牽引變電所低壓模擬校驗原理

李立春

（中鐵建電氣化局集團第三工程有限公司 電力分公司，河北 保定 074000）

0 引言

牽引變電所是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的電源，其穩(wěn)定、安全運行直接影響電氣化鐵路的輸電效率。變電所一次送電是否成功可體現(xiàn)施工單位的技術水平。由于交接試驗的一次高壓試驗和二次綜保試驗由不同試驗組完成，二者的接口檢查容易存在漏洞、試驗盲區(qū)；差動保護調(diào)試較為復雜，差動問題往往暴露在熱滑之后，后期整改極其繁瑣，給送電、運行造成隱患。

牽引變電所采用工頻（50 Hz）、單相交流電，額定電壓為27.5 kV 或2×27.5 kV，其核心元件為牽引變壓器，將電力系統(tǒng)供應的電能轉換為適于牽引供電的電能。牽引變壓器的接線方式包括：YNd11 接線、純單相接線、Vx接線、三相-兩相平衡接線等，目前電氣化鐵路主要采用Vx接線變壓器。

以某鐵路牽引變電所為例，簡述交接試驗后至送電前，利用三相0.4 kV電源進行模擬校驗的原理。

1 總體方案

為了讓牽引變電所正常運行，必須設置開關設備、計量設備、保護設備等裝置，這些裝置需要準確采集牽引供電系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù)，才能起到計量、保護等作用。低壓模擬校驗回路狀態(tài)決定牽引變電所能否送電成功和穩(wěn)定運行。高壓進線側采用三相AC 0.4 kV電源，在變壓器低壓側各饋線適當位置做接地、短路或懸空，根據(jù)變壓器變比、阻抗等參數(shù)，設計出相應工況等效電路圖，并計算各工況下的電壓回路、電流回路數(shù)據(jù)，為試驗提供參考依據(jù)。試驗能夠驗證回路接線和參數(shù)設置的正確性。

Vx 接線牽引變壓器是三繞組變壓器，每相有2 個次邊繞組，在所有能用于AT 供電方式的變壓器中，Vx 接線變壓器結構相對簡單、容量利用率高，兩繞組容量可分別配置，對電力系統(tǒng)負序的影響同Vv 接線變壓器相當。Vx 接線牽引變壓器已在我國多條高速鐵路使用，成為我國高速鐵路牽引變壓器的主要選擇方案之一。通過對Vx變壓器的原理分析，建立電路模型。

變壓器的故障分為內(nèi)部故障和外部故障，其中內(nèi)部故障主要包括變壓器油箱內(nèi)所發(fā)生的故障，如線圈的相間短路、一相接地短路、線圈層間短路、匝間短路及鐵芯燒壞等；外部故障主要包括變壓器油箱外所發(fā)生的故障，如套管故障、引出線故障等。變壓器的不正常工作狀態(tài)分為過電流、過熱、油面異常降低等，其中過電流由外部短路或過負荷引起，過熱由過電流或冷卻系統(tǒng)異常引起，油面異常降低由漏油引起。針對變壓器的各種故障和不正常運行狀態(tài)，設置各種保護，其中差動保護為主保護。

規(guī)定對并聯(lián)運行（容量為6 300 kVA及以上）、單臺運行（容量為10 000 kVA及以上）的變壓器裝設差動保護。2 000 kVA及以上的變壓器如果電流速斷保護的靈敏系數(shù)不能滿足要求，也應裝設差動保護。差動回路接線和參數(shù)設置準確性決定差動保護能否起到主保護的作用。

2 電壓回路

基本假設：（1）電源為標準的0.4 kV，相序為正相序，為變電所進線供電。（2）相應的一次、二次回路接線完畢。

電壓回路原理：電壓回路采集變電所內(nèi)220 kV 和27.5 kV母線電壓。DK3531A電鐵變壓器后備保護裝置、DK3571B 電鐵綜合測控裝置、DK3582A 電鐵自動投切裝置、DK3520A 電鐵饋線保護測控裝置和DK3571A 電鐵故障測距裝置均要通過二次電壓回路采集電壓。

（1）220 kV 電壓回路。變電所高壓側電壓回路二次原理見圖1。

牽引變電所高壓側電壓互感器二次電壓：220 kV/0.1 kV=0.23 kV/X，得X=0.1 V。

（2）27.5 kV 電壓回路。變電所低壓側電壓回路二次原理見圖2。

圖1 變電所高壓側電壓回路二次原理圖

圖2 變電所低壓側電壓回路二次原理圖

牽引變壓器低壓側母線一次電壓：220 kV/27.5 kV=0.4 kV/X，得X=50 V。

牽引變壓器低壓側母線電壓互感器二次電壓：27.5 kV/0.1 kV=50 V/X，得X=0.18 V。

牽引變電所母線電壓向量見圖3。

圖3 牽引變電所母線電壓向量圖

3 電流回路

基本假設：（1）相關牽引變壓器參數(shù)見表1、表2。（2） 以27.5 kV 側T1接 地 為 例，可 采 集204LHT、214LHT相二次電流。

27.5 kV 側一相接地的等效電路見圖4（軟母線較短，其阻抗值忽略不計，只考慮變壓器的短路阻抗）［1-2］。計算過程以27.5 kV側T1接地為例，對應的短路阻抗為13.2%。

表1 變壓器參數(shù)（一）

表2 變壓器參數(shù)（二）

圖4 27.5 kV側一相接地的等效電路圖

式中：IAB為高壓側A 相額定電流；Z 為阻抗實際值；UAB為高壓側額定電壓；UK為阻抗電壓；I 為試驗高壓側A相一次電流；U為0.4 kV試驗電源電壓。

由式（1）、式（2）得：I=1.97 A。

反映到保護裝置DK3530A、DK3531A、DK3571B的對應二次電流i=I/60=0.033 A。

27.5 kV側一次電流IT1=I×8=15.760 A。

204LHT相二次電流=IT1/400=0.039 A。

214LHT相二次電流=IT1/250=0.063 A。

觀察記錄DK3530A、DK3531A、DK3571B、DK3520A和DK3571A的二次電流。

依次做其余27.5 kV電流互感器的二次電流測試。

4 差動回路

204LHT 和204LHF 的接法，目的是取T 和F 相電流之和。這個電流之和反映到一次側即為機車的額定電流。差動回路見圖5。

圖5 差動回路

基本假設：（1）203LHT、F，204LHT、F短路不接地。（2）參考變壓器參數(shù)可知，AB 對應H-T-F 短路阻抗值10.5%，BC對應H-T-F短路阻抗值10.3%。（3）將高壓流互變比接頭轉換為300∶5（比例變小二次電流值變大，易于觀測，試驗后根據(jù)定值單調(diào)整流互變比）。

式中：IAB為A相電流；ZAB為高壓側抗阻；UAB為線電壓；UK1為阻抗電壓；IA為220 kV一次電流；U為0.4 kV電壓。可得，220 kV一次電流IA=2.45 A。同理可得：IC=2.53 A。故27.5 kV側一次電流IT1=IF1=9.80 A，IT2=IF2=10.12 A。

220 kV 側電流向量見圖6，27.5 kV 側電流向量見圖7（以AC 0.4 kV電源為正相序舉例）［3-8］。

圖6 220 kV側電流向量圖

圖7 27.5 kV側電流向量圖

DK3530A 差動計算原理、變壓器兩側電流平衡關系（CT二次側）：

B相、C相差動電流、制動電流計算方法類似。

針對不同假設，計算結果見表3。

差動回路常見錯誤如下：

（1）差動回路兩點接地。

（2）27.5 kV 側T 與F 接線極性一致，導致Iα= 0 A或Iβ= 0 A，ICD= 0.04 A，IZD=0.02 A。

（3）α與β相接線交叉。

（4）參數(shù)設置中流互變比與實際不一致，平衡系數(shù)K算錯。

（5）220 kV 高壓電流互感器的分接開關位置錯誤，與系統(tǒng)不匹配。

表3 不同假設的計算結果

5 結論

（1）通過上述方法經(jīng)常能檢查出一些問題，這些問題如果不及時發(fā)現(xiàn)，很可能造成送電失敗，甚至釀成事故，大致分為以下幾類：

①隔離開關的主觸頭接觸不實，造成電流不能形成回路；

②母線連接螺栓未緊固，造成電流不能形成通路；

③220 kV側電壓互感器二次線接至零序繞組；

④電流回路的極性錯誤和接線錯誤；

⑤電流回路的開路；

⑥差動保護的錯誤，可能危及行車。

（2）求得的計算值與實測值相符，可迅速定位各電壓、電流回路故障范圍，保障牽引變電所送電成功和運營穩(wěn)定。

（3）通過原理分析，牽引變電所低壓模擬校驗的關鍵在于穩(wěn)定的0.4 kV 電源，若電源電壓升高，并滿足回路容量，可升高回路電壓、電流值，將拓展此方法的適用性。