房海峰
（中国铁路郑州局集团有限公司调度所，河南郑州450052）
摘 要：CRH3型动车组差动保护是通过检测器件对网侧电流互感器、主变压器原边电流互感器及主变压器接地回流互感器的电流值进行比较判断，确保主变压器工作状态良好的一种保护方式。在动车组运营过程中，由于检测器件故障导致的差动保护误动故障日益增多，对高速铁路的运营秩序造成极大的影响。本文通过对故障数据的统计，分析故障产生原因，并对相关检测器件进行方案优化，以期降低因检测器件导致的差动保护故障率。
关键词：差动保护 原理分析 方案优化
1 引 言
主变压器是高速动车组最为重要的电气设备之一，它的安全性和可靠性对动车组的安全运行起着至关重要的作用。差动保护是否启动直接反映动车组主变压器的实际工作状态。由于动车组设计采用故障导向安全的基本原则，一旦产生差动保护将导致动车组停车，严重影响高速铁路运营秩序。根据对主变压器差动保护故障数据的分析发现，动车组发生差动保护的原因，主要集中在检测电路中，而非主变压器自身故障。因此，研究动车组差动保护产生原因对动车组高压牵引系统的设计、应用及检修有着重要的意义。
2 CRH3型动车组差动保护分析
通过对某动车所CRH3型动车组2020年发生的23起差动保护故障进行分析，在23起差动保护故障中，因主变压器自身故障原因仅1起，占据故障总数的4%，其余22起差动保护故障均是由于检测电路或者外界因素造成的。故障原因统计如图1所示。
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图1差动保护故障原因统计
3 CRH3型动车组主变压器及电流互感器的工作原理
CRH3型动车组为8辆编组的动力分散型动车组，由2个相同的牵引单元构成，每个牵引单元由4辆车构成，包括2节变流器车，1节变压器车和一节中间车。动车组高压牵引系统组成如图2所示[1]。
图2 高压牵引系统组成示意图
3.1主变压器工作原理
CRH3型动车组主变压器为单系统变压器，用于生成牵引电压。变压器为单相操作，它将一次绕组上的触线（CL）电压转换为四个二次牵引绕组（TW1-TW4）电压。
变压器上采用了多种适当的保护措施，以防变压器过载。包括冷却回路中为防热过载执行的温度监测，为检查冷却剂流量执行的流量监测及为检测一次侧电路接地故障执行的一次隔离监测（差动保护）。
3.2 电流互感器工作原理
电流互感器依据电磁感应原理,对被测线路的电流进行测量。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成,串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次侧绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次侧回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。电流互感器是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来使用 ，二次侧不可开路。车辆上用于监测的电流互感器均为直通式电流互感器[2]。
4 差动保护原理及产生原因
差动保护主要是通过基尔霍夫电流定律“电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和”的原理设计的。
∑I=0
差动保护分为高压线路差动保护及主变压器差动保护。如图2所示，高压线路差动保护是将高压隔离开关作为一个节点，网侧电流互感器的数值与两个主变压器原边电流互感器的数值进行比较。而主变压器差动保护则是将主变压器作为一个整体器件，通过比较原边电流互感器的监测值与接地回流互感器的监测值进行比较，判断主变压器的工作状态[1]。
4.1 高压线路差动保护
高压线路差动保护是通过网侧电流互感器及两个牵引单元主变压器原边电流互感器的监测值进行比较分析。其判断逻辑是：网侧电流互感器的监测值与两牵引单元主变压器原边电流的监测值之和的差值的绝对值≥60A，同时延迟2.6s后输出相应的诊断逻辑，并报出相应的故障代码。CCU执行断主断、封锁相应的牵引单元操作。诊断逻辑如图3所示[3]。
图3 高压线路差动保护逻辑
造成高压线路差动保护的主要原因可能是高压线路存在接地点，或者主变压器一次侧内部存在接地点。通过对网侧电流互感器及主变压原边电流互感器进行检查分析，并对主变压器进行检查，查看大A端子状态，必要时对主变压器油进行采样分析。同时对高压线路进行排查，检查高压隔离开关及车间跨线状态是否存在异常。同时检查相应的匹配互感器及匹配电阻。
4.2 主变压器差动保护
主变压器差动保护是监测主变压器原边电流互感器与接地回流互感器的监测值进行比较，如果主变压器原边电流互感器和接地回流互感器的差值的绝对值≥20A，同时延迟1.4s后输出相应的诊断逻辑并报出相应的故障代码。CCU执行断主断、封锁相应牵引单元的操作。
诊断逻辑如图4所示。
图4 主变压器差动保护控制逻辑
造成主变压器差动保护主要的原因可能是主变压器原边电流互感器或者主变压器接地回流互感器及其对应的匹配互感器或者匹配电阻故障。同时还有可能主变压器内部存在放电现象，需对主变压器状态及大A端子状态进行确认，必要时对变压器油进行采样分析[4]。
5 差动保护故障优化方案
差动保护故障作为保护主变压器正常工作的重要一环，减少其因为其它因素误报导致发生故障率。
5.1 电流互感器进水
车顶电流互感器进水。对于此类故障，在现有车型上，在安装电流互感器工艺中进行防水胶的涂打，减少进水的概率。同时在日常使用中，使用防水腻子对电流互感器进行包裹，并在日常检修中纳入检修项点，定期对防水腻子进行检查并及时补涂。同时使用新型电流互感器，改进电流互感器结构，增加防水等级，减少进水的概率。同时可以增加罩板对高压部件进行密封处理。对高压系统进行密封处理的方式在中国标准化动车组中已经进行实验，运用状态良好。
5.2 匹配互感器及匹配电阻故障
匹配互感器和匹配电阻故障，在现有车型中，对匹配电阻位置及方向进行调整，避免因为异物掉落导致电阻阻值发生变化导致故障发生。同时增加匹配电阻盖板，减少误差的产生。在未来车组中使用新型变换器件，使匹配互感器和匹配电阻的功能合一，减少部件的应用数量，减少因为多部件的应用造成稳定性的降低[5]。同时对部件的稳定性进行改进，尤其是在强磁场环境中的应用，减少故障的发生率。
5.3 CCU板卡故障
CCU板卡故障主要是由于单个CCU检测的数据值发生错误导致故障的发生。在未来车组中，可以改进相应的判断逻辑：如果同一单元两个CCU同时检测到差动保护故障，则封锁高压系统并切断高压隔离开关；如果仅有一个CCU检测到差动保护逻辑，则不立即切断高压系统，而是降功率运行，同时另一个CCU对相关逻辑进行二次暂态判断，同时减小判断逻辑限值[6]。
通过以上的故障改进方案，在日后的工作中对相关的部件和逻辑进行改进，减少由于误报差动保护故障导致的牵引封锁，减少因为检测器件故障导致的列车晚点，严重影响到列车的运营秩序。
6 结 语
国家“八横八纵”高速铁路网的快速完善与“一带一路”战略的快速实施，既有线路运力日趋饱和，铁路运营压力逐日增加。这对动车组的安全、稳定运行提出了更高的要求。文中通过对车组运用过程中异常差动保护故障进行统计，对引起异常差动保护故障的原因及原理进行分析，并提出相应的改善和防范措施。进而保证主变压器及高压牵引系统的稳定性，提升车组的运用性能，全面提升动车组的可靠性及安全性。
参考文献：
[1] 曹永志,王洋,耿民，等. CRH3型动车组牵引变压器差动保护产生原因分析及防范措施[J].铁道机车与动车,2014，09:34-37.
[2] 刘建强，崔秀国，孙帮成，等. CRH3型动车组高压电器系统可靠性研究[J].铁道学报， 2013,35(6):22-27.
[3] 中国铁道总公司.CRH3C/CRH380B(L)系列动车组途中故障应急处置指导手册［M］.北京：中国铁道出版社，2016.