三相V／V不等容牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)方法及應(yīng)用

萬(wàn) 勇，秦建民，董 杰，楊卉卉

（1 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600；2 內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古赤峰024076；3 北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京100085）

電氣化鐵路兩供電臂的負(fù)荷常常是不相同的，一臂負(fù)荷重，一臂負(fù)荷輕［1］。現(xiàn)有的V／V等容牽引變壓器存在著容量偏大、利用率低、一次投資和運(yùn)行電費(fèi)高等缺點(diǎn)。而三相V／V接牽引變壓器是一種非平衡變壓器，兩相容量可以相等也可以不相等，其容量利用率可達(dá)100%，具有變壓器容量利用率高、抗短路能力強(qiáng)、分相有載調(diào)壓方便、易實(shí)現(xiàn)固定備用、對(duì)牽引網(wǎng)和三相動(dòng)力負(fù)荷供電的可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)［2］。因此，三相V／V接牽引變壓器作為一種新型變壓器，目前越來(lái)越多的在常速、重載、高速鐵路中采用。

三相V／V接牽引變壓器由于兩相容量不相等，因此，其差動(dòng)保護(hù)方法與常規(guī)牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)有所不同。文獻(xiàn)［3］、［4］給出了V／V接牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)方案，但采用的是二相式差動(dòng)保護(hù)方案。本文提出了三相V／V接牽引變壓器的三相式差動(dòng)保護(hù)方案，并給出了工程應(yīng)用實(shí)例。

1 差動(dòng)保護(hù)方案及原理

1.1 差動(dòng)保護(hù)方案

（1）配置差動(dòng)速斷保護(hù)、二次諧波閉鎖的比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)、差流越限告警功能；

（2）上述功能均按A，B，C三相分別整定；

（3）中間相相別可設(shè)定。

1.2 比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)原理

（1）比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)

考慮到變壓器各側(cè)TA性能、變比有差異以及兩側(cè)繞組連接組別的不同，差動(dòng)回路存在不平衡電流。采用三段式折線特性，能夠保證區(qū)外故障不平衡電流最大時(shí)不發(fā)生誤動(dòng)，又能保證切除區(qū)內(nèi)故障的靈敏性。動(dòng)作方程如下：

其中Ic為變壓器額定電流；I′H，I′L分別為校正后的變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)電流；Icd為穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)啟動(dòng)定值；Id為差動(dòng)電流；Ir為制動(dòng)電流；K為第一段折線的斜率，整定范圍（0.2≤K≤0.7），推薦整定為K=0.5。第二段折線斜率固定為0.7。拐點(diǎn)1固定為0.6Ie，拐點(diǎn)2固定為4Ie。比率制動(dòng)特性曲線見(jiàn)圖1。圖中Isd為差動(dòng)速斷保護(hù)定值。

圖1 比率制動(dòng)特性曲線

（2）勵(lì)磁電涌閉鎖原理

為防止?fàn)恳儔浩骱祥l時(shí)的勵(lì)磁電涌引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，采用三相差動(dòng)電流中二次諧波與基波的比值作為勵(lì)磁電涌閉鎖判據(jù)。動(dòng)作方程如下：

式中Idφ2為差動(dòng)電流中的二次諧波分量；Kxb2為二次諧波制動(dòng)系數(shù)整定值，Idφ為差動(dòng)電流中的基波分量。

采用或門(mén)閉鎖方式，即三相差流中某相判為勵(lì)磁電涌，閉鎖整個(gè)比率差動(dòng)保護(hù)。

2 具體實(shí)施方案

2.1 牽引變電所及牽引變壓器接線方式

差動(dòng)保護(hù)的接線方式與牽引變電所和三相V／V接牽引變壓器的接線方式密切相關(guān)。因此，需要了解其常規(guī)接線方式。鐵路沿線各牽引變電所的三相V／V變壓器一般需換相接線。例如，各個(gè)供電臂按AB、-BC、CA、-AB、BC、-CA、AB的順序，每6個(gè)變電所構(gòu)成一個(gè)循環(huán)［2］，如圖2所示。

圖2 三相V接牽引變電所換相連接示意圖

從圖2可見(jiàn)，V／V接線的方式有正V／V接線（V／V-12）和反V／V接線（V／V-6）兩種（見(jiàn)圖3），二者交替出現(xiàn)。

圖3 三相V接牽引變壓器接線方式示意圖

圖2所示換相連接方式下，三相V／V牽引變壓器二次側(cè)共有6種各種電壓組合，其相量關(guān)系如圖4所示。可見(jiàn)，二次側(cè)電壓的夾角總是保持為60°不變。

2.2 差動(dòng)保護(hù)接線

由于相牽引變壓器只有正V／V接線（V／V-12）和反V／V接線（V／V-6）兩種接線方式，高低壓側(cè)相位關(guān)系不是同相就是反相，因此，高低壓側(cè)CT均按星形接線即可。另外，考慮到牽引變電所換相連接，中間相（接地相）并非固定不變，因此，以X，Y，Z代表A，B，C三相。差動(dòng)保護(hù)接線見(jiàn)圖5。

圖4 三相V接牽引變壓器相量關(guān)系示意圖

圖5 三相V接牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)接線示意圖

2.3 差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算

由于變壓器二組線圈容量不同，正常運(yùn)行以及故障時(shí)，各相電流大小、保護(hù)靈敏度均有所不同［2］，因此，差動(dòng)保護(hù)各相的動(dòng)作邊界、保護(hù)定值需按A，B，C三相分別整定計(jì)算。以圖5為例（以X，Y，Z代表A，B，C三相，其中Y為中間相），介紹差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算。

（1）額定電流計(jì)算

非中間相（邊相）：

其中SXe、SZe為額定容量（kVA）；UH為高壓側(cè)額定電壓（kV）；nH為高壓側(cè)CT變比。

中間相（Y）：中間相電流為兩個(gè)邊相電流之向量和。根據(jù)圖4，兩邊相電流夾角為60°，因此，中間相額定電流計(jì)算如下（參見(jiàn)圖6）。

圖6 B相電流計(jì)算示意圖

（2）校正方式

高壓側(cè)：

低壓側(cè)：

平衡系數(shù)：

式中UH，UL為高、低壓側(cè)額定電壓；nH，nL為變壓器高、低壓側(cè)CT變比。

（3）差動(dòng)速斷保護(hù)整定計(jì)算

差速斷定值需躲過(guò)變壓器最大合閘勵(lì)磁電涌。

式中m為A，B，C相；Kk為可靠系數(shù)，取5～10。

（4）比率差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算

差動(dòng)電流定值需躲過(guò)最大負(fù)荷電流下的不平衡電流，并要保證變壓器內(nèi)部故障時(shí)有足夠的靈敏度。一般根據(jù)實(shí)際情況可取（0.3～0.6）Ie·m；第一段折線斜率KID取0.2～0.7，一般取0.5；二次諧波制動(dòng)系數(shù)取0.1～0.5，一般取0.15，重載AT供電系統(tǒng)可取0.12。

3 整定計(jì)算實(shí)例

某110kV牽引變電所采用三相V／V不等容牽引變壓器，系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)表

差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算如下：

（1）額定電流計(jì)算

（2）整定計(jì)算（表2）

表2 整定計(jì)算結(jié)果表

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

設(shè)牽引變壓器為V／V-12接線，見(jiàn)圖5（a）。定值整定見(jiàn)表2。

（1）試驗(yàn)1：區(qū)內(nèi)故障

以區(qū)內(nèi)低壓側(cè)α相接地故障為例（見(jiàn)圖7），其他故障與此類(lèi)似。

圖7 V／V－12牽引變壓器接地短路故障

施加量計(jì)算：

由于變壓器為V／V-12接線，且以指向變壓器為正方向，故

低壓側(cè)校正后電流：

差動(dòng)保護(hù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)1差動(dòng)保護(hù)計(jì)算結(jié)果表

其中，C相動(dòng)作邊界為：3.18+0.5·（3-2.73）=3.32；A相和B相由于制動(dòng)電流小于拐點(diǎn)1電流，故動(dòng)作邊界就等于表2中的差動(dòng)動(dòng)作電流。見(jiàn)圖8。

圖8 C，B相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作區(qū)示意圖

（2）試驗(yàn)2：正常負(fù)荷

低壓側(cè)電流：

低壓側(cè)校正后電流：

差動(dòng)保護(hù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)2差動(dòng)保護(hù)計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)三相V／V不等容牽引變壓器提出了三相差動(dòng)保護(hù)方案。中間相可設(shè)定，并給出了中間相電流幅值和相角的計(jì)算公式。介紹了具體實(shí)現(xiàn)方案和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，對(duì)工程人員有一定指導(dǎo)意義。

［1］邱長(zhǎng)文.三相V／V接牽引變壓器在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào).2005（05）：100-106.

［2］符德川.三相V／V接線牽引變壓器的應(yīng)用［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛.1999（04）：47-51.

［3］楊衛(wèi)國(guó)，邵周杰，許 江.V／V不等容牽引變壓器保護(hù)方案及應(yīng)用［J］.電氣化鐵道.2004，（06）：9-12.

［4］劉 巍.V／V接線變壓器差動(dòng)保護(hù)方案研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39，（10）：130-134，139.