熱過負荷保護在牽引變壓器保護中的應用

王純偉

0 引言

隨著電氣化鐵路朝著高速、重載方向發展，牽引供電系統負荷大、波動性強的特點日益突出，要求牽引變壓器具有較強的過負荷能力。而變壓器長期過負荷時，繞組絕緣材料強度迅速降低，容易受變壓器運行中的機械作用而被損壞。因此必須設置完善的過負荷保護，既可滿足充分利用變壓器過負荷能力的要求，又能可靠地保護變壓器免遭高溫燒毀，提高變壓器的綜合經濟效益。

1 過負荷保護的應用現狀

電氣化鐵路上經常采用的變壓器過負荷保護有2種：

（1）2段式定時限過負荷保護，該保護等同于長延時的定時限電流保護，一般整定為Ⅰ段告警、Ⅱ段跳閘。

（2）反時限過負荷保護，該保護的特性一般符合IEC 60255.3提供的反時限特性，具有動作電流越大延時越短的特點。

隨著高速、重載鐵路的發展，上述2種過負荷保護已經不能適應運營需求。因該保護裝置沒有考慮變壓器的熱累積效應，不能體現變壓器內的實際溫度，在負荷變化復雜的情況下起不到有效的保護作用。為避免保護裝置啟動前后變壓器熱累積造成過熱損壞，實際應用中對保護整定值考慮了很大的裕度，從而導致變壓器過負荷能力利用率不足。例如在實際應用案例中，就有變電所經常發生過負荷保護裝置動作事件，動作電流值為 2Ie，動作時限為2 min。

在上述2種過負荷保護裝置之外，還有一種目前在國內電氣化鐵路中應用還不多的熱過負荷保護裝置，它與以上2種保護裝置基于不同的基本原理。熱過負荷保護是在建立變壓器熱模型的基礎上，綜合考慮變壓器繞組熱特性、絕緣油熱特性、環境溫度、繞組絕緣介質耐受溫度等因素，根據負荷電流計算變壓器繞組實時溫度（或變壓器的熱容量），以實現對變壓器有效保護。

區別于前2種保護裝置，熱過負荷保護裝置考慮了變壓器的熱累積效應，能在復雜的負荷變化過程中，讓人直觀地了解變壓器內的溫度情況。這有利于在整定計算中兼顧保護變壓器和充分利用變壓器過負荷能力2個原則。

目前國內外都對變壓器的熱過負荷保護做了一些研究，但由于各種原因而未廣泛應用，下文將簡要分析其原因。

2 熱過負荷保護特性

目前國內外市場上存在若干具備熱過負荷保護功能的繼電保護產品，其按熱過負荷保護的特性可分為熱容量特性和熱點溫升特性2類：

（1）熱容量特性。依據 IEC 60255.8-1990（GB/T 14598.15 -1998等效）的電熱繼電器熱態曲線公式計算，動作時間

式中，t為動作時間；τ為時間常數，取繞組的熱時間常數；IP為過負荷前的負載電流；k為常數，取允許長期運行的最大電流倍數；IB為基本電流，取變壓器的額定電流。

同時，變壓器的累計熱容量可以由

計算獲得。

式中，θP為累計的溫度。

（2）熱點溫升特性。依據 IEC 60354-1991（GB/T 15164-1994等效）計算，繞組熱點溫度

式中，θh為繞組熱點溫度；θa為環境溫度；Δθor為繞組頂部油溫升；R為變壓器損耗比；K為負載系數；Hgr為熱點對繞組頂部油的溫差；y為繞組指數，電流對繞組溫升用的指數冪。

在通過測溫元件測量頂部油溫度時，式（3）可以簡化為

式中，θo為繞組頂部油溫度，需要通過溫度計測得。

在上述繼電保護產品中，國外有的產品采用熱容量特性，有的產品采用了上述2種特性，并在熱點溫升特性上采用了簡化的式（4）。國內各廠家的產品都采用熱容量特性。

3 應用中需要解決的問題

變壓器的熱過負荷保護之所以沒有被廣泛應用，一方面是變壓器的負載水平沒有對過負荷能力的發揮提出苛刻的要求，更關鍵的是保護參數的確定比較困難，以往的技術手段難以獲得精確的參數，保護的準確性受到影響。

下面對熱過負荷保護的幾個主要參數作扼要分析。

（1）時間常數τ。變壓器的熱時間常數τ與保護動作時間呈線性關系，τ的精度對保護精度的影響顯而易見。

變壓器是鐵心、繞組、絕緣材料和變壓器油組成的結構復雜的整體，繞組的結構具有發熱和散熱不均勻性，目前沒有任何手段可以準確獲得變壓器繞組的熱時間常數。變壓器廠家也只能提供一個大概范圍，比如5～10 min。

另外有一些簡化的方法，可以粗略估計τ 的范圍。

a.根據變壓器的短路耐受能力估算，可有公式（5）[4]：

式中，X為變壓器能承受的短路電流時間；Ith·X為相應時間下的電流；Ith·∞為允許長期運行的電流。

該方法見于MICOM 30系列變壓器保護裝置的說明書中，采用不同的電流值計算時，τ 值偏差很大。

b.根據溫升試驗的繞組電阻數據估算。忽略切除變壓器負載后的1～20 min內變壓器油的溫度變化，根據測得的繞組電阻值先計算繞組溫度，再根據繞組的溫度變化計算繞組的散熱時間常數，計算公式如下：

式中，t為測量電阻的時間；Δθ為測量電阻時的繞組溫升；Δθ∞為切除負載時繞組與油之間的溫度差。

筆者根據某63 MV·A斯科特變壓器的溫升試驗數據初步計算得出該變壓器繞組的熱時間常數τ在10 min左右，但是采用不同時間段的數據計算結果的最大相對誤差在20%左右。

如何更精確地獲得變壓器繞組的熱時間常數τ，需要進一步研究。

（2）允許長期運行的最大電流倍數 k。熱過負荷保護整定中允許長期運行的最大電流倍數 k的確定原則與反時限過負荷保護不同。

在整定反時限過負荷保護時，總是先確定最小保護動作電流。為了獲得較長的動作時限，最小保護動作電流一般取1.2倍變壓器額定電流，默認為變壓器在該負荷電流下長期運行而保護裝置不動作。習慣上認為，牽引變壓器實際額定容量略大于標稱額定容量，該整定方法不會帶來不良后果。

但隨著技術的發展，上述習慣看法已經存在問題。某些變壓器的過負荷能力的獲得不再是通過增大變壓器的容量，而是通過采用能耐受更高短時溫度的繞組絕緣材料，變壓器的最大長期運行電流不應超出額定電流。

在熱過負荷保護中，k的大小對保護裝置在大電流時的動作時限影響很大。初步計算當k取1.2時的保護裝置動作時限是k取1時的2倍以上。因此應采用特定的方法獲得準確的k值，以提高熱過負荷保護的精度。

（3）熱點對繞組頂部油的溫差。Hgr是指在額定負載下繞組熱點對繞組頂部油的溫差。

牽引變壓器一般采用ON冷卻方式，繞組頂部的油溫等于油箱內的頂層油溫。繞組熱點溫度可以在溫升試驗中采用光纖溫度測量儀測得。如果未進行該特殊溫升試驗，只能利用變壓器廠家推薦的熱點系數 H結合溫升試驗的結果進行估算。目前缺少有可比性的熱點溫度測量值和估算值，由此帶來的誤差暫時無法估計。

（4）風扇散熱能力的影響。關于風扇開啟對于變壓器散熱能力影響，某些文獻認為風扇全開啟的情況下散熱能力提高40%～50%。而風扇開啟只能影響到變壓器油和繞組的溫度，不影響兩者之間的溫升特性。當保護裝置輸入油的實時溫度時，可以不考慮風扇開啟的影響。但是目前的變壓器基本沒有考慮測溫手段，需要進一步探討當無油溫測量設備時，如何把風扇的影響量化在保護計算中。

4 結束語

在國內大力發展高速、重載鐵路的新形勢下，傳統的定時限和反時限過負荷保護裝置的缺點越來越明顯。本文拋磚引玉，對熱過負荷保護裝置進行了初步的探討。如何把現有的熱過負荷保護產品應用到實際中去，有效提高變壓器的綜合經濟效益，值得人們進一步研究。

[1]GB/T14598.15-1998 電氣繼電器 第8部分：電熱繼電器[S].

[2]GB/T 15164-1994 油浸式電力變壓器負載導則[S].

[3]GB 1094.2-1996 電力變壓器 第2部分：溫升[S].

[4]MICOM 30SERIES Thermal Overload Protection Application Guide Issue C+, March 2004.