牽引變電所低壓模擬校驗(yàn)原理

李立春

（中鐵建電氣化局集團(tuán)第三工程有限公司 電力分公司，河北 保定 074000）

0 引言

牽引變電所是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的電源，其穩(wěn)定、安全運(yùn)行直接影響電氣化鐵路的輸電效率。變電所一次送電是否成功可體現(xiàn)施工單位的技術(shù)水平。由于交接試驗(yàn)的一次高壓試驗(yàn)和二次綜保試驗(yàn)由不同試驗(yàn)組完成，二者的接口檢查容易存在漏洞、試驗(yàn)盲區(qū)；差動(dòng)保護(hù)調(diào)試較為復(fù)雜，差動(dòng)問(wèn)題往往暴露在熱滑之后，后期整改極其繁瑣，給送電、運(yùn)行造成隱患。

牽引變電所采用工頻（50 Hz）、單相交流電，額定電壓為27.5 kV 或2×27.5 kV，其核心元件為牽引變壓器，將電力系統(tǒng)供應(yīng)的電能轉(zhuǎn)換為適于牽引供電的電能。牽引變壓器的接線方式包括：YNd11 接線、純單相接線、Vx接線、三相-兩相平衡接線等，目前電氣化鐵路主要采用Vx接線變壓器。

以某鐵路牽引變電所為例，簡(jiǎn)述交接試驗(yàn)后至送電前，利用三相0.4 kV電源進(jìn)行模擬校驗(yàn)的原理。

1 總體方案

為了讓牽引變電所正常運(yùn)行，必須設(shè)置開關(guān)設(shè)備、計(jì)量設(shè)備、保護(hù)設(shè)備等裝置，這些裝置需要準(zhǔn)確采集牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，才能起到計(jì)量、保護(hù)等作用。低壓模擬校驗(yàn)回路狀態(tài)決定牽引變電所能否送電成功和穩(wěn)定運(yùn)行。高壓進(jìn)線側(cè)采用三相AC 0.4 kV電源，在變壓器低壓側(cè)各饋線適當(dāng)位置做接地、短路或懸空，根據(jù)變壓器變比、阻抗等參數(shù)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)工況等效電路圖，并計(jì)算各工況下的電壓回路、電流回路數(shù)據(jù)，為試驗(yàn)提供參考依據(jù)。試驗(yàn)?zāi)軌蝌?yàn)證回路接線和參數(shù)設(shè)置的正確性。

Vx 接線牽引變壓器是三繞組變壓器，每相有2 個(gè)次邊繞組，在所有能用于AT 供電方式的變壓器中，Vx 接線變壓器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、容量利用率高，兩繞組容量可分別配置，對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)序的影響同Vv 接線變壓器相當(dāng)。Vx 接線牽引變壓器已在我國(guó)多條高速鐵路使用，成為我國(guó)高速鐵路牽引變壓器的主要選擇方案之一。通過(guò)對(duì)Vx變壓器的原理分析，建立電路模型。

變壓器的故障分為內(nèi)部故障和外部故障，其中內(nèi)部故障主要包括變壓器油箱內(nèi)所發(fā)生的故障，如線圈的相間短路、一相接地短路、線圈層間短路、匝間短路及鐵芯燒壞等；外部故障主要包括變壓器油箱外所發(fā)生的故障，如套管故障、引出線故障等。變壓器的不正常工作狀態(tài)分為過(guò)電流、過(guò)熱、油面異常降低等，其中過(guò)電流由外部短路或過(guò)負(fù)荷引起，過(guò)熱由過(guò)電流或冷卻系統(tǒng)異常引起，油面異常降低由漏油引起。針對(duì)變壓器的各種故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置各種保護(hù)，其中差動(dòng)保護(hù)為主保護(hù)。

規(guī)定對(duì)并聯(lián)運(yùn)行（容量為6 300 kVA及以上）、單臺(tái)運(yùn)行（容量為10 000 kVA及以上）的變壓器裝設(shè)差動(dòng)保護(hù)。2 000 kVA及以上的變壓器如果電流速斷保護(hù)的靈敏系數(shù)不能滿足要求，也應(yīng)裝設(shè)差動(dòng)保護(hù)。差動(dòng)回路接線和參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確性決定差動(dòng)保護(hù)能否起到主保護(hù)的作用。

2 電壓回路

基本假設(shè)：（1）電源為標(biāo)準(zhǔn)的0.4 kV，相序?yàn)檎嘈?，為變電所進(jìn)線供電。（2）相應(yīng)的一次、二次回路接線完畢。

電壓回路原理：電壓回路采集變電所內(nèi)220 kV 和27.5 kV母線電壓。DK3531A電鐵變壓器后備保護(hù)裝置、DK3571B 電鐵綜合測(cè)控裝置、DK3582A 電鐵自動(dòng)投切裝置、DK3520A 電鐵饋線保護(hù)測(cè)控裝置和DK3571A 電鐵故障測(cè)距裝置均要通過(guò)二次電壓回路采集電壓。

（1）220 kV 電壓回路。變電所高壓側(cè)電壓回路二次原理見圖1。

牽引變電所高壓側(cè)電壓互感器二次電壓：220 kV/0.1 kV=0.23 kV/X，得X=0.1 V。

（2）27.5 kV 電壓回路。變電所低壓側(cè)電壓回路二次原理見圖2。

圖1 變電所高壓側(cè)電壓回路二次原理圖

圖2 變電所低壓側(cè)電壓回路二次原理圖

牽引變壓器低壓側(cè)母線一次電壓：220 kV/27.5 kV=0.4 kV/X，得X=50 V。

牽引變壓器低壓側(cè)母線電壓互感器二次電壓：27.5 kV/0.1 kV=50 V/X，得X=0.18 V。

牽引變電所母線電壓向量見圖3。

圖3 牽引變電所母線電壓向量圖

3 電流回路

基本假設(shè)：（1）相關(guān)牽引變壓器參數(shù)見表1、表2。（2） 以27.5 kV 側(cè)T1接 地 為 例，可 采 集204LHT、214LHT相二次電流。

27.5 kV 側(cè)一相接地的等效電路見圖4（軟母線較短，其阻抗值忽略不計(jì)，只考慮變壓器的短路阻抗）［1-2］。計(jì)算過(guò)程以27.5 kV側(cè)T1接地為例，對(duì)應(yīng)的短路阻抗為13.2%。

表1 變壓器參數(shù)（一）

表2 變壓器參數(shù)（二）

圖4 27.5 kV側(cè)一相接地的等效電路圖

式中：IAB為高壓側(cè)A 相額定電流；Z 為阻抗實(shí)際值；UAB為高壓側(cè)額定電壓；UK為阻抗電壓；I 為試驗(yàn)高壓側(cè)A相一次電流；U為0.4 kV試驗(yàn)電源電壓。

由式（1）、式（2）得：I=1.97 A。

反映到保護(hù)裝置DK3530A、DK3531A、DK3571B的對(duì)應(yīng)二次電流i=I/60=0.033 A。

27.5 kV側(cè)一次電流IT1=I×8=15.760 A。

204LHT相二次電流=IT1/400=0.039 A。

214LHT相二次電流=IT1/250=0.063 A。

觀察記錄DK3530A、DK3531A、DK3571B、DK3520A和DK3571A的二次電流。

依次做其余27.5 kV電流互感器的二次電流測(cè)試。

4 差動(dòng)回路

204LHT 和204LHF 的接法，目的是取T 和F 相電流之和。這個(gè)電流之和反映到一次側(cè)即為機(jī)車的額定電流。差動(dòng)回路見圖5。

圖5 差動(dòng)回路

基本假設(shè)：（1）203LHT、F，204LHT、F短路不接地。（2）參考變壓器參數(shù)可知，AB 對(duì)應(yīng)H-T-F 短路阻抗值10.5%，BC對(duì)應(yīng)H-T-F短路阻抗值10.3%。（3）將高壓流互變比接頭轉(zhuǎn)換為300∶5（比例變小二次電流值變大，易于觀測(cè)，試驗(yàn)后根據(jù)定值單調(diào)整流互變比）。

式中：IAB為A相電流；ZAB為高壓側(cè)抗阻；UAB為線電壓；UK1為阻抗電壓；IA為220 kV一次電流；U為0.4 kV電壓?？傻茫?20 kV一次電流IA=2.45 A。同理可得：IC=2.53 A。故27.5 kV側(cè)一次電流IT1=IF1=9.80 A，IT2=IF2=10.12 A。

220 kV 側(cè)電流向量見圖6，27.5 kV 側(cè)電流向量見圖7（以AC 0.4 kV電源為正相序舉例）［3-8］。

圖6 220 kV側(cè)電流向量圖

圖7 27.5 kV側(cè)電流向量圖

DK3530A 差動(dòng)計(jì)算原理、變壓器兩側(cè)電流平衡關(guān)系（CT二次側(cè)）：

B相、C相差動(dòng)電流、制動(dòng)電流計(jì)算方法類似。

針對(duì)不同假設(shè)，計(jì)算結(jié)果見表3。

差動(dòng)回路常見錯(cuò)誤如下：

（1）差動(dòng)回路兩點(diǎn)接地。

（2）27.5 kV 側(cè)T 與F 接線極性一致，導(dǎo)致Iα= 0 A或Iβ= 0 A，ICD= 0.04 A，IZD=0.02 A。

（3）α與β相接線交叉。

（4）參數(shù)設(shè)置中流互變比與實(shí)際不一致，平衡系數(shù)K算錯(cuò)。

（5）220 kV 高壓電流互感器的分接開關(guān)位置錯(cuò)誤，與系統(tǒng)不匹配。

表3 不同假設(shè)的計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

（1）通過(guò)上述方法經(jīng)常能檢查出一些問(wèn)題，這些問(wèn)題如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，很可能造成送電失敗，甚至釀成事故，大致分為以下幾類：

①隔離開關(guān)的主觸頭接觸不實(shí)，造成電流不能形成回路；

②母線連接螺栓未緊固，造成電流不能形成通路；

③220 kV側(cè)電壓互感器二次線接至零序繞組；

④電流回路的極性錯(cuò)誤和接線錯(cuò)誤；

⑤電流回路的開路；

⑥差動(dòng)保護(hù)的錯(cuò)誤，可能危及行車。

（2）求得的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相符，可迅速定位各電壓、電流回路故障范圍，保障牽引變電所送電成功和運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定。

（3）通過(guò)原理分析，牽引變電所低壓模擬校驗(yàn)的關(guān)鍵在于穩(wěn)定的0.4 kV 電源，若電源電壓升高，并滿足回路容量，可升高回路電壓、電流值，將拓展此方法的適用性。