電氣設備電力變壓器的安全運行，合理選擇相應系統特點的繼電保護裝置便顯得更為突出。國內外變壓器運行事故表明，短路事故是引起變壓器損壞，從而影響電網供電的主要原因之一。本文首先簡要介紹了變壓器的組成以及對應一些常見的故障、異常工作狀態下所采取的保護方式，然后對一個110kV變電所三相三繞組主變壓器及其饋線故障及繼電保護的配置及相關的保護原理進行了詳細的討論，作為選購相應繼電保護裝置的依據。

【關鍵詞】110KV;變壓器;繼電保護

一. 牽引變壓器故障、異常工作狀態及其保護方式變壓器是電力網中重要的電氣設備，為了電力網安全、經濟運行滿足用戶的需求及負荷調度的靈活性，在牽引變電所運行中一般有兩臺及以上的變壓器主備用運行;通常采用絕緣等級高的變壓器，對其中性點接地方式必須進行合理的選擇。變壓器的故障可以分為油箱內部故障和油箱外部故障。油箱內部故障有，繞組的相間短路、繞組的匝間短路、中心點直接接地系統側繞組的接地短路。變壓器發生內部故障是很危險的，因為故障點的高溫電弧不僅會燒壞繞組絕緣和鐵心，而且可能由于絕緣材料和變壓器油在高溫電弧作用下強烈氣化引起油箱爆炸。油箱外部故障主要有，油箱外部絕緣套管，引出線上發生相間短路和接地短路。變壓器的異常工作狀態有過負荷;由外部短路引起的過電流;油箱漏油引起的油位下降;外部接地短路引起未接地中性點過電壓;繞組過電壓或頻率降低引起的過勵磁;變壓器油溫升高和冷卻系統故障等。

110kV變壓器、27.5KV保護的配置及相關原理對牽引變電所主接線的分析鑒于二次回路繼電保護和自動裝置與一次回路接線緊密相關，根據已知的原始資料提出主接線方案如下。（1）擬定方案原則。變壓器臺數和容量的選擇直接影響主接線的形式和配電裝置的結構。它的確定除依據傳遞容量等基本原始資料外，還應依據電力系統5～10年的發展規劃、輸送功率大小、饋線回路數、電壓等級以及接入系統的緊密程度等因素，進行綜合分析和合理選擇。本次設計內容是對該110kV牽引變電所主保護裝置、后備保護裝置及其饋線進行繼電保護配置和整定。三種電壓等級分別為110kV、35kV和10kV。通常牽引變電所主接線的高壓側，應盡可能采用斷路器數目較少的接線，以節省投資，隨出線數目的不同，可采用橋形、單母線、雙母線及角形接線等。如果牽引變電所電壓為超高壓等級，又是重要的樞紐牽引變電所，宜采用雙母線帶旁母接線或采用一臺半斷路器接線。牽引變電所的低壓側常采用單母分段接線或雙母線接線，以便于擴建。110KV母線應選擇六氟化硫斷路器，6kV～10kV、27.5KV饋線應選輕型斷路器，如真空斷路器。

二.斷路器檢修時，對連續供電的影響程度。

1.線路能否滿足負荷對供電的要求。2.經濟合理易于擴建。方案的擬定。通過對給定的原始資料進行分析，結合對電氣主接線的可靠性、靈活性及經濟性等基本要求，綜合考慮。在符合技術、經濟政策的前提下，力爭采用供電可靠，經濟合理的主接線方案。此主接線還應具有足夠的靈活性，能適應各種運行方式的變化，且在檢修、事故等特殊狀態下操作方便、調度靈活、檢修安全、擴建發展方便。變電所110kV側采用外橋接線，35kV采用單母線分段接線且保持一臺變壓器中性點接地同時10kV采用雙母線接線。

2. 牽引變電所主變壓器的繼電保護配置（1）差動保護：保護范圍110KV電流互感器及主變壓器低壓側27.5KV之間反應油箱內故障及油箱外套管、引線故障（包括相間、對地故障）動作于高低壓斷路器跳閘。（2）氣體保護，反應油箱內故障，分輕、重氣體保護：輕氣體動作于信號，重氣體動作于三側跳閘并發信號。

3. 相間故障過電流保護：作本身及出線的后備保護。所設計的主變為雙側電源三繞組變壓器為保證保護動作的選擇性和快速性，三側均裝設過流保護，動作時間短的35kV側的保護加裝方向元件：方向為指母線、跳本側同時加裝一套不帶方向的保護，以最大時限跳三側，作縱差保護的后備，零序電流和零序電壓保護。反映110kV中性點接地系統主變高壓側及饋線單相接地的后備保護，保護分三Io保護的最短時跳開開關，Vo保個時限。即等于各側短路電流（二次值）的總和。必須指出的是，由于變壓器一、二次電流、電壓大小不同，相位不同，電流互感器特性差異，電源側有勵磁電流，都將造成不平衡電流流過繼電器差動回路，必須采用相應措施消除或減少不平衡電流的影響。這樣在正常及區外短路時，保護不會動作，而發生內部故障時，保護將靈敏動作

4. 為保證三繞組變壓器差動保護的可靠性和靈敏性，應注意以下幾點。①各側電流互感器的變比應統一按變壓器額定容量來選擇。②外部短路時的三繞組變壓器的不平衡電流較大，宜采用帶制動特性的BCH-1型差動繼電器，若BCH-1型仍不滿足靈敏性要求，可采用二次諧波制動的比率制動式差動保護。（2）氣體保護。氣體保護是變壓器內部故障的主要保護，對變壓器匝間和相間短路、鐵芯故障、繞組內部斷線及絕緣劣化和油面下降等故障均能靈敏反應。當油浸式變壓器的內部發生故障時，由于電弧燃燒使絕緣材料分解并產生大量的氣體，其強烈程度隨故障的嚴重程度不同而不同。氣體保護就是利用反應氣體狀態的氣體繼電器（又稱瓦斯繼電器）來保護變壓器內部故障的。在氣體保護繼電器內，上部是一個開口杯，下部是一塊金屬檔板，兩者都裝有密封的干簧接點。開口杯和檔板可以圍繞各自的軸旋轉。在正常運行時，繼電器內充滿油，開口杯浸在油內，處于上浮位置，干簧接點斷開;檔板則由于本身重量而下垂，其干簧接點也是斷開的。當變壓器內部發生輕微故障時，氣體產生的速度較緩慢，氣體上升至儲油柜途中首先積存于氣體繼電器的上部空間，使油面下降，開口杯隨之下降而使干簧接點閉合，接通延時信號，這就是氣體保護;當變壓器內部發生嚴重故障時，則產生強烈的氣體，油箱內壓力瞬時突增，產生很大的油流向油枕方向沖擊，因油流沖擊檔板，檔板克服彈簧的阻力，帶動磁鐵護以較長時限跳中點不接地的主變，最后Io保護以最長時限跳開中點接地的主變。

5. 過負荷保護：由接于單相的CT反映主變對稱過負荷，對該雙側電源三繞組主變，在三側均裝設，各側過負荷保護經同一時間繼電器發延時信號（10s）。

6. 差動保護是變壓器的主保護。變壓器差動保護的工作原理與線路縱差保護的原理相同，都是比較被保護設備各側電流的相位和數值的大小。由于變壓器高壓側和低壓側的額定電流不相等再加上變壓器各側電流的相位往往不相同。因此，為了保證縱差動保護的正確工作，須適當選擇各側電流互感器的變比及接線方式，使各側電流相位的補償，從而使正常運行和區外短路故障時，兩側二次電流相等。三繞組變壓器差動保護的動作原理和雙繞組變壓器差動保護的動作原理是一樣的，也是按循環電流原理構成。正常運行和外部短路時，三繞組變壓器三側二次電流向量和為零。

三.牽引電系統發生故障后，為快速排除故障對運輸生產的影響，加強作業人員業務素質。按照故障現象變現為當牽引供電系統發生故障或異常時，在可能切除故障的最短時間和最小故障區域內，自動將故障設備從

1.電流量增大。短路時故障點與電源之間的電氣設備和接觸網及或貫通線路上的電流將由平時的負荷電流增大至幾倍甚至幾十倍的負荷電流。

2.電壓降低。當發生相間短路和接地短路故障時，系統各點的相間電壓或相電壓值下降，且越靠近短路點，電壓越低。

3.電流與電壓之間的相位角改變。正常運行時電流與電壓間的相位角是負荷的功率因數角，一般約為20°，貫通線三相短路時，電流與電壓之間的相位角是由線路的阻抗角決定的，一般為60°～85°。

4.測量阻抗發生變化。測量阻抗即保護安裝處電壓與電流之比值。正常運行時，測量阻抗為負荷阻抗;金屬性短路時，測量阻抗轉變為線路阻抗，故障后測量阻抗顯著減小，而阻抗角增大。

不對稱短路時，出現相序分量，如兩相及單相接地短路時，出現負序電流和負序電壓分量;單相接地時，出現負序和零序電流和電壓分量。這些分量在正常運行時是不出現的。

根據以上故障現象，可快速判斷故障范圍，及應急處理方案，最大限度縮短故障延時，將最大限度減少對運輸生產影響。

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（作者單位：神華包神鐵路公司）