反時(shí)限過流保護(hù)作為高速鐵路牽引變壓器后備保護(hù)的研究

周昌松

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)的重要設(shè)備，其安全運(yùn)行狀態(tài)對(duì)整個(gè)高速鐵路的安全運(yùn)行起著決定性的作用。現(xiàn)行的牽引變壓器的保護(hù)配置方案其主保護(hù)為差動(dòng)保護(hù)，后備保護(hù)一般有兩段距離保護(hù)動(dòng)作于跳低壓側(cè)分段開關(guān)和主變兩側(cè)開關(guān)。這些保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限均是按照階梯原則進(jìn)行配合，這樣在短路故障時(shí)就可能使保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限整定較長(zhǎng)。根據(jù)GB 1094.5—85中的規(guī)定，變壓器承受短路耐熱能力的電流的持續(xù)時(shí)間為2s，由于高速鐵路列車速度快，行車密度大，電力牽引功率高，短路電流水平也較高。在這種情況下，主變壓器保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限整定較長(zhǎng)，將會(huì)使主變壓器承受長(zhǎng)時(shí)間大電流的沖擊，損壞其絕緣，影響壽命，甚至燒毀主變壓器。因此，現(xiàn)行的牽引變壓器保護(hù)配置和整定方案不能完全滿足高速鐵路安全運(yùn)行的要求。由于反時(shí)限過流保護(hù)具有自適應(yīng)功能，故障電流越大，動(dòng)作時(shí)間越短，可以同時(shí)滿足靈敏度和動(dòng)作范圍的要求[1]，因此本文在現(xiàn)行牽引變壓器保護(hù)配置的基礎(chǔ)上，加設(shè)反時(shí)限過流保護(hù)作為其后備保護(hù)，對(duì)IEC規(guī)定的三條標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限保護(hù)曲線對(duì)高速鐵路牽引變壓器的適用情況進(jìn)行了分析，并通過曲線擬合的方式推出適合高速鐵路牽引變壓器的反時(shí)限過電流保護(hù)曲線。

1 標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限曲線對(duì)牽引變壓器的適用情況分析

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC 255—3的規(guī)定，輸電線路反時(shí)限過電流繼電器一般采用以下3種標(biāo)準(zhǔn)的反時(shí)限特性方程：

式（1）、（2）、（3）中，t為反時(shí)限過流繼電器的動(dòng)作時(shí)間；tp為時(shí)間定值常數(shù)；Ip為反時(shí)限繼電器啟動(dòng)電流的有效值，一般取被保護(hù)設(shè)備的額定電流；I為故障電流的有效值。

反時(shí)限過流保護(hù)動(dòng)作特性曲線與被保護(hù)設(shè)備的允許特性曲線應(yīng)滿足的關(guān)系可由圖1所示。

圖1 反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作曲線與被保護(hù)設(shè)備允許特性曲線之間的關(guān)系

圖1表明，在輸入電流量為i1時(shí)，被保護(hù)設(shè)備的允許承受時(shí)間為t2，反時(shí)限保護(hù)的正確動(dòng)作時(shí)間為t1，兩者滿足關(guān)系t1＜t2，即反時(shí)限保護(hù)在被保護(hù)設(shè)備未達(dá)到其允許時(shí)間之間將設(shè)備切除，以免設(shè)備受到損壞[2]。目前高速鐵路牽引供電系統(tǒng)由于牽引功率高，故障電流較大，一般為變壓器額定電流的3～10倍。根據(jù)GB 1094.5—85中的規(guī)定，為了保證電力變壓器在各種情況下的熱穩(wěn)定性，在運(yùn)行中應(yīng)將變壓器的持續(xù)短路電流的大小控制在允許范圍內(nèi)，短路電流的持續(xù)作用時(shí)間限制在2s內(nèi)，由圖2所示的IEC三條標(biāo)準(zhǔn)的反時(shí)限動(dòng)作曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)故障電流小于牽引變壓器額定電流7倍時(shí)，一般反時(shí)限、非常反時(shí)限以及超反時(shí)限動(dòng)作曲線的動(dòng)作時(shí)間均大于2s。因此對(duì)于牽引變壓器的反時(shí)限過流保護(hù)而言，IEC規(guī)定的這三條標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限曲線不能滿足變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。將反時(shí)限過流保護(hù)運(yùn)用到牽引變壓器的后備保護(hù)時(shí)需要對(duì)其動(dòng)作特性方程進(jìn)行重新整定。

圖2 IEC標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限動(dòng)作曲線

2 變壓器反時(shí)限過流保護(hù)動(dòng)作特性方程的整定

對(duì)變壓器反時(shí)限過流保護(hù)動(dòng)作特性的整定有幾種方法，不同的整定方法其整定結(jié)果有較小的差別，但均能滿足其動(dòng)作曲線與牽引變壓器允許的特性曲線之間的關(guān)系。本文介紹兩種整定方法。

2.1 曲線擬合法

目前，國(guó)內(nèi)外所常用的反時(shí)限曲線特性的通用數(shù)學(xué)模型是：

式中，K是時(shí)間設(shè)計(jì)整定常數(shù)，x是反應(yīng)多種用途的輸入量，對(duì)于反時(shí)限過流保護(hù)來說，x是電流；n是曲線特性指數(shù)；時(shí)間t是被保護(hù)設(shè)備在非正常狀態(tài)下所允許的時(shí)間。

為了不使?fàn)恳儔浩髟诜钦顟B(tài)下超過其所能承受的時(shí)間而導(dǎo)致設(shè)備的損壞，保護(hù)應(yīng)當(dāng)在其達(dá)到允許時(shí)間之前將變壓器脫離受故障進(jìn)一步威脅的電聯(lián)系，而又要使變壓器充分發(fā)揮其作用，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此根據(jù)其允許的特性曲線而制成的保護(hù)應(yīng)當(dāng)具有下面的特性形式：

2.2 基于變壓器熱穩(wěn)定短路電流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)整定

根據(jù)變壓器廠家提供的變壓器熱穩(wěn)定短路電流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整定，即：根據(jù)GB 1094.5—85，用于計(jì)算承受短路耐熱能力的電流I的持續(xù)時(shí)間為2s，對(duì)于牽引變壓器，I用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Zs為系統(tǒng)阻抗；Us為系統(tǒng)額定電壓；S為系統(tǒng)短路表觀容量；Zt為折算到所考慮繞組的變壓器的短路阻抗；UZ為折算到參考溫度時(shí)額定電流下的阻抗電壓，以百分?jǐn)?shù)表示；SN為變壓器的額定容量[3]。

設(shè)A=2I2，則反時(shí)限過流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限t的計(jì)算公式可表示為

式中，Krel為考慮到變壓器熱穩(wěn)定性隨運(yùn)行時(shí)間衰減而對(duì)允許時(shí)間取的可靠倍數(shù)；IT為流過變壓器的短路電流。

3 牽引變壓器反時(shí)限過流保護(hù)配置方案與啟動(dòng)值整定

在目前高速鐵路牽引變壓器的主保護(hù)配置方案基礎(chǔ)上，若其后備保護(hù)整定動(dòng)作時(shí)限超過2s且熱穩(wěn)定計(jì)算不滿足要求時(shí)，可以將其后備保護(hù)加設(shè)一套獨(dú)立的反時(shí)限過流保護(hù)，其動(dòng)作特性方程按照上述計(jì)算方法進(jìn)行整定，動(dòng)作時(shí)限與變壓器主保護(hù)相配合，在近處故障時(shí)主差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)，短路電流較大，則反時(shí)限過流保護(hù)快速切除故障，以保證牽引變壓器安全；若遠(yuǎn)處故障時(shí)主差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)，短路電流較小，則有較長(zhǎng)時(shí)間讓其他保護(hù)動(dòng)作有選擇性地切除故障。

對(duì)于反時(shí)限保護(hù)繼電器起動(dòng)值的整定，按照鐵道部《牽引變電所運(yùn)行檢修規(guī)程》第33條在事故情況下允許的變壓器過負(fù)荷值的要求，在牽引變壓器過負(fù)荷200%時(shí)，變壓器允許的過負(fù)荷電流持續(xù)時(shí)間仍可達(dá)到2min。由于現(xiàn)行的牽引變壓器配置的過負(fù)荷保護(hù)整定值為額定電流的 1.5倍，因此反時(shí)限過流保護(hù)的動(dòng)作整定值應(yīng)躲過牽引變壓器允許事故過負(fù)荷的最大值，也就是3倍變壓器的額定電流。若故障電流小于牽引變壓器允許事故過負(fù)荷的最大值（3倍額定電流）時(shí)，反時(shí)限過流保護(hù)應(yīng)立即返回，并閉鎖反時(shí)限保護(hù)出口。

4 結(jié)論

牽引變壓器作為牽引供電系統(tǒng)重要的電氣設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)保證高速鐵路牽引供電系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行工況和鐵路系統(tǒng)的安全、可靠、高效運(yùn)輸都具有重要的意義。現(xiàn)行的牽引變壓器保護(hù)配置不能完全滿足其安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，由于反時(shí)限保護(hù)具有自適應(yīng)性，可以加設(shè)作為變壓器的后備保護(hù)。本文經(jīng)過分析，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3條標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限動(dòng)作特性曲線不滿足牽引變壓器保護(hù)的要求，因此對(duì)適用于變壓器的反時(shí)限保護(hù)繼電器的動(dòng)作特性方程需進(jìn)行重新整定計(jì)算。本文給出了兩種不同的反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作特性方程整定計(jì)算方法，并提出了其具體的配置方案及啟動(dòng)值的整定大小。

[1] 張保會(huì),尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京:中國(guó)電力出版社, 2005.

[2] 楊儀松,姚晴林.多種可選擇曲線的反時(shí)限保護(hù)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 1992, 4(2): 68-76.

[3] 柏愛民.變壓器反時(shí)限電流保護(hù)的整定計(jì)算方法的探討[C].2008年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集, 2008.