高速铁路牵引变压器冲击合闸保护误动作分析

夏文忠

0 引言

牵引变压器作为高速铁路供电核心设备，对其制造工艺和质量要求越来越高，随着速度的提升，其容量也越来越大，350 km/h以上速度的高速铁路牵引变压器容量达100 MV·A，单台变压器容量高达 50 MV·A。在新建变电所进行变压器冲击试验时，往往因励磁涌流，造成主变压器保护装置误动作，影响牵引变电所受电启动的进程，本文将就高速铁路牵引变压器励磁涌流产生、特点和影响因素进行阐述，通过案例分析，提出防止保护装置误动作的具体措施，与同仁共同探讨。

1 影响励磁涌流的因素

由于变压器绕组为感性，在空载投入时，不可避免地在其绕组中产生励磁涌流，最大峰值可达到变压器额定电流的6～8倍，甚至更大，电压等级高的大容量变压器涌流持续时间为5～10 s，而小容量变压器近几个周波。如此大的励磁涌流，如何准确判断，必须正确掌握其特点和影响因素，方能采取必要的措施。大量的仿真试验和工程实践发现变压器空载投入时产生的励磁涌流具有如下特点：波形具有很大的离散性；幅值大且随时间衰减；含有非周期分量电流，波形呈间断特性；含有大量的偶次谐波分量，其中以2次谐波为主。

理论研究和实践证明，励磁涌流的大小和性质取决于以下因素：合闸时电压初相位角、变压器铁心的剩余磁通、合闸回路电阻、变压器的容量、变压器的内部结构等[1]。最大涌流出现在变压器投入时电压经过零点瞬间，即 0°和 180°时产生的励磁涌流最大，90°和-90°时最小，但三相变压器合闸时很难控制三相的初相位角均为90°或-90°。

变压器铁心的剩余磁通越大，对合闸励磁涌流的影响越大。当剩磁与合闸电压产生的磁通极性相同时，会助长励磁涌流的增大，反之，减小励磁涌流。合闸时间常数与变压器的立场电抗，铁心保护度以及电源到变压器的总电阻有关[2]。总电阻越大，励磁涌流的时间常数（τ = L/R）越小，衰减时间越短，励磁涌流也就越小；电抗越大，励磁涌流的时间常数τ 越大，衰减时间越慢；同电压等级变压器的容量越大，电抗越大，铁心磁通密度工作点越高，产生的励磁涌流较大。

2 故障案例及分析

某高速铁路工程在牵引变压器冲击试验时，多次出现低电压启动过电流保护出口动作跳闸的现象，为安全起见，组织技术人员对保护范围内的一次设备和二次设备进行了检查试验，未发现任何异常，核对保护整定值与设计定值一致，查看调度记录发现地方电力调度曾下令，要求牵引变电所值班员将低电压启动过电流整定值延时由 1.3 s改为0.2 s，以保证线路初充电的顺利进行。初步判断是冲击合闸时，不能躲过较大的励磁涌流，造成变压器保护装置误动作，断路器跳闸。

2.1 高速铁路牵引变压器保护配置

客运专线牵引变电所进线电压一般为220 kV，V形接线变压器组，变压比220 kV/（2×27.5）kV，客运专线250～350 km/h牵引变压器容量为63～80 MV·A，380 km/h及以上速度的高速铁路牵引变压器容量为80～100 MV·A，单台变压器容量高达50 MV·A，短路阻抗10.5%，按照牵引供电动态负荷特点，变压器过负荷能力要求，实际容量比额定容量高一个容量等级。

高速铁路牵引变压器通常设置变压器主保护和后备保护，主保护主要为带谐波闭锁的三段式比率制动差动保护和差动速动以及瓦斯保护。后备保护主要为低电压启动过电流保护和过负荷保护。牵引变电所主接线和保护装置配置示意图见图1。

图1 牵引变电所主接线和保护装置配置示意图

差动保护整定，差动电流一般为高压侧额定电流的50%～70%，谐波制动比15%～20%，差动速断一般为高压侧额定电流的8～10倍。

低电压启动过电流整定，一般动作电流为高压侧额定电流的2.5倍，延时1.3 s，电压启动值为低压侧母线电压的60%。

2.2 故障分析

经过调取保护装置故障跳闸录波，其波形如图2所示。对事件的电流波形进行分析，发现电流波形有明显的励磁涌流特征，其中一次跳闸时，B、C相电流达1.64 A，是额定电流的7倍，持续时间大于临时延时整定值0.2 s，谐波含量低于15.48%，几乎处于临界值，改变低电压启动过电流保护延时时间为0.5 s后，仍然偶有跳闸现象。从继电保护配置图可以看出，变压器冲击时，2×27.5 kV侧断路器处于分闸状态，2×27.5 kV母线电压互感器（下文简称 PT）无压，低电压启动过电流保护之电压元件处于动作状态，只要合闸涌流和持续时间大于整定值，低电压启动过电流保护将出口，断路器跳闸。

据了解，目前国内100 MV·A牵引变压器仍为使用初期，容量大，制造结构、工艺要求严格，冲击时励磁涌流大，谐波基波比低于 15%，在 12%左右，甚至更低，持续时间长，可能会造成差动保护或低电压启动过电流保护出口，断路器跳闸。另外，如果变压器出厂试验和现场试验时，特别是直流项目试验后，未能及时采取消磁措施，一旦铁心剩磁偏高且极性与电源电压相同时，励磁涌流可能会更大，极易造成保护装置误动作。通过分析可见，此事件是保护误动作跳闸，属正常现象，但必须采取措施。

3 防止误动作的主要措施

高速铁路大容量牵引变压器冲击时由于励磁涌流的原因造成保护装置误动作跳闸，其不但影响了正常的启动进程，还容易造成变压器内部过电压，严重时破坏变压器绝缘，会给未来的高速铁路运营带来许多困扰和问题。笔者查阅大量资料，结合高速铁路牵引变电所及其保护的设置，提出下述措施，与同仁探讨。

3.1 调整27.5 kV母线PT位置

从图1可知，变压器受电时，2×27.5 kV侧断路器处于分闸状态，2×27.5 kV母线PT无压，低电压启动过电流保护之电压元件处于动作状态，一旦励磁涌流超过保护定值就会跳闸。

图2 牵引变压器冲击试验差动保护装置电流波形图

如果原27.5 kV母线PT移至牵引变压器的低压出线侧（方案 1），或者在牵引变压器的低压出线侧加装PT（方案2），其二次电压作为低电压启动过电流保护装置的电压启动元件的输入条件，可以消除原设计方案的主变冲击时低电压启动过电流保护装置的误动作。分析可知，方案1存在PT前移后，27.5 kV母线电压必须加入电压侧断路器位置信息，馈线距离保护电压输入条件必须相应改变，该方案简单易行。方案2存在一次、二次接线复杂问题，为此增加了部分投资。

3.2 倒闸操作及自投程序

根据国家标准规定，在额定电压下对变压器冲击合闸试验，应进行 5次，每次间隔时间宜为5 min，应无异常现象；冲击合闸宜在变压器高压侧进行[3]。据此，在现有的铁路牵引变电所启动程序中，变压器冲击试验前4次均未投入2×27.5 kV/27.5 kV设备，当大容量变压器冲击合闸时难免出现过流保护装置误动作。笔者认为，可对变压器冲击的倒闸操作内容进行调整：

（1）第一次冲击时，原有操作不变，成功后即可投入2×27.5 kV/27.5 kV进线设备、母线和母线电压互感器，第 2、3、4次不再退出 2×27.5 kV/27.5 kV设备，避免后备保护装置误动作。

（2）4次冲击正常后，退出 2×27.5 kV /27.5 kV设备。

（3）2号系统变压器冲击按步骤（1）的要求进行。

（4）2号系统第4次冲击完成后，模拟2号变压器故障，1号系统自投。

（5）1号系统自投成功后，模拟 1号变压器故障，2号系统自投，完成2号变压器第5次冲击，空载运行。

为保证系统供电可靠性，变压器故障时，设置有自投装置，即切除故障变压器高低压侧设备，备用变压器系统自动投入，但是自投程序一般为先合220 kV断路器，再合2×27.5 kV设备。同上原因，为减小励磁涌流影响，可以改变该程序，即先合2×27.5 kV设备，再合220 kV断路器，备用变压器投入运行。该运行方式在既有电气化铁路牵引变压器2×27.5 kV或27.5 kV侧仅设置隔离开关时也有应用，是可行的。

3.3 变压器出厂试验后的消磁措施

牵引变压器出厂时需要做大量的试验，既有交流试验项目，又有直流试验项目，先后次序不统一，如果最后项目为直流试验，特别是采用直流方法的绕组变形试验，往往会产生较高的剩磁，建议出厂试验时最后试验项目为交流试验并采取消磁措施，同样原因，现场试验时也应如此，防止变压器剩磁过高，在变压器合闸冲击时涌流过大。

3.4 高压侧配置带合闸电阻的断路器

根据国内外电力系统运行经验，220 kV及以上电压等级的大容量变压器设置带预合闸电阻的断路器，以减小变压器合闸冲击时的励磁涌流的幅值。该断路器结构复杂，合闸电阻的寿命有限，检修困难，且价格昂贵，应综合考虑各种因素选用。

3.5 断路器分相合闸控制

目前高速铁路牵引变电所220 kV断路器一般选用配置为三相电联控制，如果增设电压测控装置，利用电压初相角捕获功能，理想情况下，在A相电压初相角为-90°或+90°处合闸，发出 A 相合闸命令，B、C相分别错开120°合闸，即6.67 ms，励磁涌流可最小。该方式在电力系统早有应用，可以尝试使用。

3.6 避免误整定和二次接线松动

长大干线牵引变压器的种类多，不同厂家、不同容量，而且保护装置厂家也不尽相同，因此不同变电所每台变压器的保护整定也不相同，试验调试时，稍有疏忽就会发生错误。另外，往往由于二次回路接线松动、短连片、试验连接片不紧，运行时正常的负荷电流，就会发生差动保护装置动作，长时间开路，危害极大，严重时烧损电流互感器和保护装置。因此，二次配线时应严格检查，保证二次回路接线正确、牢固，现场试验时应特别注意核对继电保护整定值，低电压通电模拟试验应完整，保证可靠投运。

4 结束语

通过上述案例的分析和理论研究，由于保护配置不当、误整定、二次接线错误等原因，造成保护装置误动作，冲击合闸不成功，危害极大，而且高速铁路牵引变压器容量大，合闸冲击时励磁涌流很大，会出现保护装置误动作，但必须采取相应的技术措施，最大限度地减小励磁涌流的影响，保证安全性、可靠性的向接触网供电，确保动车组正常运行。

[1]陈忠.降低励磁涌流不良影响的措施[J].电力系统保护与控制，2009，（23）.

[2]陈丽萍.变压器空载合闸励磁涌流与外部故障切除后恢复性涌流讨论[J].现代商贸工业，2010，（5）.