三相V／V不等容牵引变压器差动保护方法及应用

万 勇，秦建民，董 杰，杨卉卉

（1 中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600；2 内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司，内蒙古赤峰024076；3 北京四方继保自动化股份有限公司，北京100085）

电气化铁路两供电臂的负荷常常是不相同的，一臂负荷重，一臂负荷轻［1］。现有的V／V等容牵引变压器存在着容量偏大、利用率低、一次投资和运行电费高等缺点。而三相V／V接牵引变压器是一种非平衡变压器，两相容量可以相等也可以不相等，其容量利用率可达100%，具有变压器容量利用率高、抗短路能力强、分相有载调压方便、易实现固定备用、对牵引网和三相动力负荷供电的可靠性高等突出优点［2］。因此，三相V／V接牵引变压器作为一种新型变压器，目前越来越多的在常速、重载、高速铁路中采用。

三相V／V接牵引变压器由于两相容量不相等，因此，其差动保护方法与常规牵引变压器差动保护有所不同。文献［3］、［4］给出了V／V接牵引变压器差动保护方案，但采用的是二相式差动保护方案。本文提出了三相V／V接牵引变压器的三相式差动保护方案，并给出了工程应用实例。

1 差动保护方案及原理

1.1 差动保护方案

（1）配置差动速断保护、二次谐波闭锁的比率制动差动保护、差流越限告警功能；

（2）上述功能均按A，B，C三相分别整定；

（3）中间相相别可设定。

1.2 比率制动差动保护原理

（1）比率制动差动保护

考虑到变压器各侧TA性能、变比有差异以及两侧绕组连接组别的不同，差动回路存在不平衡电流。采用三段式折线特性，能够保证区外故障不平衡电流最大时不发生误动，又能保证切除区内故障的灵敏性。动作方程如下：

其中Ic为变压器额定电流；I′H，I′L分别为校正后的变压器高压侧和低压侧电流；Icd为稳态比率差动启动定值；Id为差动电流；Ir为制动电流；K为第一段折线的斜率，整定范围（0.2≤K≤0.7），推荐整定为K=0.5。第二段折线斜率固定为0.7。拐点1固定为0.6Ie，拐点2固定为4Ie。比率制动特性曲线见图1。图中Isd为差动速断保护定值。

图1 比率制动特性曲线

（2）励磁电涌闭锁原理

为防止牵引变压器合闸时的励磁电涌引起差动保护误动，采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁电涌闭锁判据。动作方程如下：

式中Idφ2为差动电流中的二次谐波分量；Kxb2为二次谐波制动系数整定值，Idφ为差动电流中的基波分量。

采用或门闭锁方式，即三相差流中某相判为励磁电涌，闭锁整个比率差动保护。

2 具体实施方案

2.1 牵引变电所及牵引变压器接线方式

差动保护的接线方式与牵引变电所和三相V／V接牵引变压器的接线方式密切相关。因此，需要了解其常规接线方式。铁路沿线各牵引变电所的三相V／V变压器一般需换相接线。例如，各个供电臂按AB、-BC、CA、-AB、BC、-CA、AB的顺序，每6个变电所构成一个循环［2］，如图2所示。

图2 三相V接牵引变电所换相连接示意图

从图2可见，V／V接线的方式有正V／V接线（V／V-12）和反V／V接线（V／V-6）两种（见图3），二者交替出现。

图3 三相V接牵引变压器接线方式示意图

图2所示换相连接方式下，三相V／V牵引变压器二次侧共有6种各种电压组合，其相量关系如图4所示。可见，二次侧电压的夹角总是保持为60°不变。

2.2 差动保护接线

由于相牵引变压器只有正V／V接线（V／V-12）和反V／V接线（V／V-6）两种接线方式，高低压侧相位关系不是同相就是反相，因此，高低压侧CT均按星形接线即可。另外，考虑到牵引变电所换相连接，中间相（接地相）并非固定不变，因此，以X，Y，Z代表A，B，C三相。差动保护接线见图5。

图4 三相V接牵引变压器相量关系示意图

图5 三相V接牵引变压器差动保护接线示意图

2.3 差动保护整定计算

由于变压器二组线圈容量不同，正常运行以及故障时，各相电流大小、保护灵敏度均有所不同［2］，因此，差动保护各相的动作边界、保护定值需按A，B，C三相分别整定计算。以图5为例（以X，Y，Z代表A，B，C三相，其中Y为中间相），介绍差动保护的整定计算。

（1）额定电流计算

非中间相（边相）：

其中SXe、SZe为额定容量（kVA）；UH为高压侧额定电压（kV）；nH为高压侧CT变比。

中间相（Y）：中间相电流为两个边相电流之向量和。根据图4，两边相电流夹角为60°，因此，中间相额定电流计算如下（参见图6）。

图6 B相电流计算示意图

（2）校正方式

高压侧：

低压侧：

平衡系数：

式中UH，UL为高、低压侧额定电压；nH，nL为变压器高、低压侧CT变比。

（3）差动速断保护整定计算

差速断定值需躲过变压器最大合闸励磁电涌。

式中m为A，B，C相；Kk为可靠系数，取5～10。

（4）比率差动保护整定计算

差动电流定值需躲过最大负荷电流下的不平衡电流，并要保证变压器内部故障时有足够的灵敏度。一般根据实际情况可取（0.3～0.6）Ie·m；第一段折线斜率KID取0.2～0.7，一般取0.5；二次谐波制动系数取0.1～0.5，一般取0.15，重载AT供电系统可取0.12。

3 整定计算实例

某110kV牵引变电所采用三相V／V不等容牵引变压器，系统参数见表1。

表1 系统参数表

差动保护整定计算如下：

（1）额定电流计算

（2）整定计算（表2）

表2 整定计算结果表

4 现场试验

设牵引变压器为V／V-12接线，见图5（a）。定值整定见表2。

（1）试验1：区内故障

以区内低压侧α相接地故障为例（见图7），其他故障与此类似。

图7 V／V－12牵引变压器接地短路故障

施加量计算：

由于变压器为V／V-12接线，且以指向变压器为正方向，故

低压侧校正后电流：

差动保护计算结果见表3。

表3 试验1差动保护计算结果表

其中，C相动作边界为：3.18+0.5·（3-2.73）=3.32；A相和B相由于制动电流小于拐点1电流，故动作边界就等于表2中的差动动作电流。见图8。

图8 C，B相差动保护动作区示意图

（2）试验2：正常负荷

低压侧电流：

低压侧校正后电流：

差动保护计算结果见表4。

表4 试验2差动保护计算结果表

5 结束语

针对三相V／V不等容牵引变压器提出了三相差动保护方案。中间相可设定，并给出了中间相电流幅值和相角的计算公式。介绍了具体实现方案和现场试验方案，对工程人员有一定指导意义。

［1］邱长文.三相V／V接牵引变压器在工程设计中的应用［J］.华东交通大学学报.2005（05）：100-106.

［2］符德川.三相V／V接线牵引变压器的应用［J］.铁道机车车辆.1999（04）：47-51.

［3］杨卫国，邵周杰，许 江.V／V不等容牵引变压器保护方案及应用［J］.电气化铁道.2004，（06）：9-12.

［4］刘 巍.V／V接线变压器差动保护方案研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39，（10）：130-134，139.