一起牽引變電所過電流保護動作分析

0 引言

牽引變電所主變后備保護一般設置低壓啟動過電流保護，用于變壓器外部短路引起的過流保護，同時也作為變壓器差動保護及饋線保護的后備保護。本文對某牽引變電所發生的一起低壓啟動過電流保護跳閘事件進行分析，由于引起保護動作的原因在以往故障分析中較少出現，因此對該次跳閘的原因進行分析，并給出改進方案建議。

1 保護動作概況

某牽引變電所1回進線1號主變運行，2回進線2號主變備用。2017年7月8日14：12：05，1號主變后備保護裝置高壓側過流保護動作，變壓器兩側101、201、203斷路器跳閘。保護裝置跳閘報告顯示：B相過流保護動作，動作電流為213.07A。

2 原因分析

故障發生后，檢修人員對牽引變電所內設備及接觸網進行排查，均未發現異常，調度臺遠方合101、201、203斷路器成功。

2.1 跳閘數據分析

B相低壓啟動過電流保護的動作邏輯如圖1所示。保護裝置跳閘數據及過電流保護整定值如表1所示。從表1可以看出，故障時刻B相電流值大于整定值，且Ut1和Ut2均大于低壓啟動值，Utt值保護裝置跳閘數據中未記錄，初步判斷Utt值小于低壓啟動值導致B相過流元件動作。

圖1 B相低壓啟動過電流保護動作邏輯

在圖1中，IB為主變B相電流，IB>>為B相過電流整定值，T_set為B相過電流保護時限整定值，Udy為低壓啟動整定值，Ut1、Ut2分別為母線T1、T2相電壓，Utt為T1、T2相間線電壓。

表1 跳閘數據及過電流保護整定值

2.2 過電流保護動作分析

該變電所牽引變壓器為三相V/V聯接變壓器，由2臺單相變壓器1B和2B構成，其聯接方式和相量圖如圖2所示。可以看出，變壓器空載時，Ut1和Ut2之間夾角為60°，計算空載時Utt=25.3 kV，大于低壓啟動整定值，過電流保護不應動作。

圖2 三相V/V聯接牽引變壓器聯接圖和相量關系

進一步分析變壓器負荷電流和Ut1、Ut2之間角度的關系。跳閘時刻T2相故障電流很小，可當作是空載電流。三相V/V變壓器只有T1側有故障或負荷，所以只分析單相變壓器1B。單相變壓器等值電路如圖3所示，其中為變壓器高、低壓側電壓（歸算至高壓側），P+jQ為負荷功率，RT+jXT為變壓器短路阻抗，為變壓器負荷電流。

圖3 單相變壓器簡化等值電路及電壓相量

根據圖3的電壓相量圖可得出變壓器壓損為

其中，變壓器壓損有功分量DU和無功分量dU為

因為該鐵路線運行機車為交直交型機車，負荷功率中無功功率Q≈0，式（2）中無功分量dU計算式可簡化為

式中，P、I、U2分別為單相變壓器負荷側有功功率、電流、電壓。

將式（5）代入式（4）中，可得

式（6）中，XT為變壓器短路電抗，可按下式計算

式中，UN、SN、Uk%分別為變壓器的額定電壓，V；額定容量，V·A；阻抗電壓百分比。

從式（6）可以看出，負荷電流I和q成正比關系，負荷電流越大，q也越大。可根據變壓器參數及表1跳閘數據計算q。

1B變壓器參數UN=220 kV，SN=20 MV·A，Uk%=11.55%，代入式（7）可得

圖4 1B側重負荷，2B側空載時Ut1、Ut2電壓相量

從圖4可以看出，1B側重負荷、2B側空載情況下，Ut1逆時針旋轉q，而Ut2角度不變。通過計算，本次跳閘q為15.02°，Ut1和Ut2之間的角度F為44.98°。計算得Utt=19.42 kV，與低壓整定值18.15 kV接近。調取跳閘時刻故障波形，Ut1和Ut2之間的實際角度F為41°，計算Utt為17.82 kV，小于低壓啟動整定值，B相過流保護按圖1保護邏輯動作，屬于保護正常動作。

3 改進措施

由上節分析可知，本次過流保護動作是由于1B變壓器過負荷（約2倍過負荷），2B變壓器空載的負荷分配方式引起Ut1電壓降低且Ut1、Ut2之間角度F減小，使Utt小于低壓啟動整定值，導致低壓啟動過電流保護動作。

3.1 變壓器負荷分配和相間電壓分析

三相V/V聯接變壓器低壓側兩相不同負荷分配情況下Ut1、Ut2之間角度的關系如圖5所示。

當1B、2B空載時，Ut1、Ut2之間的角度F為60°，Ut1=Ut2=Utt=27.5 kV，如圖5（a）所示。

當1B重負荷、2B空載時，Ut1電壓降低，Ut2大小、相位不變，Ut1逆時針旋轉，Ut1、Ut2之間的角度F減小，Utt也減小，如圖5（b）所示。

當2B重負荷、1B空載時，Ut2電壓降低，Ut1大小、相位不變，Ut2逆時針旋轉，Ut1、Ut2之間的角度F變大，Utt也同步變化，如圖5（c）所示。

當1B、2B兩側均有負荷時，Ut1、Ut2同時逆時針旋轉，Ut1、Ut2之間的角度F根據兩側負荷分配可能增大或縮小，Utt也同步變化，如圖5（d）所示。

圖5 變壓器負荷分配與電壓相量

可以看出，在不同負荷分配情況下Utt變化不同。下面計算三相V/V聯接變壓器有負荷情況下Utt最小值。首先根據相關標準和規范設定如下約束條件：

（1）牽引網最大負荷時[4]，min(Ut1、Ut2)≥19 kV；

（2）變壓器空載時[4]，Ut1(Ut2)=27.5 kV；

（3）機車緊密運行時[5]，變壓器最大過負荷≤3倍額定負荷。

由圖5可以看出，Utt滿足

式（12）可以變換為

3倍過負荷情況下，相電壓旋轉角度q為

式（13）中Φ、Ut1、Ut2的取值范圍為

從式（13）可以看出當Ut1=Ut2=19 kV，F=40.62°時，Utt最小值為

可以看出，V/V聯接牽引變壓器在3倍過負荷運行且Ut1（Ut2）最低為19 kV時，Utt最小可達到13.13 kV。

3.2 低壓啟動過流保護判據改進

牽引變電所發生T1、T2相間短路時，變壓器低壓側相電壓比空載時有所下降，但仍維持在一個較高水平[6]。為防止相間短路時低壓過電流保護拒動，低壓啟動判據中采用相電壓和相間電壓二者的“或”邏輯作為過電流啟動判據。但根據前面分析，當三相V/V聯接變壓器過負荷運行時，存在相間電壓比相電壓明顯降低情況，相間電壓最低可降至相電壓的0.7倍左右，出現相電壓高于低壓整定值而相間電壓低于低壓整定值導致低壓過電流保護元件誤動的情況。

為防止類似情況造成低壓啟動過電流保護元件誤動作，保護裝置的低壓啟動定值可按相電壓和相間電壓2項分別整定，低壓啟動過電流保護動作邏輯修改后如圖6所示。Udy1、Udy2分別為相電壓、相間電壓低壓啟動整定值，Udy1按原方式計算，參考式（16）給出Udy2的計算式為

式中，Kk為可靠系數，取1.2，Kfh為返回系數，取1.1，Ut1_min為牽引網最大負荷時T1相母線最低母線電壓。

圖6 修改后的B相低壓啟動過電流保護動作邏輯

4 結論

牽引變壓器在列車緊密運行時常處于過負荷狀態，會引起變壓器低壓側兩相電壓角度發生偏移，嚴重過負荷時可能導致相間電壓明顯降低，造成低壓啟動過流保護動作。通過分析三相V/V聯接變壓器負荷分配和相間電壓關系，找到一種新的低壓啟動判別方法，并給出了相間電壓的低壓啟動整定值計算方法。

由于篇幅限制，本文只分析了三相V/V聯接變壓器一種類型，當牽引變電所采用其他類型變壓器時應根據聯接方式計算相間電壓最小值，然后根據式（17）計算相間電壓的低壓啟動整定值。

參考文獻：

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[6]張長梅，楚振宇.牽引變電所相間短路保護及其分析[J].鐵道學報，2006，28（5）：83-89.