市域车辆牵引变压器原边过流保护的优化

市域车辆牵引变压器原边过流保护的优化

蒋诗璐、马丽丽、齐彪、范丽冰

中车株洲电力机车有限公司

摘要：某市域车辆运行过程中出现网压异常和牵引变压器原边过流故障，经分析，为网压突变引起牵引变压器产生较大励磁涌流导致。为避免该故障再次发生，对于牵引变压器励磁涌流进行相关研究和仿真，进而优化牵引变压器原边过流保护逻辑，避免由于励磁涌流导致车辆误报警。

1.问题描述

某市域车辆在经过某区段时频繁报出网压异常故障，后续甚至报出了牵引变压器原边过流故障，此故障导致车辆主断路器断开，极大的影响了车辆的正常运营。

2.原因分析

对于车辆故障判断逻辑核实如下：

（1）牵引控制单元TCU检测网压有效值＜U1时，车辆会报出网压异常故障。

（2）牵引控制单元TCU检测牵引变压器原边输入侧电流或回流电流＞I1，列车报出牵引变压器原边过流故障，故障发生后，车辆将分断主断路器和高压隔离开关。其中，电流保护门槛I1为电机最大功率折算至网侧再考虑一定过载系数确认。

对于车辆故障数据进行分析，可以发现故障时刻整车TCU均检测到网压有效值瞬间降低至7kV，低于电压保护门槛阈值U1，列车报出网压异常故障。

网压异常持续时间大概40ms，网压最低时接近0V。网压恢复后，励磁涌流电流最大达到476A，超过电流保护门槛I1，触发车辆牵引变压器原边过流故障。

图1 网压异常故障数据

通过上述故障数据可以看出，网压发生突然下降后，产生较明显的励磁涌流，随后由于励磁涌流电流达到476A，超过电流保护门槛I1，触发牵引变压器原边过流故障导致主断路器断开。故障的时间顺序为网压异常中断——牵引封锁——网压恢复——励磁涌流——变压器原边过流——触发主断跳开并保护——触发列车降弓。

励磁涌流为牵引变压器固有特性，在变压器空载投入时，由于变压器电、磁能的快速转换，铁心中磁通密度大大增加，铁心饱和现象非常严重，励磁电抗大大减小，因而励磁电流数值大增，由磁化特性决定的电流波形很尖，此电流即励磁涌流。

励磁涌流变化曲线为尖顶波。由图1可看出，故障时刻电流波形完全符合励磁涌流特性。

励磁涌流和铁心的饱和程度有关，同时和铁心的剰磁和电压的相角有关，当在电压过零时变压器磁饱和现象最严重，此时励磁涌流最大。

图2 励磁涌流与相角关系图

3.改进措施

对于因励磁涌流导致牵引变压器原边过流问题的车辆电流数据进行统计分析，故障时刻最大励磁涌流峰值为476A，励磁涌流为尖顶波在前三个周波（约60ms）后明显降低。

励磁涌流和铁心的饱和程度有关，同时和电压的相角有关。当在网压过零时刻投入变压器时磁饱现象最严重的，此时励磁涌流最大。按照不同幅值网压过零点进行变压器励磁涌流仿真，在网压29kV时励磁涌流最大为596A。

图3 励磁涌流仿真图

根据故障数据分析以及励磁涌流的特性，针对励磁涌流导致的牵引变压器原边过流问题，可对牵引变压器原边过流保护逻辑进行适应性调整。

1）励磁涌流非故障过流，在既有电流保护门槛I1的保护基础上添加一定延迟，尽量避开励磁涌流峰值最大时刻。根据故障时刻数据确认延时为80ms（励磁涌流尖顶波前四个周波时间）。

2）对既有电流保护门槛I1进行适当提升但不添加延时，保证真实硬件故障导致过流时设备仍然能够及时触发保护，避免对设备损伤。参照变压器励磁涌流仿真结果确定为I2。

综上，牵引变压器原边过流保护进行优化调整如下：

原保护逻辑：检测牵引变压器原边输入侧电流或回流电流＞I1，车辆报出牵引变压器原边过流故障，分断主断路器和高压隔离开关。

优化后方案：以下任意条件满足，报出牵引变压器原边过流故障，分断主断路器和高压隔离开关。

1）牵引变压器原边输入侧电流或回流电流＞I1增加80ms滤波时间；

2）牵引变压器原边输入侧电流或回流电流＞I2。

4 结语

综上所述，本文根据故障数据分析以及励磁涌流的特性，针对励磁涌流导致的牵引变压器原边过流问题，对牵引变压器原边过流保护逻辑进行适应性调整，由于励磁涌流引起的大电流可进行屏蔽，提升市域车辆可用性。

参考文献

[1]变压器励磁涌流的分析与控制研究