牽引變壓器低電壓啟動過電流保護的試驗及分析

趙文飛

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州）

1 牽引變壓器保護的配置及基本原理

1.1 牽引變壓器的保護配置

我國高速鐵路通常采用AT 供電方式，牽引變壓器一般采取V/x 接線或Scott 接線方式[1]。為其配置靈敏可靠的繼電保護是牽引供電系統設備及鐵路行車的穩定安全運行的重要措施[2]。目前我國高速鐵路牽引變壓器主保護普遍采用瓦斯保護和電流差動保護,為了提高牽引變壓器電流保護的靈敏度和可靠性，引入牽引變壓器低壓側的α 相和β 相母線電壓作為過電流保護的啟動判據，即配置低電壓啟動的過電流保護作為后備保護[3]。

1.2 低電壓啟動過電流保護的基本工作原理

1.2.1 變壓器高壓側低電壓啟動過電流保護

如圖1 所示為變壓器高壓側低電壓啟動過電流保護的基本原理框圖[4]。

圖1 高壓側低電壓啟動過電流保護原理框圖

其中：IA、IB、IC分別為高壓側A、B、C 三相電流值；Iact為高壓側過電流整定值；Uα、Uβ分別為低壓側α、β相的相電壓；Uact為低電壓整定值[5]。

1.2.2 變壓器低壓側低電壓啟動過電流保護

變壓器低壓側低電壓啟動過電流保護的基本原理如圖2 所示，由于α相、β 相工作原理相同，此處僅以α 相為例。

圖2 低壓側低電壓啟動過電流保護原理框圖

其中：Iα為27.5kV 側α 相電流值；Iact為高壓側過電流整定值；Uα為低壓側α 相的電壓值；Uact為低電壓整定值。

2 變壓器高壓側低電壓啟動過電流微機保護原理

2.1 高壓側低電壓啟動過電流微機保護

如圖3 所示為微機保護裝置220kV 側交流電壓回路，圖為高壓側交流電流回路圖。

圖3 微機保護裝置交流電流回路圖

2.1.1 過電流采集回路的形成

高壓側過電流保護電流數據采用的電流互感器是101TA3。101TA3 二次側采集的三相電流分別通過3S1 端傳送至圖3 中微機保護裝置WBH-892H(2X)的過電流輸入端形成電流采集回路。例如，A 相電流從3S1 出來經過端子1D11 傳送至WBH-892H (2X)的2X-F2 輸入端與端子1D14 形成A 相電流采集回路。

2.1.2 低電壓采集回路的形成

在圖4 中27.5kV 側低電壓采集的電壓來自于互感器變換后的母線TMT1、YMT2 和YMn。Uα經過端子1D60 傳送至圖4 中微機保護裝置WBH-892H (2X)的電壓輸入端2X-K12 與端子1D68 形成α 相電壓采集回路。Uβ經過端子1D64 傳送至微機保護裝置WBH-892H(2X)的電壓輸入端2X-K10 與端子1D68 形成β相電壓采集回路。

圖4 微機保護裝置27.5kV 側交流電壓回路圖

2.2 低壓側低電壓啟動過電流微機保護

2.2.1 過電流采集回路的形成

低壓側α 相過電流保護電流數據采用的電流互感器分別是201TA2-T1 和201FA2-F1, 如圖3 所示。兩個互感器連接成并聯關系，即α 相無論T 線還是F線過電流都可以有效采集。α 相電流從并聯互感器的2S1 出來經過端子1D17 傳送至WBH-892H (2X)的2X-F8 輸入端與端子1D19 形成α 相電流采集回路，同理，在2X-F10 輸入端與端子1D19 形成β 相電流采集回路。

2.2.2 低電壓采集回路的形成

低電壓采集回路與高壓側低電壓啟動過電流保護電壓采集回路一致。

2.3 保護工作過程

當變壓器發生短路時，電流互感器采集到過電流，電壓互感器采集到欠電壓均送給微機保護裝置WBH-892H(1X)，當過流及欠壓都達到整定值時，延時后動作，給出音響信號，同時變壓器入口和出口斷路器跳閘，將變壓器隔離出去，起到保護作用。

2.4 整定計算結果

根據以上基本原理及文獻[4]整定原則，代入某牽引變電所數據后得到計算結果并進行互感器變比折算后得到二次側動作整定值分別如下。高壓側低電壓啟動過電流保護，動作電流IA.act=0.76A,IB.act=1.31A,IC.act=0.7A,動作電壓Uact=63.49V。低壓側低電壓啟動過電流保護，Iα.act=1.45A,Iβ.act=1.45A，動作電壓Uact=63.49V。

3 保護試驗過程及分析

3.1 試驗原理

由于變壓器一次系統無法模擬短路故障，因此對于繼電保護回路動作電流、動作性能、可靠性能的試驗，只能將微機保護裝置的信號采集回路退出二次保護裝置后，在信號采集端通過繼電保護測試儀輸入一次側互感器折算后的虛擬電流和電壓采集信號完成試驗。因兩種低電壓啟動過電流保護試驗方法一致，本文重點闡述高壓側低電壓啟動過電流保護試驗方法。

折算虛擬電流及電壓信號的輸入。在圖3 中，斷開端子1D11、1D12、1D13 和1D14 后，在端子1D11 和1D14 之間輸入虛擬A 相電流信號I。在圖4 中斷開端子1D60 和1D64 后，在端子1D60 和1D68 之間輸入虛擬電壓信號U。當分別調試升高虛擬電流信號IA和降低虛擬電壓信號U當滿足條件圖1 判據時且整定時間到達后，保護裝置動作發出信號并跳閘。

3.2 試驗過程進及分析

在現行的試驗方法中，因無法準確在繼保儀上設置電量步長及初始和終止值等各種變量，對于雙信號輸入的試驗都采取分別進行的方式，也就是先行退出欠壓閉鎖環節后對電流保護環節進行單獨試驗并記錄試驗結果，然后退出電流閉鎖環節后對再對欠電壓環節進行試驗并記錄數據。此種方法的不足有：分別試驗將完整的與邏輯判斷過程肢解，破換了欠電壓啟動過電流保護高提高靈敏度的意義，致使整個完整的保護在功能性上出現盲區，將對整個保護的性能了解不足會產生嚴重的后果，因此需要改進。

改進后主要采取的方法為電流及欠電壓環節同時進行，為此，經過多次試驗、計算和查閱資料得到繼保儀初始參數設置的要點：動作電流的變化范圍應該在動作電流的0.8～1.2 倍，動作電壓范圍取整定值的1.2～0.8 倍進行試驗，累計誤差更小。電量步長的選擇上，電流的步長取0.01，電壓步長取1V 左右進行試驗更能逼近整定值。

在時間步長的選擇上，電壓與電流可選取一致。由于短路電流在0.6 s 后波形趨于穩定，因此累計時間步長應該在0.6 內到達電流整定值。如本試驗中整定值為0.76A，則其初始值為0.76A×0.8=0.608A，從初始值到整定值電流變化量為0.76A-0.608A=0.152A，電流步長取0.01A，則需要累加的步數為0.152A/0.01≈15 步，在0.6 s 內每步所用時間最長為0.6 s/15步=0.04 s，即時間變量步長為0.4 s。

根據以上分析，在該實驗方案中，繼電保護儀器設置為電壓、電流的雙信號輸出模式，動作電流范圍取A 相電流（0.76A）的0.8～1.2 倍，動作電壓范圍取動作電壓（63.49V）1.2～0.8 倍進行試驗，初步設置測試電流及電壓變量如下。

測試電流量參數設置，A 相起始電流為0.608A，A相終止電流為0.912A，電流相量變化步長0.02A/s，時間變量步長0.04 s，變化方式選擇遞增。測試電壓量參 數 設 置，α 相 起 始 電 壓76.19V，α 相 終 止 電 壓50.79V，電壓相量變化步長1V，時間變量步長0.04 s，變化方式選擇遞減。

接好試驗線后，啟動繼電保護測試儀，記錄3～5次試驗數據分別如表1 所示。從試驗數據可以看出，虛擬電量測試范圍、步長、時間變量步長的計算方法均正確可靠，試驗結果具有很高的準確率。

4 結論

為了試驗牽引變壓器繼電保護回路二次系統回路動作值、動作性能、可靠性能需要利用繼電保護儀定期進行試驗。在對低電壓啟動過電流保護的保護功能試驗時，通常選擇整定值0.8～1.2 的范圍內設置測試范圍累積誤差更小。虛擬電量步長的選擇上，電流的步長取0.01，電壓步長取1V 左右進行試驗更能逼近整定值。可以根據短路周期時間0.6 s 計算時間變量步長。進行以上設置后，通過實驗驗證，此計算和選擇試驗參數的方法可靠且準確率更高。