铁路牵引变电所通流加压技术探讨与展望

2021-11-13吴向阳李书全

电气化铁道 2021年5期

关键词：母差差动极性

吕朝，吴向阳，李书全，刘维

0 引言

随着我国铁路牵引供电和电力技术的发展，牵引变电所向量保护调试是一项关键的试验项目，如何利用各种通流加压技术的特点，发现潜在的继电保护故障，提高供电系统的稳定性，同时降低试验成本，减轻现场试验人员的工作量，做好保护调试工作是本文研究的重点。

1 现有技术方案介绍

1.1 直接带载法

直接带载法是在系统中接入额定工作电压，在变压器二次侧接入大容量的无功负载（高压并联电容器或电抗器）或常规负荷，利用负载电流产生所需要的保护电流来判断保护极性。

直接带载法一般在变压器或母线带电运行后实施，对电力系统冲击较大。该方法的特点是直接利用了系统工作电压，产生的电流也为真实的系统电流，因此，其潜在的故障可能影响到供电系统的安全稳定运行，该方法存在较大的风险。

1.2 低压短路法

低压短路法是在系统中接入三相380 V 电源，利用变压器低压侧短路形成短路电流[1]，然后采用三相电力参数测试仪逐一检查流入保护装置的电流幅值、相位极性。该方法的特点是简单方便，易于实施，且试验所需电源容量较小，对试验电源的要求低。其缺点也非常明显：抗干扰能力差，试验电压的品质（如电压波动、三相不对称等）会对试验造成影响；试验电压低，电压互感器PT 二次回路电压非常低，较难判别变比极性的正确性；产生的短路电流大小不可控，流过电流互感器的二次电流最小只有数毫安，在装置零漂较大时不易判别。

1.3 变送器加量法

变送器加量法是利用继电保护测试仪或交流变送器加量装置，对交流电压、电流二次回路进行加量并检测。变送器加量法可以模拟任何电压等级的继电保护正常态和故障态[2]，但同样存在局限性：一是继电保护测试仪造价较昂贵，一般只在电气设备交接试验和预防性试验中使用；二是无法满足全所检查的要求，只在互感器二次回路进行加量，最多只能检查互感器二次回路至保护装置这一层级的问题（如接线错误、开路、短路，检查保护装置参数设置是否正确），对保护装置进行精度校验、定值校验及保护传动，当出现一次接线错误，或互感器本身变比极性错误时，变送器加量法就显得捉襟见肘。

1.4 一次模拟负荷法

一次模拟负荷法利用模拟带负荷继电保护向量检测装置，从牵引变电所一次回路直接加量（电压电流分开加量），对母线差动保护、变压器差动保护、馈线保护二次回路的正确性进行验证。

模拟带负荷继电保护向量检测装置由主机、升压转换装置、升流转换装置、阻抗匹配装置、无线选频伏安相位测试仪、试验连接线及操作终端组成，装置原理如图1 所示。三相电源经主机整流滤波、逆变三阶滤波输出稳定的两组三相电源，其相幅值、相位频率均可调，一组至升压转换装置接PT 一次，一组至阻抗变换装置或升流转换装置接一次母线，可以模拟各种一次负荷。试验参数可通过操作终端进行设置，配合无线选频伏安相位测试仪，实现多种功能的试验保护调试。

图1 模拟带负荷继电保护向量检测装置原理

1.4.1 全所PT 加压试验

利用主机+升压转换装置可以模拟高电压，从PT 一次同时加量，试验电压可达10 kV，单相加压时对PT 相序、变比、一次接线、二次回路接线的正确性，保护装置变比参数设置，电压采集情况进行检查。三相加压时可以对PT 极性、保护装置采集的相位角进行验证。表1 所示为某次PT 加压测试的数据。

表1 PT 加压测试记录

1.4.2 母差保护试验

母差保护试验利用主机+升流转换装置，从母线任一支路通入试验电流，其他支路经地形成回路电流。图2 为牵引变电所母差保护试验示意图。

如图2 所示，103LH、104LH 分别为两路进线流互，1LH、2LH 分别为两路主变流互，试验时103、104、1001、1002 闭合，试验电流经103LH极性端流入，经过断路器、母联隔开后再经过各支路的流互与地形成回路。根据母差保护原理，应保证输入母差保护装置交流电流回路的流互一次绕组、二次绕组的电流极性一致，在保持现有流互一次极性不变的情况下，调换进线流互103LH、104LH 或主变流互1LH、2LH 二次极性，即可满足母差保护要求。需要注意的是，调换极性时进线和主变流互极性只需选一种调整，但两路应同时调整，并在保护装置上读取保护电流的幅值、相位及差流，以确认保护向量正确。表2 所示为某牵引变电所母差保护加流测试数据。

图2 牵引变电所母差保护试验示意图

表2 母差保护加流测试记录

通过表2 数据可以看出，对于母差保护试验，可以从母线一次直接施加电流，从保护装置中可以同时直接读出施加电流的幅值及相位角，以及母线差动制动的计算量，既检查了流互的变比极性，又检查了二次回路接线以及保护参数设置，当流互极性错误时，在装置中可直接显示，便于对错误及时进行改正。该试验方法效率较高，且能有效检查母差保护的正确性。

1.4.3 主变差动保护试验

主变差动保护试验利用主机+阻抗转换装置，根据变压器阻抗大小，通过改变阻抗转换装置绕组的串并联方式进行匹配，利用短路电流模拟一次差动电流。试验可分为单相、两相、三相试验，对流互变比、极性、二次接线、保护配置进行检查，从而检查差动保护回路的正确性。图3 为牵引变电所差动保护试验示意图。

如图3 所示，1LH 为主变高压侧流互，201LH、202LH 分别为主变低压侧流互，试验时101、201、202 闭合，经过阻抗匹配，试验电流经101LH 极性端流入，经过101 断路器、主变感应至低压侧，而后再经过流互201LH、202LH 与地形成回路。

图3 牵引变电所差动保护试验示意图

主变差动保护试验在原理上与低压短路法相似，但通过阻抗变换，增加了阻抗匹配的过程，增大了试验电流，试验电流可控，电流幅值、相位均可以自由调节。对于以电压相位角判定相位的差动保护装置，可以结合全所PT 加压试验同时进行。表3 所示为某所主变差动保护加流测试数据。

表3 主变差动保护加流测试记录

通过表3 可以看出，经过阻抗匹配后，主变差动保护试验的电流明显增大，同样可以从保护装置中直接读出施加电流的幅值及相位角，以及差动制动的计算量，可有效检查差动保护极性的正确性。

1.4.4 馈线保护试验

馈线保护试验可以在主变差动保护试验的基础上直接利用馈线接地产生短路电流，除接地外不需要更改试验接线，试验工作量相对较小，但试验电流大小受变压器短路阻抗影响。也可以参考母差保护试验的方式，利用升流装置对馈线一次侧逐一进行加流，试验电流增大，试验工作量也有所增加。

2 方案对比分析

本节对现有几种通流加压技术方案进行对比，如表4 所示。

表4 几种通流加压技术对比

直接带载法是唯一一个在牵引变电所送电后实施的带负荷试验方法，整个试验过程均在系统电压下实施，危险性较大，送电投运前若存在未发现的潜在继电保护故障，极易对电力系统造成冲击。

低压短路法利用变压器短路电流来验证保护极性，试验过程中没有高电压大电流，相对较为安全，试验成本低，可操作性强，但试验电流一般较小，且容易受到干扰，使用场景有限。

变送器加量法通常是按照单系统单间隔的方式进行调试，不能保证全所交流回路的正确性。虽然变送器加量试验是电气设备交接试验中必不可少的一个环节，但因为加量法从原理上来说存在局限性，不能彻底发现全所的问题。

一次模拟负荷法的优点是直接输出高电压大电流，既检查了一次回路接线，又检查了二次回路接线，可以较为真实地反映互感器在近似于额定工况下的状态[3]。其特点包括：（1）因为模拟了较大的电压、电流值，测量值和保护值均可以在保护装置中直接读出，并利用无线选频伏安相位测试仪对向量正确性进行辅助确认。（2）可以模拟施加单相电压电流值，以检查互感器变比是否正确、电压互感器二次回路接线有无短路、电流互感器二次回路接线有无开路以及保护装置中变比参数设置的正确性；可以模拟施加三相电压电流，以检查相位极性的正确性，检测流入保护装置的电压、电流幅值及相位的正确性；可以模拟施加两相电压电流，以检查PT 二次开口三角接线的正确性及流入保护装置的保护电压是否正确。（3）可以对全所的PT 相序一致性进行检查；对PT 零序电压进行检查。

3 技术展望

目前，直接带载法由于其特殊性，在一段时期内仍继续存在一定应用场景。低压短路法因其简单易行，虽然使用效果一般，仍得到了较为广泛的应用，但随着一次模拟负荷法的推广，其被淘汰也是大势所趋。变送器加量法所使用的继电保护测试仪也在向无线、模块化、轻型化发展，如硬件方面采用分体设计、主从设计，电压电流可随意组合，主机、从机利用无线或GPS 同步技术；软件方面可以跨平台多终端操作，可利用程序实现自动化测试，减少人为干预，同时也减少人为因素引起的问题。对于一次模拟负荷法，同样需要走轻量化、模块化、堆叠化、多功能化设计的发展路线。堆叠化设计有利于设备的装卸运输，模块化设计有利于减少试验前的准备时间，轻量化有助于降低现场试验人员的劳动强度。增加多机同步功能，使得超远距离的线路保护一次同步加量成为可能。随着我国铁路建设的发展，智能化变电所在铁路牵引供电系统中得到了应用[4]，对于智能化牵引变电所广域保护调试中如何进行通流加压试验，是需要进一步深入研究的课题。