一起牵引变电所过电流保护动作分析

0 引言

牵引变电所主变后备保护一般设置低压启动过电流保护，用于变压器外部短路引起的过流保护，同时也作为变压器差动保护及馈线保护的后备保护。本文对某牵引变电所发生的一起低压启动过电流保护跳闸事件进行分析，由于引起保护动作的原因在以往故障分析中较少出现，因此对该次跳闸的原因进行分析，并给出改进方案建议。

1 保护动作概况

某牵引变电所1回进线1号主变运行，2回进线2号主变备用。2017年7月8日14：12：05，1号主变后备保护装置高压侧过流保护动作，变压器两侧101、201、203断路器跳闸。保护装置跳闸报告显示：B相过流保护动作，动作电流为213.07A。

2 原因分析

故障发生后，检修人员对牵引变电所内设备及接触网进行排查，均未发现异常，调度台远方合101、201、203断路器成功。

2.1 跳闸数据分析

B相低压启动过电流保护的动作逻辑如图1所示。保护装置跳闸数据及过电流保护整定值如表1所示。从表1可以看出，故障时刻B相电流值大于整定值，且Ut1和Ut2均大于低压启动值，Utt值保护装置跳闸数据中未记录，初步判断Utt值小于低压启动值导致B相过流元件动作。

图1 B相低压启动过电流保护动作逻辑

在图1中，IB为主变B相电流，IB>>为B相过电流整定值，T_set为B相过电流保护时限整定值，Udy为低压启动整定值，Ut1、Ut2分别为母线T1、T2相电压，Utt为T1、T2相间线电压。

表1 跳闸数据及过电流保护整定值

2.2 过电流保护动作分析

该变电所牵引变压器为三相V/V联接变压器，由2台单相变压器1B和2B构成，其联接方式和相量图如图2所示。可以看出，变压器空载时，Ut1和Ut2之间夹角为60°，计算空载时Utt=25.3 kV，大于低压启动整定值，过电流保护不应动作。

图2 三相V/V联接牵引变压器联接图和相量关系

进一步分析变压器负荷电流和Ut1、Ut2之间角度的关系。跳闸时刻T2相故障电流很小，可当作是空载电流。三相V/V变压器只有T1侧有故障或负荷，所以只分析单相变压器1B。单相变压器等值电路如图3所示，其中为变压器高、低压侧电压（归算至高压侧），P+jQ为负荷功率，RT+jXT为变压器短路阻抗，为变压器负荷电流。

图3 单相变压器简化等值电路及电压相量

根据图3的电压相量图可得出变压器压损为

其中，变压器压损有功分量DU和无功分量dU为

因为该铁路线运行机车为交直交型机车，负荷功率中无功功率Q≈0，式（2）中无功分量dU计算式可简化为

式中，P、I、U2分别为单相变压器负荷侧有功功率、电流、电压。

将式（5）代入式（4）中，可得

式（6）中，XT为变压器短路电抗，可按下式计算

式中，UN、SN、Uk%分别为变压器的额定电压，V；额定容量，V·A；阻抗电压百分比。

从式（6）可以看出，负荷电流I和q成正比关系，负荷电流越大，q也越大。可根据变压器参数及表1跳闸数据计算q。

1B变压器参数UN=220 kV，SN=20 MV·A，Uk%=11.55%，代入式（7）可得

图4 1B侧重负荷，2B侧空载时Ut1、Ut2电压相量

从图4可以看出，1B侧重负荷、2B侧空载情况下，Ut1逆时针旋转q，而Ut2角度不变。通过计算，本次跳闸q为15.02°，Ut1和Ut2之间的角度F为44.98°。计算得Utt=19.42 kV，与低压整定值18.15 kV接近。调取跳闸时刻故障波形，Ut1和Ut2之间的实际角度F为41°，计算Utt为17.82 kV，小于低压启动整定值，B相过流保护按图1保护逻辑动作，属于保护正常动作。

3 改进措施

由上节分析可知，本次过流保护动作是由于1B变压器过负荷（约2倍过负荷），2B变压器空载的负荷分配方式引起Ut1电压降低且Ut1、Ut2之间角度F减小，使Utt小于低压启动整定值，导致低压启动过电流保护动作。

3.1 变压器负荷分配和相间电压分析

三相V/V联接变压器低压侧两相不同负荷分配情况下Ut1、Ut2之间角度的关系如图5所示。

当1B、2B空载时，Ut1、Ut2之间的角度F为60°，Ut1=Ut2=Utt=27.5 kV，如图5（a）所示。

当1B重负荷、2B空载时，Ut1电压降低，Ut2大小、相位不变，Ut1逆时针旋转，Ut1、Ut2之间的角度F减小，Utt也减小，如图5（b）所示。

当2B重负荷、1B空载时，Ut2电压降低，Ut1大小、相位不变，Ut2逆时针旋转，Ut1、Ut2之间的角度F变大，Utt也同步变化，如图5（c）所示。

当1B、2B两侧均有负荷时，Ut1、Ut2同时逆时针旋转，Ut1、Ut2之间的角度F根据两侧负荷分配可能增大或缩小，Utt也同步变化，如图5（d）所示。

图5 变压器负荷分配与电压相量

可以看出，在不同负荷分配情况下Utt变化不同。下面计算三相V/V联接变压器有负荷情况下Utt最小值。首先根据相关标准和规范设定如下约束条件：

（1）牵引网最大负荷时[4]，min(Ut1、Ut2)≥19 kV；

（2）变压器空载时[4]，Ut1(Ut2)=27.5 kV；

（3）机车紧密运行时[5]，变压器最大过负荷≤3倍额定负荷。

由图5可以看出，Utt满足

式（12）可以变换为

3倍过负荷情况下，相电压旋转角度q为

式（13）中Φ、Ut1、Ut2的取值范围为

从式（13）可以看出当Ut1=Ut2=19 kV，F=40.62°时，Utt最小值为

可以看出，V/V联接牵引变压器在3倍过负荷运行且Ut1（Ut2）最低为19 kV时，Utt最小可达到13.13 kV。

3.2 低压启动过流保护判据改进

牵引变电所发生T1、T2相间短路时，变压器低压侧相电压比空载时有所下降，但仍维持在一个较高水平[6]。为防止相间短路时低压过电流保护拒动，低压启动判据中采用相电压和相间电压二者的“或”逻辑作为过电流启动判据。但根据前面分析，当三相V/V联接变压器过负荷运行时，存在相间电压比相电压明显降低情况，相间电压最低可降至相电压的0.7倍左右，出现相电压高于低压整定值而相间电压低于低压整定值导致低压过电流保护元件误动的情况。

为防止类似情况造成低压启动过电流保护元件误动作，保护装置的低压启动定值可按相电压和相间电压2项分别整定，低压启动过电流保护动作逻辑修改后如图6所示。Udy1、Udy2分别为相电压、相间电压低压启动整定值，Udy1按原方式计算，参考式（16）给出Udy2的计算式为

式中，Kk为可靠系数，取1.2，Kfh为返回系数，取1.1，Ut1_min为牵引网最大负荷时T1相母线最低母线电压。

图6 修改后的B相低压启动过电流保护动作逻辑

4 结论

牵引变压器在列车紧密运行时常处于过负荷状态，会引起变压器低压侧两相电压角度发生偏移，严重过负荷时可能导致相间电压明显降低，造成低压启动过流保护动作。通过分析三相V/V联接变压器负荷分配和相间电压关系，找到一种新的低压启动判别方法，并给出了相间电压的低压启动整定值计算方法。

由于篇幅限制，本文只分析了三相V/V联接变压器一种类型，当牵引变电所采用其他类型变压器时应根据联接方式计算相间电压最小值，然后根据式（17）计算相间电压的低压启动整定值。

参考文献：

[1]曹建猷.电气化铁道供电系统[M].北京：中国铁道出版社，1993.

[2]谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统[M].成都：西南交通大学出版社，2014.

[3]韩祯祥.电力系统分析[M].杭州：浙江大学出版社，2005.

[4]中国国家标准委员会.GB/T 1402-2010轨道交通 牵引供电系统电压[S].北京：中国质检出版社，2010.

[5]中华人民共和国铁道部.TB/T3159-2007电气化铁路牵引变压器技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2007.

[6]张长梅，楚振宇.牵引变电所相间短路保护及其分析[J].铁道学报，2006，28（5）：83-89.