三相V／V不等容牽引變壓器差動保護方法及應用

萬 勇，秦建民，董 杰，楊卉卉

（1 中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600；2 內蒙古平莊煤業（集團）有限責任公司，內蒙古赤峰024076；3 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京100085）

電氣化鐵路兩供電臂的負荷常常是不相同的，一臂負荷重，一臂負荷輕［1］。現有的V／V等容牽引變壓器存在著容量偏大、利用率低、一次投資和運行電費高等缺點。而三相V／V接牽引變壓器是一種非平衡變壓器，兩相容量可以相等也可以不相等，其容量利用率可達100%，具有變壓器容量利用率高、抗短路能力強、分相有載調壓方便、易實現固定備用、對牽引網和三相動力負荷供電的可靠性高等突出優點［2］。因此，三相V／V接牽引變壓器作為一種新型變壓器，目前越來越多的在常速、重載、高速鐵路中采用。

三相V／V接牽引變壓器由于兩相容量不相等，因此，其差動保護方法與常規牽引變壓器差動保護有所不同。文獻［3］、［4］給出了V／V接牽引變壓器差動保護方案，但采用的是二相式差動保護方案。本文提出了三相V／V接牽引變壓器的三相式差動保護方案，并給出了工程應用實例。

1 差動保護方案及原理

1.1 差動保護方案

（1）配置差動速斷保護、二次諧波閉鎖的比率制動差動保護、差流越限告警功能；

（2）上述功能均按A，B，C三相分別整定；

（3）中間相相別可設定。

1.2 比率制動差動保護原理

（1）比率制動差動保護

考慮到變壓器各側TA性能、變比有差異以及兩側繞組連接組別的不同，差動回路存在不平衡電流。采用三段式折線特性，能夠保證區外故障不平衡電流最大時不發生誤動，又能保證切除區內故障的靈敏性。動作方程如下：

其中Ic為變壓器額定電流；I′H，I′L分別為校正后的變壓器高壓側和低壓側電流；Icd為穩態比率差動啟動定值；Id為差動電流；Ir為制動電流；K為第一段折線的斜率，整定范圍（0.2≤K≤0.7），推薦整定為K=0.5。第二段折線斜率固定為0.7。拐點1固定為0.6Ie，拐點2固定為4Ie。比率制動特性曲線見圖1。圖中Isd為差動速斷保護定值。

圖1 比率制動特性曲線

（2）勵磁電涌閉鎖原理

為防止牽引變壓器合閘時的勵磁電涌引起差動保護誤動，采用三相差動電流中二次諧波與基波的比值作為勵磁電涌閉鎖判據。動作方程如下：

式中Idφ2為差動電流中的二次諧波分量；Kxb2為二次諧波制動系數整定值，Idφ為差動電流中的基波分量。

采用或門閉鎖方式，即三相差流中某相判為勵磁電涌，閉鎖整個比率差動保護。

2 具體實施方案

2.1 牽引變電所及牽引變壓器接線方式

差動保護的接線方式與牽引變電所和三相V／V接牽引變壓器的接線方式密切相關。因此，需要了解其常規接線方式。鐵路沿線各牽引變電所的三相V／V變壓器一般需換相接線。例如，各個供電臂按AB、-BC、CA、-AB、BC、-CA、AB的順序，每6個變電所構成一個循環［2］，如圖2所示。

圖2 三相V接牽引變電所換相連接示意圖

從圖2可見，V／V接線的方式有正V／V接線（V／V-12）和反V／V接線（V／V-6）兩種（見圖3），二者交替出現。

圖3 三相V接牽引變壓器接線方式示意圖

圖2所示換相連接方式下，三相V／V牽引變壓器二次側共有6種各種電壓組合，其相量關系如圖4所示?？梢姡蝹入妷旱膴A角總是保持為60°不變。

2.2 差動保護接線

由于相牽引變壓器只有正V／V接線（V／V-12）和反V／V接線（V／V-6）兩種接線方式，高低壓側相位關系不是同相就是反相，因此，高低壓側CT均按星形接線即可。另外，考慮到牽引變電所換相連接，中間相（接地相）并非固定不變，因此，以X，Y，Z代表A，B，C三相。差動保護接線見圖5。

圖4 三相V接牽引變壓器相量關系示意圖

圖5 三相V接牽引變壓器差動保護接線示意圖

2.3 差動保護整定計算

由于變壓器二組線圈容量不同，正常運行以及故障時，各相電流大小、保護靈敏度均有所不同［2］，因此，差動保護各相的動作邊界、保護定值需按A，B，C三相分別整定計算。以圖5為例（以X，Y，Z代表A，B，C三相，其中Y為中間相），介紹差動保護的整定計算。

（1）額定電流計算

非中間相（邊相）：

其中SXe、SZe為額定容量（kVA）；UH為高壓側額定電壓（kV）；nH為高壓側CT變比。

中間相（Y）：中間相電流為兩個邊相電流之向量和。根據圖4，兩邊相電流夾角為60°，因此，中間相額定電流計算如下（參見圖6）。

圖6 B相電流計算示意圖

（2）校正方式

高壓側：

低壓側：

平衡系數：

式中UH，UL為高、低壓側額定電壓；nH，nL為變壓器高、低壓側CT變比。

（3）差動速斷保護整定計算

差速斷定值需躲過變壓器最大合閘勵磁電涌。

式中m為A，B，C相；Kk為可靠系數，取5～10。

（4）比率差動保護整定計算

差動電流定值需躲過最大負荷電流下的不平衡電流，并要保證變壓器內部故障時有足夠的靈敏度。一般根據實際情況可取（0.3～0.6）Ie·m；第一段折線斜率KID取0.2～0.7，一般取0.5；二次諧波制動系數取0.1～0.5，一般取0.15，重載AT供電系統可取0.12。

3 整定計算實例

某110kV牽引變電所采用三相V／V不等容牽引變壓器，系統參數見表1。

表1 系統參數表

差動保護整定計算如下：

（1）額定電流計算

（2）整定計算（表2）

表2 整定計算結果表

4 現場試驗

設牽引變壓器為V／V-12接線，見圖5（a）。定值整定見表2。

（1）試驗1：區內故障

以區內低壓側α相接地故障為例（見圖7），其他故障與此類似。

圖7 V／V－12牽引變壓器接地短路故障

施加量計算：

由于變壓器為V／V-12接線，且以指向變壓器為正方向，故

低壓側校正后電流：

差動保護計算結果見表3。

表3 試驗1差動保護計算結果表

其中，C相動作邊界為：3.18+0.5·（3-2.73）=3.32；A相和B相由于制動電流小于拐點1電流，故動作邊界就等于表2中的差動動作電流。見圖8。

圖8 C，B相差動保護動作區示意圖

（2）試驗2：正常負荷

低壓側電流：

低壓側校正后電流：

差動保護計算結果見表4。

表4 試驗2差動保護計算結果表

5 結束語

針對三相V／V不等容牽引變壓器提出了三相差動保護方案。中間相可設定，并給出了中間相電流幅值和相角的計算公式。介紹了具體實現方案和現場試驗方案，對工程人員有一定指導意義。

［1］邱長文.三相V／V接牽引變壓器在工程設計中的應用［J］.華東交通大學學報.2005（05）：100-106.

［2］符德川.三相V／V接線牽引變壓器的應用［J］.鐵道機車車輛.1999（04）：47-51.

［3］楊衛國，邵周杰，許 江.V／V不等容牽引變壓器保護方案及應用［J］.電氣化鐵道.2004，（06）：9-12.

［4］劉 巍.V／V接線變壓器差動保護方案研究［J］.電力系統保護與控制，2011，39，（10）：130-134，139.