何小勇

0 引言

牽引變壓器是電氣化鐵道供電系統(tǒng)的重要設(shè)備，它的安全運(yùn)行直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸秩序。作為變電所的核心設(shè)備，在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)和日常運(yùn)行過(guò)程中，也時(shí)常遇到牽引變壓器保護(hù)裝置差動(dòng)出口，不能第一時(shí)間準(zhǔn)確分析跳閘原因，導(dǎo)致牽引變壓器恢復(fù)投運(yùn)時(shí)間延長(zhǎng)?，F(xiàn)通過(guò)幾個(gè)較典型的牽引變壓器差動(dòng)跳閘案例，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和措施總結(jié)，為檢修人員現(xiàn)場(chǎng)處理提供一些參考。

1 牽引變壓器

牽引變壓器將三相電力系統(tǒng)的電能傳輸給2個(gè)單相牽引線路的上下行機(jī)車，根據(jù)供電制式的不同，牽引變壓器主要有Scott、平衡變、Y/-11、三相V/x、三相V/v、單相接線變壓器等幾種類型，與之相應(yīng)的牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)電流平衡關(guān)系也各不相同，具體參見保護(hù)設(shè)備說(shuō)明。

2 牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)范圍

牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)主要保護(hù)變壓器內(nèi)部、套管以及引出線上的多相短路及層間短路和接地短路故障。它無(wú)延時(shí)的切斷故障，動(dòng)作于牽引變壓器兩側(cè)斷路器跳閘。牽引變壓器兩側(cè)電流大小不等，不同形式接線變壓器對(duì)應(yīng)相的相角也不完全一致，

因此要使正常運(yùn)行或外部短路時(shí)的變壓器保護(hù)裝置差動(dòng)電流為零，就應(yīng)通過(guò)裝置軟件調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩側(cè)電流的平衡。

3 變壓器比率差動(dòng)保護(hù)原理

牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置（以下簡(jiǎn)稱裝置）設(shè)置三段式差動(dòng)保護(hù)，裝置共采集IA、IB、IC、Ia、Ib五相電流。為實(shí)現(xiàn)高低壓側(cè)之間的差動(dòng)電流平衡，電流由低壓側(cè)向高壓側(cè)平衡，不同的變壓器類型平衡計(jì)算關(guān)系各異，變壓器低壓側(cè)向高壓側(cè)調(diào)節(jié)平衡后的各相電流向量分別表示為Ia′、Ib′、Ic′。則各相對(duì)應(yīng)差動(dòng)電流為ICDA= ｜IA- Ia′｜、ICDB= ｜IB- Ib′｜、ICDC= ｜IC- Ic′｜。各相對(duì)應(yīng)制動(dòng)電流為IZDA= ｜IA+ Ia′｜/ 2、IZDB= ｜IB+ Ib′｜ / 2、IZDC= ｜IC+ Ic′｜ / 2。差動(dòng)速斷及比率差動(dòng)動(dòng)作區(qū)域如圖1所示，與差動(dòng)速斷不同，比率差動(dòng)要求各相二次諧波比例均小于諧波制動(dòng)系數(shù)才能出口。

圖1 比率差動(dòng)保護(hù)特性曲線圖

4 差動(dòng)保護(hù)故障實(shí)例分析

4.1 Scott 接線變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置故障實(shí)例

Scott 變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置接線如圖2，兩側(cè)電流平衡調(diào)整計(jì)算采用式（1）。

圖2 Scott 變壓器差動(dòng)保護(hù)接線圖

2009年5月大秦線某牽引變電所1#Scott 牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置跳閘，動(dòng)作報(bào)告數(shù)據(jù)如下：

IA= 1.17(0°) A，IB= 1.79(177.6°) A，IC= 0.64(355.9°) A ，Ia= 0.66(1.5°) A ，Ib=0.75(177.8°) A；

ICDA= 0.74 A，ICDB= 1.45 A，ICDC= 0.73 A；

定值ISD= 12.42 A，IDZ= 1.44 A，KPH= 2.667。

故障分析：故障報(bào)告中B 相差動(dòng)電流達(dá)到定值，從其平衡關(guān)系式（1）得知理論計(jì)算電流bI′只跟Ib有關(guān)，代入公式反算可知，欲使B 相差動(dòng)電流平衡，Ib電流需達(dá)到4.134 A，實(shí)際Ib僅有0.75 A。并且根據(jù)該計(jì)算電流經(jīng)過(guò)平衡計(jì)算，A、C 兩相差動(dòng)電流也趨于零，因此判斷變壓器低壓側(cè)b 相實(shí)際采集電流偏小，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)裝置誤動(dòng)作。

對(duì)策及措施：對(duì)變壓器低壓側(cè)b 相電流互感器，二次電纜及裝置采樣回路進(jìn)行檢查。檢查結(jié)果顯示b 相電流互感器接線松動(dòng)，Ib電流異常，導(dǎo)致裝置B 相差動(dòng)出口。類似實(shí)際采樣電流偏小情況主要考慮整個(gè)電流采樣回路有無(wú)異常，包括電流互感器是否多點(diǎn)接地、一二次接線有無(wú)松動(dòng)、裝置采樣處理是否異常等。

4.2 平衡變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置故障實(shí)例

平衡變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置接線如圖3，兩側(cè)電流平衡調(diào)整計(jì)算采用式（2）。

（2）組織技術(shù)人員對(duì)煉膠生產(chǎn)設(shè)備XK-560A型雙輥筒開放式煉膠機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)在安全、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析了解，選定改造方案；

圖3 平衡變壓器差動(dòng)保護(hù)接線圖

2012年12月嘉鏡線某牽引變電所1#平衡變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置跳閘，動(dòng)作報(bào)告數(shù)據(jù)如下：

IA= 6.24 (0°) A，IB= 2.57 (184°) A，IC= 3.65 (176.9°) A，Ia= 8.01(353.5°) A，Ib= 0.02(83.6°) A；

ICDA= 3.60 A，ICDB= 0.5 A，ICDC= 3.48 A；

定值ISD= 19.89 A，IDZ= 1.42 A，KPH= 1.13。

故障分析：故障錄波曲線（圖4）中變壓器高壓側(cè)A 相和低壓側(cè)a 相電流基本是穩(wěn)定的正弦波，而高壓側(cè)B、C 相電流較小且波形偏離于規(guī)則的正弦波。主變低壓側(cè)兩相電流，按式（2）計(jì)算對(duì)應(yīng)的高壓側(cè)電流理論上應(yīng)該分別達(dá)到aI′=9.68 A、Ib′=2.59 A、Ic′= 7.08 A。而裝置實(shí)際采集高壓側(cè)三相電流：IA= 6.24 A、IB= 2.57 A、IC= 3.65 A。IB和bI′基本上相吻合，IA和IC都偏小了約3.4 A。結(jié)合圖3，裝置采集的電流是高壓電流互感器二次側(cè)角接后接入的，IA1、IB1、IC1分別為高壓側(cè)電流互感器相電流，IA=IA1-IB1，IB=IB1-IC1，IC=IC1-IA1。IB電流正常，基本上判定IB1和IC1正常，且IA和IC都受IA1影響，因此可據(jù)此判斷高壓側(cè)一次IA1有異常導(dǎo)致A、C 相實(shí)際采集電流偏小，差動(dòng)保護(hù)裝置動(dòng)作。

圖4 平衡變壓器故障錄波曲線圖

對(duì)策及措施：對(duì)高低壓側(cè)電流各相二次電纜及裝置采樣回路進(jìn)行檢查，重點(diǎn)檢查1#B 高壓側(cè)A相電流互感器回路。最終由檢修部門排查確認(rèn)1#B高壓側(cè)A 相電流互感器套管介損值異常。為能及時(shí)發(fā)現(xiàn)類似異常情況，建議運(yùn)行維護(hù)人員關(guān)注高壓設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（若有）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并定期對(duì)高壓套管的絕緣狀況進(jìn)行檢測(cè)。

4.3 Y/Δ-11 接線變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置故障實(shí)例

Y/Δ-11 接線變壓器差動(dòng)保護(hù)二次接線同圖3，兩側(cè)電流平衡調(diào)整計(jì)算采用式（3）：

2007年3月湖南某改造牽引變電所2#Y/Δ-11牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置速斷跳閘，動(dòng)作報(bào)告數(shù)據(jù)如下：

IA= 1.77(0°) A，IB= 31.31(223.5°) A，IC= 16.18(65°) A，Ia= 1.33(1.6°) A，Ib= 26.5(207.5°) A；

ICDA= 0.07 A，IZDA= 1.74 A，ICD2A= 0.03 A，ICDB= 9.71 A，IZDB= 32.57 A，ICD2B= 6.71 A，ICDC= 22.11 A，IZDC= 23.48 A，ICD2C= 10.16 A；

牽引變壓器類型為Y/Δ-11，容量S= 40 MV·A，高壓UH= 110 kV，低壓UL= 27.5 kV（BT 供電），高壓側(cè)電流互感器變比nH= 400 / 5，低壓側(cè)電流互感器變比nL= 1 200 / 5；

定值ISD= 15.0 A，IDZ= 3.0 A，KYL= 0.2，KPH= 0.77。

故障分析：故障錄波曲線（圖5）中C 相電流波形呈現(xiàn)明顯的激變。由低壓電流反推計(jì)算C 相電流需達(dá)到33 A 才能平衡，而裝置實(shí)際僅采集到16 A。ICDC電流達(dá)到22 A，超過(guò)差動(dòng)速斷15 A 的定值，且二次諧波含量高達(dá)46%（ICD2C/ ICDC）。由此判定該次故障是變壓器區(qū)外故障（低壓母線或饋線近端短路）大電流導(dǎo)致的高壓電流互感器飽和引起的差動(dòng)速斷誤動(dòng)作，比率差動(dòng)保護(hù)因?yàn)楸欢沃C波制動(dòng)（0.46 大于KYL= 0.2）而沒有動(dòng)作。

圖5 Y/Δ-11 接線變壓器故障錄波曲線圖

對(duì)策及措施：為了減緩電流互感器飽和對(duì)裝置的影響，一是需要裝置具備減緩飽和影響的能力；二是選擇適當(dāng)?shù)碾娏骰ジ衅黝愋秃蛥?shù)；三是整定合適的差動(dòng)速斷定值。從定值來(lái)看變壓器高壓側(cè)額定一次電流由于高壓電流經(jīng)角接引入保護(hù)，考慮接線系數(shù)，變換至裝置按照額定電流6—8 倍考慮，差動(dòng)速斷定值稍微偏小，建議調(diào)整差動(dòng)速斷定值至6 倍的IeH’，即27.3 A 及以上較為合適，當(dāng)類似現(xiàn)象再次出現(xiàn)的時(shí)候可由變壓器低壓側(cè)過(guò)流出口，只是動(dòng)作延時(shí)稍長(zhǎng)點(diǎn)而已。

4.4 V/v 接線變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置故障實(shí)例

V/v 接線變壓器差動(dòng)保護(hù)接線如圖6，兩側(cè)電流平衡調(diào)整計(jì)算同式（3）。

圖6 V/v 變壓器差動(dòng)保護(hù)接線圖

2010年11月蘭青線某牽引變電所2#V/v 牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置跳閘，同時(shí)有輕瓦斯信號(hào)和饋線速斷跳閘，動(dòng)作報(bào)告數(shù)據(jù)如下：

IA= 0.01 (0°) A，IB= 1.43 (31.8°) A，IC=1.41 (213.5°) A，Ia= 0.04 (114.4°) A，Ib= 0.04 (71.5°) A；

ICDA= 0.04 A，ICDB= 1.40 A，ICDC= 1.38 A；

定值ISD= 10.91 A，IDZ= 0.91 A，KPH= 1.6。

故障分析：因?yàn)樵摯伟咐叙伨€近端短路故障，所以容易誤導(dǎo)作出區(qū)外故障導(dǎo)致差動(dòng)出口的判斷。跳閘報(bào)告中高壓側(cè)B 相及公共相C 相差動(dòng)電流為1.4 A，且低壓側(cè)沒有電流，結(jié)合反映變壓器內(nèi)部故障的輕瓦斯信號(hào)，基本上可以判斷主變壓器高壓側(cè)B、C 相間有短路故障導(dǎo)致差動(dòng)出口?；诠收箱洸úㄐ危▓D7）分析，整個(gè)故障流程如下：饋線故障起始時(shí)刻為當(dāng)日19 時(shí)53 分28 秒176 毫秒，故障電流4 632 A，因饋線速斷設(shè)置延時(shí) 100 ms，所以53 分28 秒276 毫秒時(shí)饋線出口，355 ms 時(shí)刻饋線斷路器分閘結(jié)束，低壓側(cè)電流消失，但此時(shí)錄波數(shù)據(jù)顯示高壓B、C 相仍有3 A 左右幅值的異常相間電流，致差動(dòng)出口，出口時(shí)刻是53 分28 秒370 毫秒，此后幾秒內(nèi)又分別有2 次輕瓦斯信號(hào)發(fā)出。具體時(shí)刻是當(dāng)日19 時(shí)53 分32 秒716 毫秒及34 秒616 毫秒。

對(duì)策及措施：該種類型故障應(yīng)該是變壓器內(nèi)部繞組發(fā)生少數(shù)線匝的匝間短路造成，而且是漸進(jìn)式的，該差動(dòng)電流應(yīng)該持續(xù)存在只是較小未達(dá)到差動(dòng)定值，可通過(guò)后臺(tái)監(jiān)控差動(dòng)越限預(yù)警發(fā)現(xiàn)該異常情況，做到停運(yùn)并檢修。

圖7 V/v 接線變壓器故障錄波曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

變壓器差動(dòng)保護(hù)非常靈敏，整個(gè)一二次回路接線上和保護(hù)定值整定稍有疏忽，就會(huì)造成變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，引起全所停電事故。變壓器保護(hù)裝置主要檢查變壓器類型選擇、各相關(guān)定值的正確性。裝置以外范圍主要檢查接入電流相別順序、電流互感器極性及電流互感器回路接地是否正確。變壓器空投差動(dòng)出口一般是勵(lì)磁涌流引起，適當(dāng)調(diào)整二次諧波制動(dòng)比例及差動(dòng)定值躲過(guò)涌流即可，變壓器投運(yùn)后最關(guān)鍵的檢查是要在負(fù)荷出現(xiàn)情況下監(jiān)視保護(hù)裝置各項(xiàng)差動(dòng)電流是否達(dá)到平衡。