反時限過流保護作為高速鐵路牽引變壓器后備保護的研究

周昌松

（西南交通大學電氣工程學院，成都 610031）

牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)的重要設備，其安全運行狀態(tài)對整個高速鐵路的安全運行起著決定性的作用?，F行的牽引變壓器的保護配置方案其主保護為差動保護，后備保護一般有兩段距離保護動作于跳低壓側分段開關和主變兩側開關。這些保護的動作時限均是按照階梯原則進行配合，這樣在短路故障時就可能使保護的動作時限整定較長。根據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，主變壓器保護的動作時限整定較長，將會使主變壓器承受長時間大電流的沖擊，損壞其絕緣，影響壽命，甚至燒毀主變壓器。因此，現行的牽引變壓器保護配置和整定方案不能完全滿足高速鐵路安全運行的要求。由于反時限過流保護具有自適應功能，故障電流越大，動作時間越短，可以同時滿足靈敏度和動作范圍的要求[1]，因此本文在現行牽引變壓器保護配置的基礎上，加設反時限過流保護作為其后備保護，對IEC規(guī)定的三條標準反時限保護曲線對高速鐵路牽引變壓器的適用情況進行了分析，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限過電流保護曲線。

1 標準反時限曲線對牽引變壓器的適用情況分析

根據國際電工委員會IEC 255—3的規(guī)定，輸電線路反時限過電流繼電器一般采用以下3種標準的反時限特性方程：

式（1）、（2）、（3）中，t為反時限過流繼電器的動作時間；tp為時間定值常數；Ip為反時限繼電器啟動電流的有效值，一般取被保護設備的額定電流；I為故障電流的有效值。

反時限過流保護動作特性曲線與被保護設備的允許特性曲線應滿足的關系可由圖1所示。

圖1 反時限保護動作曲線與被保護設備允許特性曲線之間的關系

圖1表明，在輸入電流量為i1時，被保護設備的允許承受時間為t2，反時限保護的正確動作時間為t1，兩者滿足關系t1＜t2，即反時限保護在被保護設備未達到其允許時間之間將設備切除，以免設備受到損壞[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，在運行中應將變壓器的持續(xù)短路電流的大小控制在允許范圍內，短路電流的持續(xù)作用時間限制在2s內，由圖2所示的IEC三條標準的反時限動作曲線可以發(fā)現，當故障電流小于牽引變壓器額定電流7倍時，一般反時限、非常反時限以及超反時限動作曲線的動作時間均大于2s。因此對于牽引變壓器的反時限過流保護而言，IEC規(guī)定的這三條標準反時限曲線不能滿足變壓器安全穩(wěn)定運行的需要。將反時限過流保護運用到牽引變壓器的后備保護時需要對其動作特性方程進行重新整定。

圖2 IEC標準反時限動作曲線

2 變壓器反時限過流保護動作特性方程的整定

對變壓器反時限過流保護動作特性的整定有幾種方法，不同的整定方法其整定結果有較小的差別，但均能滿足其動作曲線與牽引變壓器允許的特性曲線之間的關系。本文介紹兩種整定方法。

2.1 曲線擬合法

目前，國內外所常用的反時限曲線特性的通用數學模型是：

式中，K是時間設計整定常數，x是反應多種用途的輸入量，對于反時限過流保護來說，x是電流；n是曲線特性指數；時間t是被保護設備在非正常狀態(tài)下所允許的時間。

為了不使牽引變壓器在非正常狀態(tài)下超過其所能承受的時間而導致設備的損壞，保護應當在其達到允許時間之前將變壓器脫離受故障進一步威脅的電聯系，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。因此根據其允許的特性曲線而制成的保護應當具有下面的特性形式：

2.2 基于變壓器熱穩(wěn)定短路電流設計標準整定

根據變壓器廠家提供的變壓器熱穩(wěn)定短路電流設計標準進行整定，即：根據GB 1094.5—85，用于計算承受短路耐熱能力的電流I的持續(xù)時間為2s，對于牽引變壓器，I用下面的公式進行計算：

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額定電流下的阻抗電壓，以百分數表示；SN為變壓器的額定容量[3]。

設A=2I2，則反時限過流保護的動作時限t的計算公式可表示為

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

3 牽引變壓器反時限過流保護配置方案與啟動值整定

在目前高速鐵路牽引變壓器的主保護配置方案基礎上，若其后備保護整定動作時限超過2s且熱穩(wěn)定計算不滿足要求時，可以將其后備保護加設一套獨立的反時限過流保護，其動作特性方程按照上述計算方法進行整定，動作時限與變壓器主保護相配合，在近處故障時主差動保護拒動，短路電流較大，則反時限過流保護快速切除故障，以保證牽引變壓器安全；若遠處故障時主差動保護拒動，短路電流較小，則有較長時間讓其他保護動作有選擇性地切除故障。

對于反時限保護繼電器起動值的整定，按照鐵道部《牽引變電所運行檢修規(guī)程》第33條在事故情況下允許的變壓器過負荷值的要求，在牽引變壓器過負荷200%時，變壓器允許的過負荷電流持續(xù)時間仍可達到2min。由于現行的牽引變壓器配置的過負荷保護整定值為額定電流的 1.5倍，因此反時限過流保護的動作整定值應躲過牽引變壓器允許事故過負荷的最大值，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荷的最大值（3倍額定電流）時，反時限過流保護應立即返回，并閉鎖反時限保護出口。

4 結論

牽引變壓器作為牽引供電系統(tǒng)重要的電氣設備，其安全穩(wěn)定運行對保證高速鐵路牽引供電系統(tǒng)處于良好的運行工況和鐵路系統(tǒng)的安全、可靠、高效運輸都具有重要的意義?，F行的牽引變壓器保護配置不能完全滿足其安全穩(wěn)定運行的要求，由于反時限保護具有自適應性，可以加設作為變壓器的后備保護。本文經過分析，IEC標準規(guī)定的3條標準反時限動作特性曲線不滿足牽引變壓器保護的要求，因此對適用于變壓器的反時限保護繼電器的動作特性方程需進行重新整定計算。本文給出了兩種不同的反時限保護動作特性方程整定計算方法，并提出了其具體的配置方案及啟動值的整定大小。

[1] 張保會,尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護[M].北京:中國電力出版社, 2005.

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

[3] 柏愛民.變壓器反時限電流保護的整定計算方法的探討[C].2008年中國電機工程學會年會論文集, 2008.