牵引变压器保护

6牵引变压器保护
6.1 牵引变压器的保护方式
牵引变压器的类型及接线
牵引变压器（又称主变压器）是牵引变电所的主要设备。

牵引变压器的额定电压，原边为110kV(或220 kV)；次边为27.5kV，比接触网额定电压25kV高10%；AT供电方式的牵引变压器次边额定电压为55kV或2×27.5kV。

牵引变压器的额定容量，有10、12.5、16、20、25、31.5、40、50、63MVA等9个等级。

.1 牵引变压器类型
牵引变电所中常用的牵引变压器类型有单相变压器、三相变压器、三相-两相变压器（如斯科特接线、阻抗匹配平衡变压器等），从变压器的结构上讲，牵引变压器主要为油浸式变压器。

.2 牵引变压器的接线
1.单相牵引变压器
单相牵引变压器的接线形式，有纯单相接线、单相V,v接线和三相V,v接线3种。

例如，单相牵引变压器采用纯单相接线的原理接线如图6.1所示。

（图6.1 纯单相接线原理接线图）
2.三相牵引变压器
三相双绕组变压器的接线有多种形式，为统一起见，国家有关标准规定：Y,d11、Y,yn12、YN,d11三种形式为标准接线。

牵引变电所采用的是YN,d11接线，原边电压110kV，次边电压27.5 kV。

三相牵引变压器采用YN,d11接线的原理接线如图6.2所示。

采用YN,d11接线的优点是：
（1）牵引变压器的容量较大，一般只能由110kV或220kV电网供电，而该电压等级的电网为中性点直接接地系统。

三相牵引变压器的原边绕组接成YN，便于与电力系统的运行方式配合。

另外，中性点接地还具有降低绕组的绝缘造价等优点。

（2）由电机学原理知道，当三相变压器的次边绕组为三角形接线时，可以提供三次谐波电流的通路，从而保证变压器的主磁通和电势为正弦波。

原边绕组接成YN ，引出线端子A、B、C接电力系统三相，中性点通过隔离开关QS接地；次边绕组接成三角形，c端子接钢轨和地网，a端子和b端子分别接到两臂的牵引母线上。

由于两臂的的电压相位不同，因此两臂的接触网必须用分相绝缘器分开。

三相牵引变压器由于具有中性点接地方式与电力系统相适应、结构相对简单、运用技术成熟、供电安全、可靠性高等特点而广泛被应用，目前，在我国电气化铁道牵引供电系统中的占有比重达到80%以上。

（图6.2 采用YN,d11接线原理接线图）
3.三相-两相牵引变压器
三相-两相牵引变压器又称平衡牵引变压器，它能将原边电力系统的对称三相系统变换成次边相互垂直的两相系统；反之，只要牵引变压器次边的两相电压、电流相互垂直、大小相等，则原边的三相系统就能保持三相对称。

采用三相-两相牵引变压器的目的，是使电力系统的三相负荷对称，消除或减弱由牵引负荷在电力系统中所产生的负序电流。

比较典型的采用斯科特接线的三相-两相牵引变压器原理接线如图6.3所示。

（图6.3 斯科特接线原理接线图）
变压器的运行工作状态
变压器的运行工作状态一般分为正常工作状态、不正常工作状态以及故障。

.1 正常工作状态
正常工作状态是指变压器运行在额定技术指标范围内的工作状态，在正常工作状态下运行的变压器可以按照厂家给定的工作寿命长期运行，并保证有良好的电能转换质量。

.2 不正常工作状态
不正常工作状态是指变压器运行在超额定技术指标范围外的工作状态，但允许有一段时间的运行。

主要有：负荷长时间超过额定容量引起的过负荷；外部短路引起的过电流；外部接地短路引起的中性点过电压；油箱漏油引起的油面降低或冷却系统故障引起的温度升高；大容量变压器在过电压或低频等异常运行工况下导致变压器过励磁，引起铁芯和其他金属构件过热等。

变压器处于不正常工作状态时，会对变压器的各项电气绝缘物质造成损害，缩短变压器工作寿命，或造成故障。

所以，变压器处于不正常运行状态时，继电保护装置应根据不正常
运行状态类型的不同，以及其严重程度，发出警告信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。

.3 故障状态
故障是指变压器的运行已经受到严重的破坏而不允许继续运行的状态。

如果让故障变压器继续运行，将会造成变压器设备的灾难性事件发生（如油浸式变压器爆炸等），同时也会使故障波及电力系统中的其它电气设备的正常运行。

对变压器来讲，危害最大的故障是短路故障。

油浸式变压器的短路故障分类一般以变压器油箱箱体为界而分为内部故障和外部故障。

1.内部故障
内部故障主要是指发生在变压器油箱内包括高压侧或低压侧绕组的相间短路、匝间短路、中性点直接接地系统侧绕组的单相接地短路。

变压器油箱内部故障是很危险的，因为故障点的电弧不仅会损坏绕组绝缘与铁芯，而且会使绝缘物质和变压器油箱中的油剧烈汽化，由此可能引起油箱的爆炸。

所以，当变压器发生内部故障时，继电保护装置应尽可能快地切除这些故障。

2.外部故障
油箱外部最常见的故障主要是变压器绕组引出线和套管上发生的相间短路和接地短路(直接接地系统侧)，而油箱内发生相间短路的情况比较少。

对于变压器所发生的外部故障，继电保护装置也应该有所动作。

牵引变压器的保护方式
以三相油浸式牵引变压器为例介绍保护方式的配置。

.1 纵联差动保护
纵联差动保护（以下简称纵差保护）作为牵引变压器的主保护使用，可以反应油浸式变压器的内部故障与外部故障中相间短路和接地短路故障，如变压器绕组内部相间短路故障、高压侧单相接地短路、匝间层间短路故障、套管及引出线故障等，具有很高的动作灵敏性、速动性。

纵差保护动作后切断变压器两侧断路器，同时发出纵差保护动作信号。

在实际应用中，纵差保护常采用二次谐波闭锁原理、间断角闭锁原理、波形识别闭锁原理以及模糊识别闭锁原理等技术措施，消除励磁涌流等因素对保护可靠性的影响，所以，纵差保护具有很高的工作可靠性。

.2 瓦斯保护
瓦斯保护在油浸式变压器的保护装置中具有特殊的地位。

它作为变压器的主保护使用，既可以反应变压器油箱内部故障（如匝间短路、层间短路等），又可以反应变压器的不正常工作状态（如油面过低、长期过热等），所以瓦斯保护也分为重瓦斯和轻瓦斯，重瓦斯动作于跳闸，轻瓦斯动作于报警。

.3 过电流保护
过电流保护在变压器的保护装置中主要作为后备保护使用。

在实际应用中，由于牵引供电系统为重负荷供电线路，常采用低电压启动方式提高过电流保护的动作灵敏，即采用低电压启过电流保护。

而且，由于牵引供电系统变压器二次为单相独立供电负荷，一般情况下过电流保护在变压器的高压侧和低压侧分别设置，高压侧设置三相过电流保护（称110 kV侧过电流），低压侧设置两单相过电流保护（称27.5 kV侧过电流）。

需要说明的是，27.5 kV 侧过电流主要作为变压器二次侧引出线至27.5 kV侧母线间（包括母线）的主保护和牵引网馈线的后备保护。

110 kV侧过电流保护则是作为变压器纵差保护的近后备保护和27.5 kV侧过电流保护的远后备保护。

.4 接地保护
接地保护在变压器的保护装置中作为反应变压器一次侧发生接地故障时的保护，是一种
相对独立的保护，也是纵差保护的一种辅助保护。

对中性点直接接地电网，由外部接地短路引起过电流时，如变压器中性点接地运行，应装设零序电流保护。

零序电流保护通常由两段组成，每段可各带两个时限，并均以较短的时限用于缩小故障影响范围，以较长的时限用于断开变压器各侧的断路器。

当电力网中部分变压器中性点接地运行，为防止发生接地时，中性点接地的变压器跳闸后，中性点不接地的变压器(低压侧有电源)仍带接地故障继续运行，应根据具体情况，装设专用的保护装置，如零序过电压保护，中性点装设放电间隙加零序电流保护等。

.5 过负荷保护
过负荷保护在变压器的保护装置中作为反应变压器过负荷不正常工作状态，是一种相对独立的保护。

当变压器出现过负荷不正常工作状态时，过负荷保护应给出告警信号。

在无经常值班人员的变电站，必要时过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷。

.6 过热保护
过热保护在油浸式变压器的保护装置中作为反应变压器油箱内部油温过高而设置，具有油温过高报警和启动控制冷却系统工作的功能。

过热保护与瓦斯保护均属于非电量保护。