夏文忠

0 引言

牽引變壓器作為高速鐵路供電核心設(shè)備，對其制造工藝和質(zhì)量要求越來越高，隨著速度的提升，其容量也越來越大，350 km/h以上速度的高速鐵路牽引變壓器容量達(dá)100 MV·A，單臺變壓器容量高達(dá) 50 MV·A。在新建變電所進(jìn)行變壓器沖擊試驗(yàn)時，往往因勵磁涌流，造成主變壓器保護(hù)裝置誤動作，影響牽引變電所受電啟動的進(jìn)程，本文將就高速鐵路牽引變壓器勵磁涌流產(chǎn)生、特點(diǎn)和影響因素進(jìn)行闡述，通過案例分析，提出防止保護(hù)裝置誤動作的具體措施，與同仁共同探討。

1 影響勵磁涌流的因素

由于變壓器繞組為感性，在空載投入時，不可避免地在其繞組中產(chǎn)生勵磁涌流，最大峰值可達(dá)到變壓器額定電流的6～8倍，甚至更大，電壓等級高的大容量變壓器涌流持續(xù)時間為5～10 s，而小容量變壓器近幾個周波。如此大的勵磁涌流，如何準(zhǔn)確判斷，必須正確掌握其特點(diǎn)和影響因素，方能采取必要的措施。大量的仿真試驗(yàn)和工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)變壓器空載投入時產(chǎn)生的勵磁涌流具有如下特點(diǎn)：波形具有很大的離散性；幅值大且隨時間衰減；含有非周期分量電流，波形呈間斷特性；含有大量的偶次諧波分量，其中以2次諧波為主。

理論研究和實(shí)踐證明，勵磁涌流的大小和性質(zhì)取決于以下因素：合閘時電壓初相位角、變壓器鐵心的剩余磁通、合閘回路電阻、變壓器的容量、變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等[1]。最大涌流出現(xiàn)在變壓器投入時電壓經(jīng)過零點(diǎn)瞬間，即 0°和 180°時產(chǎn)生的勵磁涌流最大，90°和-90°時最小，但三相變壓器合閘時很難控制三相的初相位角均為90°或-90°。

變壓器鐵心的剩余磁通越大，對合閘勵磁涌流的影響越大。當(dāng)剩磁與合閘電壓產(chǎn)生的磁通極性相同時，會助長勵磁涌流的增大，反之，減小勵磁涌流。合閘時間常數(shù)與變壓器的立場電抗，鐵心保護(hù)度以及電源到變壓器的總電阻有關(guān)[2]?？傠娮柙酱?，勵磁涌流的時間常數(shù)（τ = L/R）越小，衰減時間越短，勵磁涌流也就越??；電抗越大，勵磁涌流的時間常數(shù)τ 越大，衰減時間越慢；同電壓等級變壓器的容量越大，電抗越大，鐵心磁通密度工作點(diǎn)越高，產(chǎn)生的勵磁涌流較大。

2 故障案例及分析

某高速鐵路工程在牽引變壓器沖擊試驗(yàn)時，多次出現(xiàn)低電壓啟動過電流保護(hù)出口動作跳閘的現(xiàn)象，為安全起見，組織技術(shù)人員對保護(hù)范圍內(nèi)的一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行了檢查試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)任何異常，核對保護(hù)整定值與設(shè)計定值一致，查看調(diào)度記錄發(fā)現(xiàn)地方電力調(diào)度曾下令，要求牽引變電所值班員將低電壓啟動過電流整定值延時由 1.3 s改為0.2 s，以保證線路初充電的順利進(jìn)行。初步判斷是沖擊合閘時，不能躲過較大的勵磁涌流，造成變壓器保護(hù)裝置誤動作，斷路器跳閘。

2.1 高速鐵路牽引變壓器保護(hù)配置

客運(yùn)專線牽引變電所進(jìn)線電壓一般為220 kV，V形接線變壓器組，變壓比220 kV/（2×27.5）kV，客運(yùn)專線250～350 km/h牽引變壓器容量為63～80 MV·A，380 km/h及以上速度的高速鐵路牽引變壓器容量為80～100 MV·A，單臺變壓器容量高達(dá)50 MV·A，短路阻抗10.5%，按照牽引供電動態(tài)負(fù)荷特點(diǎn)，變壓器過負(fù)荷能力要求，實(shí)際容量比額定容量高一個容量等級。

高速鐵路牽引變壓器通常設(shè)置變壓器主保護(hù)和后備保護(hù)，主保護(hù)主要為帶諧波閉鎖的三段式比率制動差動保護(hù)和差動速動以及瓦斯保護(hù)。后備保護(hù)主要為低電壓啟動過電流保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)。牽引變電所主接線和保護(hù)裝置配置示意圖見圖1。

圖1 牽引變電所主接線和保護(hù)裝置配置示意圖

差動保護(hù)整定，差動電流一般為高壓側(cè)額定電流的50%～70%，諧波制動比15%～20%，差動速斷一般為高壓側(cè)額定電流的8～10倍。

低電壓啟動過電流整定，一般動作電流為高壓側(cè)額定電流的2.5倍，延時1.3 s，電壓啟動值為低壓側(cè)母線電壓的60%。

2.2 故障分析

經(jīng)過調(diào)取保護(hù)裝置故障跳閘錄波，其波形如圖2所示。對事件的電流波形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電流波形有明顯的勵磁涌流特征，其中一次跳閘時，B、C相電流達(dá)1.64 A，是額定電流的7倍，持續(xù)時間大于臨時延時整定值0.2 s，諧波含量低于15.48%，幾乎處于臨界值，改變低電壓啟動過電流保護(hù)延時時間為0.5 s后，仍然偶有跳閘現(xiàn)象。從繼電保護(hù)配置圖可以看出，變壓器沖擊時，2×27.5 kV側(cè)斷路器處于分閘狀態(tài)，2×27.5 kV母線電壓互感器（下文簡稱 PT）無壓，低電壓啟動過電流保護(hù)之電壓元件處于動作狀態(tài)，只要合閘涌流和持續(xù)時間大于整定值，低電壓啟動過電流保護(hù)將出口，斷路器跳閘。

據(jù)了解，目前國內(nèi)100 MV·A牽引變壓器仍為使用初期，容量大，制造結(jié)構(gòu)、工藝要求嚴(yán)格，沖擊時勵磁涌流大，諧波基波比低于 15%，在 12%左右，甚至更低，持續(xù)時間長，可能會造成差動保護(hù)或低電壓啟動過電流保護(hù)出口，斷路器跳閘。另外，如果變壓器出廠試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)時，特別是直流項目試驗(yàn)后，未能及時采取消磁措施，一旦鐵心剩磁偏高且極性與電源電壓相同時，勵磁涌流可能會更大，極易造成保護(hù)裝置誤動作。通過分析可見，此事件是保護(hù)誤動作跳閘，屬正?，F(xiàn)象，但必須采取措施。

3 防止誤動作的主要措施

高速鐵路大容量牽引變壓器沖擊時由于勵磁涌流的原因造成保護(hù)裝置誤動作跳閘，其不但影響了正常的啟動進(jìn)程，還容易造成變壓器內(nèi)部過電壓，嚴(yán)重時破壞變壓器絕緣，會給未來的高速鐵路運(yùn)營帶來許多困擾和問題。筆者查閱大量資料，結(jié)合高速鐵路牽引變電所及其保護(hù)的設(shè)置，提出下述措施，與同仁探討。

3.1 調(diào)整27.5 kV母線PT位置

從圖1可知，變壓器受電時，2×27.5 kV側(cè)斷路器處于分閘狀態(tài)，2×27.5 kV母線PT無壓，低電壓啟動過電流保護(hù)之電壓元件處于動作狀態(tài)，一旦勵磁涌流超過保護(hù)定值就會跳閘。

圖2 牽引變壓器沖擊試驗(yàn)差動保護(hù)裝置電流波形圖

如果原27.5 kV母線PT移至牽引變壓器的低壓出線側(cè)（方案 1），或者在牽引變壓器的低壓出線側(cè)加裝PT（方案2），其二次電壓作為低電壓啟動過電流保護(hù)裝置的電壓啟動元件的輸入條件，可以消除原設(shè)計方案的主變沖擊時低電壓啟動過電流保護(hù)裝置的誤動作。分析可知，方案1存在PT前移后，27.5 kV母線電壓必須加入電壓側(cè)斷路器位置信息，饋線距離保護(hù)電壓輸入條件必須相應(yīng)改變，該方案簡單易行。方案2存在一次、二次接線復(fù)雜問題，為此增加了部分投資。

3.2 倒閘操作及自投程序

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在額定電壓下對變壓器沖擊合閘試驗(yàn)，應(yīng)進(jìn)行 5次，每次間隔時間宜為5 min，應(yīng)無異?，F(xiàn)象；沖擊合閘宜在變壓器高壓側(cè)進(jìn)行[3]。據(jù)此，在現(xiàn)有的鐵路牽引變電所啟動程序中，變壓器沖擊試驗(yàn)前4次均未投入2×27.5 kV/27.5 kV設(shè)備，當(dāng)大容量變壓器沖擊合閘時難免出現(xiàn)過流保護(hù)裝置誤動作。筆者認(rèn)為，可對變壓器沖擊的倒閘操作內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整：

（1）第一次沖擊時，原有操作不變，成功后即可投入2×27.5 kV/27.5 kV進(jìn)線設(shè)備、母線和母線電壓互感器，第 2、3、4次不再退出 2×27.5 kV/27.5 kV設(shè)備，避免后備保護(hù)裝置誤動作。

（2）4次沖擊正常后，退出 2×27.5 kV /27.5 kV設(shè)備。

（3）2號系統(tǒng)變壓器沖擊按步驟（1）的要求進(jìn)行。

（4）2號系統(tǒng)第4次沖擊完成后，模擬2號變壓器故障，1號系統(tǒng)自投。

（5）1號系統(tǒng)自投成功后，模擬 1號變壓器故障，2號系統(tǒng)自投，完成2號變壓器第5次沖擊，空載運(yùn)行。

為保證系統(tǒng)供電可靠性，變壓器故障時，設(shè)置有自投裝置，即切除故障變壓器高低壓側(cè)設(shè)備，備用變壓器系統(tǒng)自動投入，但是自投程序一般為先合220 kV斷路器，再合2×27.5 kV設(shè)備。同上原因，為減小勵磁涌流影響，可以改變該程序，即先合2×27.5 kV設(shè)備，再合220 kV斷路器，備用變壓器投入運(yùn)行。該運(yùn)行方式在既有電氣化鐵路牽引變壓器2×27.5 kV或27.5 kV側(cè)僅設(shè)置隔離開關(guān)時也有應(yīng)用，是可行的。

3.3 變壓器出廠試驗(yàn)后的消磁措施

牽引變壓器出廠時需要做大量的試驗(yàn)，既有交流試驗(yàn)項目，又有直流試驗(yàn)項目，先后次序不統(tǒng)一，如果最后項目為直流試驗(yàn)，特別是采用直流方法的繞組變形試驗(yàn)，往往會產(chǎn)生較高的剩磁，建議出廠試驗(yàn)時最后試驗(yàn)項目為交流試驗(yàn)并采取消磁措施，同樣原因，現(xiàn)場試驗(yàn)時也應(yīng)如此，防止變壓器剩磁過高，在變壓器合閘沖擊時涌流過大。

3.4 高壓側(cè)配置帶合閘電阻的斷路器

根據(jù)國內(nèi)外電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，220 kV及以上電壓等級的大容量變壓器設(shè)置帶預(yù)合閘電阻的斷路器，以減小變壓器合閘沖擊時的勵磁涌流的幅值。該斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，合閘電阻的壽命有限，檢修困難，且價格昂貴，應(yīng)綜合考慮各種因素選用。

3.5 斷路器分相合閘控制

目前高速鐵路牽引變電所220 kV斷路器一般選用配置為三相電聯(lián)控制，如果增設(shè)電壓測控裝置，利用電壓初相角捕獲功能，理想情況下，在A相電壓初相角為-90°或+90°處合閘，發(fā)出 A 相合閘命令，B、C相分別錯開120°合閘，即6.67 ms，勵磁涌流可最小。該方式在電力系統(tǒng)早有應(yīng)用，可以嘗試使用。

3.6 避免誤整定和二次接線松動

長大干線牽引變壓器的種類多，不同廠家、不同容量，而且保護(hù)裝置廠家也不盡相同，因此不同變電所每臺變壓器的保護(hù)整定也不相同，試驗(yàn)調(diào)試時，稍有疏忽就會發(fā)生錯誤。另外，往往由于二次回路接線松動、短連片、試驗(yàn)連接片不緊，運(yùn)行時正常的負(fù)荷電流，就會發(fā)生差動保護(hù)裝置動作，長時間開路，危害極大，嚴(yán)重時燒損電流互感器和保護(hù)裝置。因此，二次配線時應(yīng)嚴(yán)格檢查，保證二次回路接線正確、牢固，現(xiàn)場試驗(yàn)時應(yīng)特別注意核對繼電保護(hù)整定值，低電壓通電模擬試驗(yàn)應(yīng)完整，保證可靠投運(yùn)。

4 結(jié)束語

通過上述案例的分析和理論研究，由于保護(hù)配置不當(dāng)、誤整定、二次接線錯誤等原因，造成保護(hù)裝置誤動作，沖擊合閘不成功，危害極大，而且高速鐵路牽引變壓器容量大，合閘沖擊時勵磁涌流很大，會出現(xiàn)保護(hù)裝置誤動作，但必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，最大限度地減小勵磁涌流的影響，保證安全性、可靠性的向接觸網(wǎng)供電，確保動車組正常運(yùn)行。

[1]陳忠.降低勵磁涌流不良影響的措施[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，（23）.

[2]陳麗萍.變壓器空載合閘勵磁涌流與外部故障切除后恢復(fù)性涌流討論[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2010，（5）.