地铁基于干式变压器过负荷保护的研究

地铁基于干式变压器过负荷保护的研究

周健

南宁轨道交通运营有限公司 广西 南宁 530029

【摘要】随着地铁线路客流量日益增大，许多运行路线均已达设计的运期负荷，列车运行时间缩短，牵引负荷大，波动性强。与此同时，我国的地铁站点配套式的发展也越来越受重视。在保证变压器的超限容量的前提下，使其达到最大限度的使用，并使其达到最佳的使用寿命。由于安全、占地面积和免维护等原因，在城市轨道交通的中压变电站中，常选用干变压器。2003年《地铁设计规范》中，对轨道交通干式变压器进行了严格的过负荷防护。所以，为了使其达到最大限度地发挥其超载容量，减少其绝缘的衰老速率，并能够使其不被热烧毁，从而增加其整体的经济价值。针对轨道交通中压配电箱的配用问题，目前国内有两种解决方法：一是根据其温度曲线特征进行热过负荷防护，二是采用逆时滞特性曲线进行过负荷防护。

关键词：地铁；干式变压器；过负荷保护

0.引言

由于客流不断增加、发车间隔缩短、各方面的波动等原因，以及利用地下管线建设所需的电能全部来自于中高压变电站，导致了变电站的短期超载容量问题。在此基础上，对电力系统中的电力系统进行了大量的研究。目前，我国铁路干式变压器的过负荷防护还没有统一的设计方法，国内外的电力系统都是根据温度曲线和反向时间两种原则来设计的，并结合周围的实际情况，对以后的轨道交通建设中的过负载防护进行了研究。

1.干式变压器的过负荷保护优点分析

现在，国内干式变压器的年生产能力已经达到10000MVA，是全球最大的干式变压器生产国。由于低噪音（低于2500kVA的配电变压器噪音已经被限制在50dB以内）和节能（空载损失减少25%),SC(B)9型的推广，使国内的干变压器各项技术和性能指标均达到国际领先水准。

随着干式变压器的广泛使用，它的生产和加工技术得到了极大的发展，其具有以下优点：

1.1节能降噪：采用新型低功耗硅钢板、铝箔线圈、梯形铁心接头、环保需求、噪音等新材料、新工艺、新技术的引进，将会使得今后的变压器节能、宁静。

1.2环保特性认证：基于欧洲HD464规范，对干变压器耐大气性能（C0,C1,C2）、耐环境（E0,E1,E2）和耐火材料（F0,F1,F2）的性能进行了验证。

1.3大容量：以50-2500kVA的主要变换器，逐步扩展到10000-20000kVA/35kV的功率变压器，由于城市用电量的日益增长，城网地区变电站越来越深入城市中心区、居民小区、大型厂矿等负荷中心，35kV大容量的小区中心供电电力变压器将获广泛应用。

1.4城市地铁、轨道运输所使用的干式电力变压器，电压分为10、20、35kV，容量分别为800千伏、2500千伏和3300千伏，并由12脉冲整流发展至24脉冲整流，可以降低共振的影响。

2.热曲线特性

热过负荷保护装置使用定时限电气量度继电器，继电器可对经过防护装置的电流进行检测，防止因电加热造成的损害。由于目前广泛使用的是全存储器的电气继电器，故其热态特性曲线必须符合IEC225-8（GB/T14598.15-1998）中所述的电热继电器的热态曲线公式计算，其工作时间为：

（1）

公式中：t为动作时间；是时间常量，取绕组的热时间常数；IP是指在过负荷之前加载的电流；k是一个恒定值，它的最大值是可持续工作的最大值；IB是指基本电流，它取变压器的额定电流。

由于变压器是由铁心、绕组和绝缘材料构成的复合结构，其结构存在着热量和热量不均衡，因此，现有的方法无法精确地求出绕组的温度时常量。k的数值对大电流下的保护设备的工作时限有着重要的作用，现行有关标准中并未对其规定的最大工作电流倍数进行规定。

该曲线由热力学第一定律演变而来，即在过负荷电流等于先前的温度；在负载电压小于kIB的情况下，t=∞即允许持续运行。在任何时间点t都将上一次负载电压IP的作用都纳入其中，而热只是一种累积的过程，，但未考虑散热条件对整个系统的影响。所以，在具有较好的散热条件良好下，例如，在使用热曲线特征的情况下，使用干式变压器进行过负荷防护，会使一些变压器的超载性能受到损害。

3.反时限特性

当前，反时限特征曲线的典型分类有：美美国国家标准学会（ANSI）标准和国际电工委员会（IEC）标准。

在ANSI中，抗时间限制性质如下：

（2）

式中：I=I测量/I整定，k为步长，A、B为表征特性的常数，P为函数指数。

ANSI反时限特征曲线可以按照A、B、P参数值的不同而划分成极端反时限、非常反时限、正常反时限、长时间正常反时限、长时间反时限特性，任意的反时限特性均对应一组特定的A、B、P参数值。

IEC的反时间限制特征是：

（3）

根据A、P参数的变化，IEC反时限特征可划分为：常规反时限、非常反时限、极端反时、长时非常反时、短时反时限，任何反时的特征都与特定的A、P参数值相一致。

在I测定整定时，按照公式（3），t=∞，即容许继续操作。将负载电流与整流之比进行比较，得出了可供操作时间t，而不计上一次加载电流对目前的启动状态的作用。所以，针对散热条件不佳的情况，干式变压器采用基于反时限特性的过负荷保护方案，而不考虑热积累会超出干式变压器的固有过负荷性能，从而加快了绝缘的衰老，严重的话，还会导致变压器的自燃。

4.过负荷保护

GB50157-2003《地铁设计规范》规定了整流变压器的过负荷能力，见表1。

表1整流变压器过负荷参数

对于配电网的超载容量，标准中并未特别规定，一般都是按实际情况选择。在符合标准规定的情况下，应按干式变压器制造商所提供的过负荷性能曲线进行检验。

根据一般经验，在地铁交通系统中，整流变压器取1.5，而配电变压器是1.05；由于不能按照其自身的特点准确地求出时间常量τ，通常是通过校正后的负载曲线来确定最佳的数值。鉴于其相容性，我国目前于反时限特性过负荷保护的反时限曲线一般选择采用IEC标准，而A、P参数的选取应依据负载曲线进行校正。选取适当的反向时间特征曲线，以保证在任何时间点上的反向时间电流均比此时间下的变压器的过负荷特征曲线要小。传统的整流型变压器采用IEC极限逆时限曲线，而配电网的超负荷防护则选用IEC的超限时间曲线，应结合特定的干变变压器的过负荷曲线特点来确定。可见，不管是采用基于温度曲线的过负荷防护，还是采用逆向时间限制的方法，都需要对其进行校正。要使变压器的超载容量得到最大限度的发挥，使其不被破坏，或被烧毁，必须采用适当的防护措施。

5.实例分析

图1是一座在交流35kV/1.18kV的轨道交通中压变电站的整流变变压器（2，500千伏A）的过负荷保护曲线。根据两种不同的保护方式，对过负载保护性能进行了模拟和分析，得到了由电力公司提供的过负载特征曲线，并对其进行了校正。

温度分布：τ是一个时间常量，它的数值是6分钟，k为允许长期运行的最大电流倍数，以1.5表示，IP是在超负荷之前的负载（标称）。

反时限曲线（IEC极端反时限）：A=80，P=2，k=3.2；I整定为额定电压的1.5倍。在图1中，变压器的额定电压从原来的1/10，逐步增加到10次，并逐步减小。在额定电压不超过1.5的情况下，该系统能连续工作，3次额定工作电流超过1分钟，符合《轨道交通法规》的规定。

图1热特性与反时限特性过负荷曲线

6.结束语

对于干式变压器的过负荷保护，要视具体情况而定，若采取自冷却模式，作者推荐使用热曲线特性的过负荷保护，若有配有风机，则以反向时限特性进行过负荷防护。同时充分利用变压器的过负荷能力，将其控制在一个合理的区间内，从而提高了变压器使用年限。

参考文献

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