高鐵牽引變壓器差動保護的研究和試驗方法

李 瑞

（中鐵電氣化局京滬高鐵維護管理公司，高級工程師，北京100000）

目前高速鐵路中最常用的供電制式為全并聯AT供電，在牽引變電所設置接線組別為VX型的牽引變壓器組，分區所和AT所設有自耦變壓器。此兩種變壓器自身價值最高，可占全部投資的一半以上，且出現嚴重故障后，現場環境一般不具備修復條件，修復周期長，影響范圍較大，因此日常檢修和預防性試驗是其安全的重要保障。差動保護是變壓器的主保護，差動保護的準確性和快速動作直接關系變壓器的安全，因此對差動保護功能的驗證是非常重要的，鐵路規程要求的周期是每年必須進行一次。

1 差動保護原理

本文采用電路圖與數學公式結合方式闡述差動保護原理。

1）牽引供電系統變電所牽引變壓器差動保護原理見圖1牽引變壓器等效電路圖。

圖1 牽引變壓器等效電路圖

圖1 中TR指變壓器，P1和P2指電流互感器的極性，α和β指牽引變壓器低壓總回路名稱。

由圖1可得如下公式：

當I?CDA&I?CDB&I?CDC≥I?red差動保護啟動。

2）分區所和AT所自耦變壓器差動保護原理見圖2自耦變壓器等效電路圖。

圖2 自耦變壓器等效電路圖

在AT全并聯供電模式下采用的自耦變壓器由上圖可得出如下公式：

當自耦變壓器故障發生在F繞組一側時，根據圖2可得如下公式：

同理，當自耦變壓器故障發生在T繞組一側時，可得如下公式：

聯立公式（2）和（3），可得自耦變壓器差動保護原理公式：

當T相和F相電流之差大于差動保護電流設定值，差動保護啟動。

2 工程中的實際應用

圖3 為差動保護在實際工程中兩種二次原理接線圖。

圖3 差動保護在工程實際兩種二次原理接線圖

牽引變壓器和自耦變壓器的差動保護接線原理見圖3差動保護在工程實際兩種二次原理接線圖，此兩種接線方式在工程實踐中都較為常見，（a）方式分別采集所需差動保護電量數據，由裝置內部根據理論模型自行合成，（b）方式直接在電流互感器差動線圈二次端進行連接合成，將合成后的電量數據傳送給差動保護裝置判別。根據圖3（b）方式，牽引變壓器與自耦變壓器差動保護的二次接線雖然完全相同，但根據公式（2）和公式（4）可得知，二者的含義是完全不同的，前者是在做和，提供牽引變壓器低壓側的總電流，后者是在做差。對自耦變壓器進行差動電流計算。

3 試驗方式

技術試驗人員在現場校驗前，為了避免平衡系數的影響，可以先設置為1，以使計算簡單方便。當比率差動保護的設計整定值確定后，動作邊界就相應確定，一般采用三折線的特性曲線，可見圖4比率制動特性曲線。差動保護試驗目的為驗證實際動作邊界是否與設計整定邊界一致。

圖4 比率制動特性曲線

差動電流為：

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。

1）最小動作電流ICD測試：

在變壓器高壓側A、B、C、α和β分別施加整定差動電流值IDZ，保護應可靠動作，誤差應符合技術條件的要求。

2）制動特性斜率K1和K2測試：

制動特性斜率實驗時，要同時輸入兩側電流，而且要注意兩側電流的相位關系，通過對同一斜率測試兩個點的試驗數據來確定制動特性斜率K1和K2的誤差是否符合技術條件。

3）差動保護動作時間的測定

測定差動保護動作時間時，為確保差動保護正確動作，應充分考慮保護裝置的保護固有動作時間，一般要求保護裝置固有動作時間不大于15 ms。

4）二次諧波閉鎖條件的測定

由于變壓器空載投運和線路故障產生或切除時會產生勵磁涌流，從而產生大量諧波分量，為防止差動保護誤動作，采用二次諧波分量的含量來區分故障情況，當二次諧波電流占基波的含量大于二次諧波閉鎖整定值時，使用諧波制動方式閉鎖差動保護。

試驗人員可以利用繼電保護測試儀輸出測試電流，同時輸出諧波電流，以驗證二次諧波閉鎖條件，防止保護誤動作。測試時，為了提高效率和準確性，在滿足差動保護可靠動作的條件下，閉鎖試驗可在邊界數據附近測試時，僅需調整施加的諧波電流數值。

4 試驗過程中的注意事項

無論是在新變壓器的交接試驗中，還是在既有變壓器的預防性驗中，差動保護試驗驗證都必須遵循防止人身傷害，保護設備安全運行，不干擾既有運行設備的原則。

1）新建工程變壓器的差動保護交接試驗，應注意牽引變壓器高壓側公共端的確定，以及牽引變壓器高壓側相和低壓側相的比較關系。在試驗過程中應在綜自廠家的配合下進行試驗，防止誤操作損壞保護裝置，且可以在試驗過程中出現異常時快速解決問題。

2）既有高速鐵路牽引供電系統中的變壓器保護試驗，一般采取V形天窗的形式，即一套系統運行，另一套系統退出運行進行檢修的方式。技術試驗人員在試驗過程中一般采取先進行傳動試驗，然后在保護裝置處進行保護試驗的程序。但由于兩套進線保護系統一般采取相鄰的布置樣式，在試驗過程中，容易發生試驗人員誤入運行區域和誤接連線的情況，對投運中的保護裝置進行試驗，使得正常運行的系統產生誤動作的可能性。因此，切實做到運行區和檢修預試區的有效隔離是確保試驗安全的重中之重，與此同時，增強防護人員和檢修試驗人員的責任心也必不可少。

5 結束語

牽引變壓器和自耦變壓器作為高速鐵路牽引供電系統中的核心設備，無論從影響范圍還是實際價值來考慮，維護其長久的穩定運行有著極其重要的意義，而作為其最重要的防護手段的差動保護能否正常工作是其關鍵，因此差動保護的功能驗證無論在新建牽引變電所的交接試驗，還是在牽引變電所的正常運行中的預防性試驗中都必須引起相關技術試驗人員的重視。