牵引变电所变压器差动保护故障分析和处理

徐 科 中国铁路上海局集团有限公司杭州供电段

1 引言

1.1 背景

电气化铁路不断开通运行，为我国的运输业作出了巨大的成就，牵引变电所是电气化铁路的动力来源，其正常稳定运行至关重要。牵引变电所馈线停电等故障轻则会导致列车误点，重则打铁路乱运输。牵引变电所内设备比较复杂，随着设备运行时间增长，不时有故障发生，这要求各供电单位严格按照相关规章制度执行，按各标准进行运行、维护、检修、试验。对现场设备缺陷故障进行整理、分析，从管理上进行加强，从技术业务上进行提高，由此故障分析越加被各供电单位重视。

1.2 牵引变电所变压器作用

在铁路牵引变电所中主要有牵引主变压器、自藕主压器和所用变压器。牵引变电所的作用是将电力系统供应的电能转变为适于电力牵引及其供电方式的电能，其中的核心件是牵引变压器。

1.3 变压器的工作原理

变压器一般由铁芯与线圈组成，通过原边施加交流电压，原边产生一次电流，在变压器铁芯中产生交变的磁通，由电磁感应原理交变的磁通使次边产生感应电压，其原边、次边的在理想状态下功率是一致的。变压器是变换交流电压、电流和阻抗的元件。

2 主变差动故障

2.1 主变差动保护的原理

变压器的差动保护基本原理是反应被保护变压器各端流入和流出电流的电流差。

牵引主变压器差动保护的范围是高压侧流互到低压侧流互之间的设备，包括牵引主变压器及变压器两侧的电缆或架空线。

现场运行的单相主变保护装置采用三段式差动保护。它的原理为装置采集高压侧电流 ，低压侧电流 ，为实现高、低压侧之间的差动电流平衡，电流由低压侧向高压侧平衡。

2.2 一起保护装置故障引起的主变保护差动动作

2.2.1 故障概况

差动报文见图1。

图1 差动报文

本次故障微机变压器保护测控装置为差动与高后备、非电量合一。具有差动速断、二次谐波制动的比率差动、低电压、高压侧过电流、低压侧过电流、过负荷（I段、II段）、失压、低压侧过电压、TV断线检测（高压侧、低压侧）、重瓦斯、轻瓦斯、温度（I段、II段）、压力、油位异常等保护功能。硬件由9大部件组成：①交流/采样模块，②通信模块，③保护CPU模块，④开入模块，⑤开出模块，⑥信号模块，⑦出口模块，⑧监控面板，⑨电源模块。

故障概况：某变电所设备在运行过程中，高铁2B主变低压侧合成电流IL1突然为0，而在高压侧IH1仍存有电流，2B单相保护装置判断为差动故障，动作出口发信跳闸。

2.2.2 故障分析及诊断措施

对故障进行分析。对现场进行调查，主变、高压柜、电缆无明显异常。

①从保护报文可发现在差动故障时刻2B高压侧IH1为0.13 A，低压侧IL1为0 A。保护定值单：平衡系数3.2，差动速断电流1.45 A，差动动作电流0.13 A，差动制动电流1（0.36 A），比例制动系数 1（0.4），差动制动电流 2（0.73），比例制动系数 2（0.6）。

根据公式进行计算：

图2 比率差动保护特性曲线

从比率差动保护特性曲线可确定（见图2），差动电流为0.13 A等于定值0.13 A、制动电流为0.065 A时，为差动动作第一动作区，且ICD2/ICD=0/0.06=0

②从故障录波（见图3）可看出，2B单相保护装置高压侧UH、IH1、IH2和低压侧UL、IL2波形在未跳闸前一直平稳，没有出现突变情况；但低压侧IL1电流基本为0，所以重点是低压侧合成电流为什么会没有。

③从波形还可以看出，UH、IH1、IH2和低压侧UL、IL2一直比较平稳，未出现电压电流突变现象，出现设备短路的故障情况不大，可能为二次回路接触不良或电流未采集到。具体故障原因，仍需进一步对保护装置、主变和连接电缆、电流互感器做检测试验，依据实验数据结果再做详细分析。

该牵引所进线为组合电器柜，牵引主变压器进出均为电缆（插拔式），高压柜为GIS柜，它们之间全部由电缆（插拔式）进行连接。

图3 录波分析

进行试验查找分析问题，由于该所特殊设计方式，考虑从易到难的方式逐步进行试验判断：

①变压器油器试验取样简单，试验快速。取2B牵引主变压器油进行耐压试验，运行中的66 kV～220 kV牵引主变压器击穿电压要大于等于35 kV，现场试验结果为60.23 kV，此项合格。

②油色谱分析：取变压器油进行分析结果如表1。

表1 油色谱分析结果

根据《上海铁路局高速铁路牵引变电所运行、检修和试验管理办法》的要求，运行中变压器的油中H2与烃类气体含量（体积分数）超过下列任何一项值时应引起注意：总烃：150 μL/L；H2：150 μL/L；C2H2：5.0 μL/L。比对情况总烃=乙烯（C2H4）+乙烷（C2H6）+甲烷（CH4）+乙炔（C2H2）很小未达到 150 μL/L，氢气（H2）<150 μL/L，乙炔（C2H2）<5.0 μL/L。此项合格。

③二次回路检查方便易行。根据2B主变差动保护二次原理图，对主变低压侧保护回路二次接线进行绝缘测试，从GIS高压柜流互接线端子及保护测控屏接线端子全部脱开二次接线，选用KYORITSU 3125兆欧表采用500 V档测量每根导线对地的绝缘及线间绝缘，测量结果为∞。说明二次线正常。

④怀疑保护装置采样存问题。对二次电流回路进行加流试验，主变低压侧变比保护为2500/1。在高压柜加模拟量进行电流校核，在2B的12LH2（202GIS高压柜中）合成二次回路加模拟量为0.1 A时，2B单相变保护装置IL1为0.1 A，4B单相变保护装置IL2为0.1 A；在4B的14LH2（204GIS高压柜中）合成二次回路加模拟量为0.1 A时，2B单相变保护装置IL2为0.1 A，4B单相变保护装置IL1为0.1 A。校验正常。

⑤从二次回路检查未发现问题，考虑电流互感器是否存异常，决定对电流互感器时行测试。因为全封闭设备，拆卸下202GIS高压柜的T相避雷器，通过接入试验电缆过渡，拆下2B接地相电缆（中性点接地插拔式电缆头拔出），102DL、1022GK、202DL、2021GK、204DL、2041GK 均为分位，1026E 为分位，通过202柜T相对2B低压侧进行绝缘试验，选用KYORITSU 3125兆欧表采用5000 V档测量为∞。

⑥主要目的是查找2B低压侧IL1，决定对2B的低压侧流互进行变比校验，12LH变比为2500/1。采用大电流发生器SL2对12LHT相一次侧加入大电流200 A，2B单相保护装置保护电流IL1为0.08 A，4B单相保护装置保护电流IL2为0.08 A，根据变比计算200/2500=0.08 A；对12LHF相一次侧加入大电流200 A，2B单相保护装置保护电流IL1为0.08 A，4B单相保护装置保护电流IL2为0.08 A，根据变比计算200/2500=0.08 A。未发现异常。

⑦由于原因仍未找到，考虑大型变压器需要检查其交流耐压情况。因有多种设备相连接，在202柜带2B主变低压侧电缆进行耐压试验，采用试验电压30 kV进行了5 min交流耐压试验，未发现异常。

⑧将保护装置采样模块送回综自厂家进行检测，发现采样模块异常，长时间运行后不能稳定进行数据采集。本次故障中，由于2B单相变压器保护装置的数据采集模块在运行过程中，未能采集到2B低压侧合成电流IL1，根据计算出差动电流并达到了差动动作电流定值0.13 A，且此时的制动电流0.06 A在比率差动动作第一区内，根据保护装置的逻辑图，差动保护投入、差动在动作区、差动电流二次谐波ICD2与差动电流ICD的比值小于二次谐波制动系数。从本次故障处理的情况看，目的明确，原因是由于2B低压侧合成电流IL1缺失，在整个故障查找分析过程中，始终围绕着这一点，从二次回路到一次回路进行详细检查，最终发现了问题所在。

2.3 故障处置方式

差动动作时对设备运行带来了很大的影响。故障原因为保护装置问题，但保护装置未能发出装置异常的告警，给故障查找带来了很大的不便，需要对主变、流互、高压电缆及二次设备逐个进行试验检查，对铁路抢修的时效性是个挑战。

本文结合现场实际认为，在处理故障时，首先，进行现场情况调查，从一次设备的外观等肉眼可见的地方进行调查、检查，同时闻一下空气中是否有异味。

其次，进行数据的收集，从后台读取报告、报文、录波，并尽快通过网络上至相关专业科室、车间。

第三，在抢修人员到达后对值班人员进行询问同时，分析报告、报文、录波，判断出大概故障方向，给故障处理指出方向，是有迹可循的，故障时它的电流是完全消失的且一次设备等无明显异常，有了初步的判断，可以节省抢修时间。

第四，在对报文的分析上，计算可作简化处理。第五，出现比较严重故障时，抢修人员可以分批出发，为抢修争取时间同时后继人员可以思考的更全面，携带好所需的设备、工具，不因缺少设备、工具、材料而影响抢修。

保护装置损坏后最终是进行保护装置模块的更换，更换完成对其进行电流、电压、差动、过流、过负荷等相关功能的校验、核对，以确保其功能正确完备。同时，注意主程序、逻辑程序的需与原装置一致。

3 结论

通过对牵引变电所变压器及其保护常见故障分析和处理，基本分为几步。第一，当故障发生时，现场设备检查，收集数据，观察故障现象。第二，根据故障情况，进行深入分析，有报文录波先行分析，查找具体原因。第三，根据分析判断确定查找方向，进行故障处置，根据现场情况，实施恢复。第四，进行总结，提出诊断方法或预防措施。不难发现其复杂多样的设备在出现故障时，只要深入进行分析，由表象到深入内部，查找出具体的原因，问题均可解决。困难之处在于新生设备在投入运行前，还未有相关技术措施进行故障诊断，无法进行确认设备的运行状态。如27.5 kV GIS柜，其全电缆进出的方式，在高铁天窗点时间内是不可能进行拆卸试验，其试验必将是一个不停电的在线试验。从高铁的发展来看，在线试验，在线监测将取代原来的传统电气试验。由周期修向状态修发展是个趋势，也是个方向。只要在解决了在线监测、试验的瓶颈，牵引变电所无人化将大规模实施。