李海东 李光磊 陆金鹏
中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春，130062
摘要：高速铁路牵引变压器后备保护普遍釆用低电压启动的过电流保护。本章介绍低电压启动过电流保护原理，探索随机森林算法用于牵引变压器后备保护的保护方案。
关键词：牵引变压器 后备保护 保护原理
（一）牵引变压器低电压启动过电流保护原理
牵引变压器过电流保护与线路定时限过电流保护工作原理相同。但由于牵引负荷冲击性变化的特点，牵引变压器在3倍的额定负荷下还要正常工作2mino常规过电流保护整定原则要求躲过最大负荷电流，用于牵引变压器时灵敏度不高。因此，牵引变压器的过电流保护使用低压侧ɑ和β相低电压启动。牵引变压器高、低压侧都有配置低电压启动的过电流保护作为后备保护。低压侧低电压启动过电流保护既用作馈线故障的后备保护，也作为母线故障的主保护。高压侧低电压启动过电流保护用作差动保护和低压侧过电流保护的后备保护。
牵引网正常工作时的电压一般在19?29kV之间，当牵引网电压从19kV降低到17.5kV时，机车电流会迅速减小。因此，在牵引变压器低压侧母线电压低于整定值时，流经变压器的大电流就可以被认为是故障电流。基于上述理论，以ɑ相为例，牵引变压器低压侧低电压启动过电流保护原理框图（如图1.1）所示，相的原理框图类似。图1.1中，Uɑ、Iɑ分别是牵引变压器低压侧ɑ相T线对地电压和ɑ相电流，UDr是低电压启动定值，IGLa是ɑ相过电流保护定值，tGLa是ɑ相动作时限。ɑ和β相容量未必相等，因此低压侧两相的过电流保护定值往往需要分别计算。
牵引变压器高压侧低电压启动过电流保护使用低压侧a和，两相T线对地电压启动，其原理框图如图1.2所示。图中，IA、IB、IC分别是高压侧A、B、C三相电流；IGLA、IGLB、IGLC分别是高压侧A、B、C三相过电流定值，tGL是高压侧过电流保护动作时限。同样，由于牵引变压器三相容量不一定相等，三相定值有时也要分别进行计算。
由于釆用低电压启动元件，过电流保护的整定值按躲过变压器额定电流整定，而不用按照躲过3倍变压器额定电流值进行整定，从而提高了保护的灵敏度。
（二）牵引变压器后备保护动作情况仿真分析
以高压侧低电压启动过电流保护为例，外部电源电压为220kV,短路容量4500MVA,单个变压器的容量为31.5MVA,低压侧T线对地阻抗0.1188+j0.3240Ω/km,F线对地阻抗0.1944+j0.5292Ω/km。
(1)牵引变压器接对称的3倍额定负载时，低压侧两相电压和高压侧三相电流波形如图1.3所示。三相电流约为额定电流的3倍，但是ɑ相和β相T线对地电压Uɑ和Uβ不满足动作条件。
(2)高压侧低电压启动过电流保护作为差动保护的后备保护，牵引变压器接对称额定负载时，差动保护区内0.1s时刻发生ɑ相T线接地故障时的低压侧两相电压和高压侧三相电流波形，ɑ相0.1s时刻发生T线故障后，Uɑ迅速下降，远小于低电压启动定值，同时A相和B相电流迅速升高，远高于额定电流，满足动作条件。
（3）仿真低压侧差动保护区外部T线接地故障，T线10km处0.1s时发生接
地故障时电压电流波形。
（三）牵引变压器后备保护
牵引变压器后备保护区内故障状态和其他状态时，低压侧电压和高压侧电流波形有所区别。因此，可以利用随机森林算法识别波形特征，区分故障状态和其他状态，将随机森林算法结合低电压启动过电流保护用于牵引变压器后备保护。以高压侧为例，基于随机森林的高压侧后备保护方案取ɑ相和β相T线对地电压和三相电流各一个周波波形数据，各自经过平移处理后，依照釆样先后次序排列，ɑ相和β相电压波形数据依次在前，A、B、C三相电流波形数据在后，作为随机森林分类模型的输入向量（属性），随机森林模型进行分类识别，输出分类结果（标签）。
一个周波内等间隔釆集50个数据，五个电压和电流总共250个数据作为输入属性。随机森林模型有一个输出标签，输出标签的值0和1分别表示故障状态和其他状态。出现故障状态则后备保护延时动作。故障状态包括差动保护区内高压侧单相接地、两相故障和三相故障等以及差动保护区内和外部低压侧T线接地、F线接地和TF线短路等造成低压侧电压降低同时三相电流较高的故障情况。如果是其他状态，则后备保护不动作。其他状态包括牵引变压器正常运行、空载合闸、过负荷和后备保护区外部的故障。牵引变压器高压侧基于随机森林的后备保护方案中，先进行牵引变压器各种运行和故障状态仿真，利用仿真数据组成样本，用于离线训练随机森林模型。保护启动后，将釆集的电压和电流波形数据生成的输入向量输入随机森林模型,得到分类结果，分类结果为故障状态则延时后发出跳闸信号。
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作者简介：
李海东（1986.03-），男，吉林省长春市，中车长春轨道客车股份有限公司，高级技师，研究方向：高铁动车制造及检修。