高铁牵引变压器差动保护的研究和试验方法

李 瑞

（中铁电气化局京沪高铁维护管理公司，高级工程师，北京100000）

目前高速铁路中最常用的供电制式为全并联AT供电，在牵引变电所设置接线组别为VX型的牵引变压器组，分区所和AT所设有自耦变压器。此两种变压器自身价值最高，可占全部投资的一半以上，且出现严重故障后，现场环境一般不具备修复条件，修复周期长，影响范围较大，因此日常检修和预防性试验是其安全的重要保障。差动保护是变压器的主保护，差动保护的准确性和快速动作直接关系变压器的安全，因此对差动保护功能的验证是非常重要的，铁路规程要求的周期是每年必须进行一次。

1 差动保护原理

本文采用电路图与数学公式结合方式阐述差动保护原理。

1）牵引供电系统变电所牵引变压器差动保护原理见图1牵引变压器等效电路图。

图1 牵引变压器等效电路图

图1 中TR指变压器，P1和P2指电流互感器的极性，α和β指牵引变压器低压总回路名称。

由图1可得如下公式：

当İCDA&İCDB&İCDC≥İred差动保护启动。

2）分区所和AT所自耦变压器差动保护原理见图2自耦变压器等效电路图。

图2 自耦变压器等效电路图

在AT全并联供电模式下采用的自耦变压器由上图可得出如下公式：

当自耦变压器故障发生在F绕组一侧时，根据图2可得如下公式：

同理，当自耦变压器故障发生在T绕组一侧时，可得如下公式：

联立公式（2）和（3），可得自耦变压器差动保护原理公式：

当T相和F相电流之差大于差动保护电流设定值，差动保护启动。

2 工程中的实际应用

图3 为差动保护在实际工程中两种二次原理接线图。

图3 差动保护在工程实际两种二次原理接线图

牵引变压器和自耦变压器的差动保护接线原理见图3差动保护在工程实际两种二次原理接线图，此两种接线方式在工程实践中都较为常见，（a）方式分别采集所需差动保护电量数据，由装置内部根据理论模型自行合成，（b）方式直接在电流互感器差动线圈二次端进行连接合成，将合成后的电量数据传送给差动保护装置判别。根据图3（b）方式，牵引变压器与自耦变压器差动保护的二次接线虽然完全相同，但根据公式（2）和公式（4）可得知，二者的含义是完全不同的，前者是在做和，提供牵引变压器低压侧的总电流，后者是在做差。对自耦变压器进行差动电流计算。

3 试验方式

技术试验人员在现场校验前，为了避免平衡系数的影响，可以先设置为1，以使计算简单方便。当比率差动保护的设计整定值确定后，动作边界就相应确定，一般采用三折线的特性曲线，可见图4比率制动特性曲线。差动保护试验目的为验证实际动作边界是否与设计整定边界一致。

图4 比率制动特性曲线

差动电流为：

比率差动保护判据为：

式中：ICD为差动电流；IZD为制动电流；IDZ为差动电流整定值；I1为制动电流I段整定值；I2为制动电流Ⅱ段整定值；K1为I段比率制动系数；K2为II段比率制动系数。

1）最小动作电流ICD测试：

在变压器高压侧A、B、C、α和β分别施加整定差动电流值IDZ，保护应可靠动作，误差应符合技术条件的要求。

2）制动特性斜率K1和K2测试：

制动特性斜率实验时，要同时输入两侧电流，而且要注意两侧电流的相位关系，通过对同一斜率测试两个点的试验数据来确定制动特性斜率K1和K2的误差是否符合技术条件。

3）差动保护动作时间的测定

测定差动保护动作时间时，为确保差动保护正确动作，应充分考虑保护装置的保护固有动作时间，一般要求保护装置固有动作时间不大于15 ms。

4）二次谐波闭锁条件的测定

由于变压器空载投运和线路故障产生或切除时会产生励磁涌流，从而产生大量谐波分量，为防止差动保护误动作，采用二次谐波分量的含量来区分故障情况，当二次谐波电流占基波的含量大于二次谐波闭锁整定值时，使用谐波制动方式闭锁差动保护。

试验人员可以利用继电保护测试仪输出测试电流，同时输出谐波电流，以验证二次谐波闭锁条件，防止保护误动作。测试时，为了提高效率和准确性，在满足差动保护可靠动作的条件下，闭锁试验可在边界数据附近测试时，仅需调整施加的谐波电流数值。

4 试验过程中的注意事项

无论是在新变压器的交接试验中，还是在既有变压器的预防性验中，差动保护试验验证都必须遵循防止人身伤害，保护设备安全运行，不干扰既有运行设备的原则。

1）新建工程变压器的差动保护交接试验，应注意牵引变压器高压侧公共端的确定，以及牵引变压器高压侧相和低压侧相的比较关系。在试验过程中应在综自厂家的配合下进行试验，防止误操作损坏保护装置，且可以在试验过程中出现异常时快速解决问题。

2）既有高速铁路牵引供电系统中的变压器保护试验，一般采取V形天窗的形式，即一套系统运行，另一套系统退出运行进行检修的方式。技术试验人员在试验过程中一般采取先进行传动试验，然后在保护装置处进行保护试验的程序。但由于两套进线保护系统一般采取相邻的布置样式，在试验过程中，容易发生试验人员误入运行区域和误接连线的情况，对投运中的保护装置进行试验，使得正常运行的系统产生误动作的可能性。因此，切实做到运行区和检修预试区的有效隔离是确保试验安全的重中之重，与此同时，增强防护人员和检修试验人员的责任心也必不可少。

5 结束语

牵引变压器和自耦变压器作为高速铁路牵引供电系统中的核心设备，无论从影响范围还是实际价值来考虑，维护其长久的稳定运行有着极其重要的意义，而作为其最重要的防护手段的差动保护能否正常工作是其关键，因此差动保护的功能验证无论在新建牵引变电所的交接试验，还是在牵引变电所的正常运行中的预防性试验中都必须引起相关技术试验人员的重视。