高速鐵路牽引變壓器雙重化保護配置方案

摘 要：與普速鐵路相比，我國高速鐵路牽引變壓器的電壓等級更高。與電力系統變壓器相比，我國高速鐵路牽引變壓器的接線方式和負荷有很大不同。文章針對高速鐵路供電系統的特殊要求，分析了變壓器的主保護和后備保護及其雙重化配置等問題，討論了高速鐵路牽引變壓器的保護配置方案。

關鍵詞：高速鐵路；牽引變壓器；保護配置

1 變壓器保護的雙重化需求

高速鐵路由于行車密度大、機車功率大等特點，對外部電源的容量及穩定性和可靠性要求都較普速鐵路高，所以在外部電源選取上采用了比110kV更高的220kV及330kV等級的供電電源。借鑒電力系統的運行經驗，根據GB/T14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》4.3.3.3的要求，變壓器電壓等級為220kV及以上時，電量保護為微機式的應配置雙重化保護方案。

2 差動保護

我國高速鐵路牽引變電所一般采用單相變壓器或Vv接線變壓器。牽引變壓器差動保護一般由比率差動保護和差動速斷保護兩個元件組成，其動作特性如圖1所示。

圖1 牽引變壓器差動保護的動作特性

2.1 比率差動保護

比率差動保護的比率制動特性用以躲過電流互感器產生的誤差。此外，在隔離外部故障或空載投入變壓器等情況下會產生較大的勵磁涌流，可能導致變壓器差動保護誤動。為了防止保護誤動，需要對勵磁涌流閉鎖。牽引變壓器的比率差動保護一般采用二次諧波閉鎖判據以防止勵磁涌流引起的差動保護誤動，并采用三相或門方案，其原理框圖如圖2所示。圖2中，IdA1、IdB1、IdC1和IdA2、IdB2、IdC2為主變壓器三相差動電流中的基波分量和二次諧波分量，K2.set為二次分量閉鎖定值。而將相電流作為制動電流的比率差動保護存在一定缺陷，例如匝間故障較為輕微且此時負荷功率較大時，將很大程度上降低比率差動保護的動作靈敏度。若要解決匝間故障較為輕微情況下的靈敏度問題，可將比率差動改進為故障分量式，因為在故障情況下二者具有基本相同的差動電流，但二者卻有著截然不同的制動電流。前者將含有負荷電流的相電流作為制動分量，而后者將不含負荷電流的故障分量作為制動分量，采用較小制動電流后的故障分量差動保護將會在保護靈敏度上有很大的提高。

2.2 差動速斷保護

在牽引供電系統中機車為單相負荷，牽引變壓器負荷不平衡，而滑動取流的受電弓在過電分相等情況下容易發生弓網拉弧，并且電力機車運行過程中經常需要斷開或投入，這些復雜的工況均導致較大的二次分量注入到牽引供電系統；此外，當發生較為嚴重的變壓器內部故障時也會使得差動電流中有較大含量的二次分量，這些因素均會導致保護動作延時甚至發生拒動。所以若變壓器的主電量保護只配置二次分量閉鎖的差動保護是無法滿足可靠運行要求的。

建議牽引變壓器增設差動速斷的作為主保護，為躲開勵磁涌流的干擾可將整定值提高，即便這樣在靈敏度上有一定損失，但可以很大程度上提高主變發生嚴重內部故障時的速動性，避免因動作延時甚至拒動造成的較大損失。

該保護的動作判據為：

Id？厶Id.set

式中，Id.set為差動速斷保護的定值，Id為差動電流。

為減小誤動的概率，差動電流Id.set的整定應考慮躲開由于空載投入變壓器等工況下的勵磁涌流。經理論計算和仿真分析，勵磁涌流一般為變壓器工作電流IN的6～8倍，則可按如下公式進行差動電流的整定：

Id.set=kIN

式中，k一般取值為8～10。

3 后備保護

變壓器的后備保護不需作為雙重化保護元件的近后備保護，而應作為以遠后備配置原則配置的相鄰元件的遠后備保護。低壓啟動過電流為后備保護時可以兼作未裝設母線保護的27.5kV母線的主保護和線路的后備保護。

對于進線電壓等級為330kV的高速鐵路供電系統，由公式

可知，電壓U升高或頻率f降低時，磁通B會增大，所以根據GB/T14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》的規定，為避免因磁通密度過大而損壞牽引變壓器，應考慮同時設置具有時限特性的過勵磁保護，且宜按照動作于報警和跳閘兩段設置。

4 雙重化配置

主保護采用不同勵磁涌流鑒別原理（二次諧波制動和波形對稱原理）的比率差動保護和故障分量差動保護、差動速斷保護和重瓦斯保護，每套保護裝置包含差動保護、差動速斷保護和重瓦斯保護。

配置兩套相同的低壓啟動的過流保護為后備保護，實際作為低壓側母線保護。對于330kV進線的牽引變壓器還應配置過勵磁保護。

輕瓦斯、油位、溫度、冷卻器全停等非電量保護可不進行雙重化配置。

5 雙重化配置的選型

由于同一廠家同一批次產品在原理設計、器件選型、加工工藝等過程中存在一定的不合理性，在某種情況下可能兩套裝置同時失效，使系統失去保護。鑒于這種實際情況，在目前理想和完善的保護裝置不存在的情況下，將不同保護原理和不同生產廠家的兩套保護作為雙重化配置有利于性能互補，提高保護的可靠性。

6 結束語

基于文章的分析，建議牽引變壓器的電量保護采用雙重化配置，并應用不同廠家不同原理的保護裝置。同時，與雙重化配置相適應，出口回路也應雙重化配置，以保證兩套裝置相互獨立，互不干擾。按照上述方案對牽引變壓器保護進行配置可以更好的適應我國高速鐵路供電系統繼電保護性能的要求。

參考文獻

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