基于RTDS仿真試驗的變壓器缺相故障判斷方法研究

南京國電南自軌道交通工程有限公司 沈珂婷

目前國內(nèi)電氣化鐵路領(lǐng)域?qū)τ跔恳儔浩魇罕Ｗo(hù)一般僅僅判斷變壓器三相均失壓的情況，卻很少考慮進(jìn)線單相失壓的故障情況[1-2]，使得變壓器缺相時常規(guī)失壓保護(hù)不動作，繼而無法完成備自投動作。實際上變壓器缺相運行可能會導(dǎo)致對應(yīng)相的供電臂失電，造成接觸網(wǎng)無壓而停車等危害。現(xiàn)有對變壓器缺相故障分析大多集中于10kV和35kV的配電系統(tǒng)中[3]，針對110kV以上牽引變壓器研究很少，再加上牽引變壓器類型較多，不同類型的變壓器缺相時的表現(xiàn)特征也不相同，通常只能針對某些結(jié)構(gòu)特殊的變壓器使用特定方法分析[4-5]。

1 實時數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)（RTDS）

實時數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)是為了實時仿真電力系統(tǒng)暫態(tài)過程而專門設(shè)計的并行計算機系統(tǒng)，克服了以往非實時仿真系統(tǒng)不能與外部物理設(shè)備實時交互試驗的問題，以及常規(guī)模擬仿真系統(tǒng)搭建費時且價格昂貴的問題，是目前電力系統(tǒng)領(lǐng)域用來研究復(fù)雜電力系統(tǒng)現(xiàn)象的先進(jìn)方法。

為了研究變壓器缺相運行狀況，利用實時數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)分別模擬了牽引變電站直供模式供電和AT模式供電，并按照變壓器不同接線方式分別進(jìn)行建模。為了盡可能全面綜合地試驗，選取了常見的七種變壓器類型，分別為Vv、Vx、Ii、Iii、YNd11、YNv和SCOTT類型，仿真測試了不同類型變壓器在高壓側(cè)A、B、C三相電壓分別發(fā)生缺相時，變壓器高、低壓側(cè)的線電壓和相電壓發(fā)生的變化，結(jié)合變壓器原理和試驗數(shù)據(jù)，綜合推導(dǎo)出各類變壓器缺相故障的判斷條件。

2 RTDS仿真試驗數(shù)據(jù)

以下RTDS仿真試驗數(shù)據(jù)中記錄的電壓值均為二次值，并且建模時設(shè)定高壓側(cè)線電壓額定值為100V，低壓側(cè)相電壓額定值為100V。

Vv變壓器缺相數(shù)據(jù)。A相缺相時：高壓側(cè)UAB線電壓降為0V，低壓側(cè)Ua相電壓降為0V；B相缺相時：高壓側(cè)UAB、UBC線電壓下降一半，低壓側(cè)Ua、Ub相電壓下降一半；C相缺相時：高壓側(cè)UBC線電壓降為0V，低壓側(cè)Ub相電壓降為0V。

Vx變壓器缺相數(shù)據(jù)。A相缺相時：高壓側(cè)UAB線電壓降為0V，低壓側(cè)UT1、UF1相電壓降為0V；B相缺相時：高壓側(cè)UAB、UBC線電壓下降一半，低壓側(cè)UT1、UF1、UT2、UF2相電壓下降一半；C相缺相時：高壓側(cè)UBC線電壓降為0V，低壓側(cè)UT2、UF2相電壓降為0V。

Ii變壓器缺相數(shù)據(jù)。A相缺相時：高壓側(cè)UAB線電壓降為0V，低壓側(cè)Ua相電壓降為0V；B相缺相時：高壓側(cè)UAB線電壓下降一半，低壓側(cè)Ua相電壓下降一半。

Iii變壓器缺相數(shù)據(jù)。A相缺相時：高壓側(cè)UAB線電壓降為0V，低壓側(cè)UT1、UF1相電壓降為0V；B相缺相時：高壓側(cè)UAB線電壓下降一半，低壓側(cè)UT1、UF1相電壓下降一半。

YNd11變壓器缺相數(shù)據(jù)。A相缺相時：高壓側(cè)UAB、UCA線電壓下降一半，低壓側(cè)Ua相電壓降為0V，低壓側(cè)Ub相電壓下降至倍額定電壓；B相缺相時：高壓側(cè)UAB、UBC線電壓下降一半，低壓側(cè)Ua、Ub相電壓下降至倍額定電壓；C相缺相時：高壓側(cè)UBC、UCA線電壓下降一半，低壓側(cè)Ua相電壓下降至倍額定電壓，低壓側(cè)Ub相電壓降為0V。

YNv變壓器缺相數(shù)據(jù)。A相缺相時：高壓側(cè)UAB、UCA線電壓下降一半，低壓側(cè)Ua相電壓降為0V，低壓側(cè)Ub相電壓下降至倍額定電壓；B相缺相時：高壓側(cè)UAB、UBC線電壓下降一半，低壓側(cè)Ua、Ub相電壓下降至倍額定電壓；C相缺相時：高壓側(cè)UBC、UCA線電壓下降一半，低壓側(cè)Ua相電壓下降至倍額定電壓，低壓側(cè)Ub相電壓降為0V。

SCOTT變壓器缺相數(shù)據(jù)。A相缺相時：高壓側(cè)UAB、UCA線電壓下降一半，低壓側(cè)UT1、UF1相電壓下降一半，低壓側(cè)UT2、UF2相電壓下降至倍額定電壓；B相缺相時：高壓側(cè)UAB、UBC線電壓下降一半，低壓側(cè)UT2、UF2相電壓降為0V；C相缺相時：高壓側(cè)UBC、UCA線電壓下降一半，低壓側(cè)UT1、UF1相電壓下降一半，低壓側(cè)UT2、UF2相電壓下降至倍額定電壓。

3 缺相故障判斷條件

3.1 Vv變壓器缺相判據(jù)

max{UAB、Ua}UYY；min{UAB、UBC、Ua、Ub}>U1，并且max{UAB、UBC、Ua、Ub}UYY；max{UBC、Ub}UYY。其中，UAB、UBC、UCA為高壓側(cè)線電壓，UQX指缺相電壓定值，UYY指線路有壓定值，U1、U2分別指低于1/2倍額定電壓和高于1/2倍額定電壓的電壓定值，構(gòu)成一個浮動區(qū)間（下同）。以上三個判據(jù)分別對應(yīng)變壓器A相、B相、C相電壓缺相，任意滿足一個即可判定Vv變壓器缺相故障。

3.2 Vx變壓器缺相判據(jù)

max{UAB、UT1、UF1}UYY；min{UAB、UBC、UT1、UF1、UT2、UF2}>U1，且 max{UAB、UBC、UT1、UF1、UT2、UF2}UYY；max{UBC、UT2、UF2}UYY。以上三個判據(jù)分別對應(yīng)變壓器A相、B相、C相電壓缺相，任意滿足一個即可判定Vx變壓器缺相故障。

3.3 Ii變壓器缺相判據(jù)

max{UAB、Ua}U1，且max{UAB、Ua}

3.4 Iii變壓器缺相判據(jù)

max{UAB、UT1、UF1}U1，且 max{UAB、UT1、UF1}

3.5 YNd11變壓器缺相判據(jù)

min{UAB、UCA}>U1，且max{UAB、UCA}UYY，且UaU3，且UbU1，且max{UAB、UBC}UYY，且min{Ua、Ub}>U3，且max{Ua、Ub}U1，且max{UBC、UCA}UYY，且UbU3，且Ua

3.6 YNv變壓器缺相判據(jù)

min{UAB、UCA}>U1，且max{UAB、UCA}UYY，且UaU3，且UbU1，且max{UAB、UBC}UYY，且min{Ua、Ub}>U3，且max{Ua、Ub}U1，且max{UBC、UCA}UYY，且UbU3，且Ua

3.7 SCOTT變壓器缺相判據(jù)

min{UAB、UCA、UT1、UF1}>U1，且max{UAB、UCA、UT1、UF1}UYY，且min{UT2、UF2}>U3，且max{UT2、UF2}U1，且max{UAB、UBC}UYY，且max{UT2、UF2}U1，且max{UBC、UCA、UT1、UF1}UYY，且min{UT2、UF2}>U3，且max{UT2、UF2}

綜上，文提出了一種基于RTDS仿真試驗的牽引變壓器缺相故障判斷方法，結(jié)合變壓器原理及RTDS仿真試驗數(shù)據(jù)，分別對Vv、Vx、Ii、Iii、YNd11、YNv、SCOTT七種常見變壓器進(jìn)行缺相故障的判據(jù)分析。該判據(jù)包含了對變壓器高、低壓側(cè)電壓的判斷，適用于變壓器保護(hù)，可更加準(zhǔn)確地判斷變壓器缺相故障。應(yīng)用于進(jìn)線自投裝置，且只采集了高壓側(cè)電壓的情況，可根據(jù)RTDS仿真數(shù)據(jù)，得到包含正序、負(fù)序、零序電壓的缺相故障判據(jù)，可較為準(zhǔn)確地判斷變壓器是否發(fā)生了缺相故障，正確完成后續(xù)的自投動作。本方法在實際應(yīng)用過程中需要注意的是，參數(shù)的設(shè)定要規(guī)避PT斷線的影響。本方法解決了常規(guī)失壓保護(hù)無法檢測缺相故障的缺陷，避免變壓器帶故障運行對整個供電線路產(chǎn)生的不良影響，提高了牽引供電系統(tǒng)運行的可靠性。