王純偉

0 引言

隨著電氣化鐵路朝著高速、重載方向發(fā)展，牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷大、波動性強(qiáng)的特點(diǎn)日益突出，要求牽引變壓器具有較強(qiáng)的過負(fù)荷能力。而變壓器長期過負(fù)荷時，繞組絕緣材料強(qiáng)度迅速降低，容易受變壓器運(yùn)行中的機(jī)械作用而被損壞。因此必須設(shè)置完善的過負(fù)荷保護(hù)，既可滿足充分利用變壓器過負(fù)荷能力的要求，又能可靠地保護(hù)變壓器免遭高溫?zé)龤?，提高變壓器的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

1 過負(fù)荷保護(hù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

電氣化鐵路上經(jīng)常采用的變壓器過負(fù)荷保護(hù)有2種：

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

（2）反時限過負(fù)荷保護(hù)，該保護(hù)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(diǎn)。

隨著高速、重載鐵路的發(fā)展，上述2種過負(fù)荷保護(hù)已經(jīng)不能適應(yīng)運(yùn)營需求。因該保護(hù)裝置沒有考慮變壓器的熱累積效應(yīng)，不能體現(xiàn)變壓器內(nèi)的實際溫度，在負(fù)荷變化復(fù)雜的情況下起不到有效的保護(hù)作用。為避免保護(hù)裝置啟動前后變壓器熱累積造成過熱損壞，實際應(yīng)用中對保護(hù)整定值考慮了很大的裕度，從而導(dǎo)致變壓器過負(fù)荷能力利用率不足。例如在實際應(yīng)用案例中，就有變電所經(jīng)常發(fā)生過負(fù)荷保護(hù)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(fù)荷保護(hù)裝置之外，還有一種目前在國內(nèi)電氣化鐵路中應(yīng)用還不多的熱過負(fù)荷保護(hù)裝置，它與以上2種保護(hù)裝置基于不同的基本原理。熱過負(fù)荷保護(hù)是在建立變壓器熱模型的基礎(chǔ)上，綜合考慮變壓器繞組熱特性、絕緣油熱特性、環(huán)境溫度、繞組絕緣介質(zhì)耐受溫度等因素，根據(jù)負(fù)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(xiàn)對變壓器有效保護(hù)。

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

目前國內(nèi)外都對變壓器的熱過負(fù)荷保護(hù)做了一些研究，但由于各種原因而未廣泛應(yīng)用，下文將簡要分析其原因。

2 熱過負(fù)荷保護(hù)特性

目前國內(nèi)外市場上存在若干具備熱過負(fù)荷保護(hù)功能的繼電保護(hù)產(chǎn)品，其按熱過負(fù)荷保護(hù)的特性可分為熱容量特性和熱點(diǎn)溫升特性2類：

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

式中，t為動作時間；τ為時間常數(shù)，取繞組的熱時間常數(shù)；IP為過負(fù)荷前的負(fù)載電流；k為常數(shù)，取允許長期運(yùn)行的最大電流倍數(shù)；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(diǎn)溫升特性。依據(jù) IEC 60354-1991（GB/T 15164-1994等效）計算，繞組熱點(diǎn)溫度

式中，θh為繞組熱點(diǎn)溫度；θa為環(huán)境溫度；Δθor為繞組頂部油溫升；R為變壓器損耗比；K為負(fù)載系數(shù)；Hgr為熱點(diǎn)對繞組頂部油的溫差；y為繞組指數(shù)，電流對繞組溫升用的指數(shù)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(hù)產(chǎn)品中，國外有的產(chǎn)品采用熱容量特性，有的產(chǎn)品采用了上述2種特性，并在熱點(diǎn)溫升特性上采用了簡化的式（4）。國內(nèi)各廠家的產(chǎn)品都采用熱容量特性。

3 應(yīng)用中需要解決的問題

變壓器的熱過負(fù)荷保護(hù)之所以沒有被廣泛應(yīng)用，一方面是變壓器的負(fù)載水平?jīng)]有對過負(fù)荷能力的發(fā)揮提出苛刻的要求，更關(guān)鍵的是保護(hù)參數(shù)的確定比較困難，以往的技術(shù)手段難以獲得精確的參數(shù)，保護(hù)的準(zhǔn)確性受到影響。

下面對熱過負(fù)荷保護(hù)的幾個主要參數(shù)作扼要分析。

（1）時間常數(shù)τ。變壓器的熱時間常數(shù)τ與保護(hù)動作時間呈線性關(guān)系，τ的精度對保護(hù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的整體，繞組的結(jié)構(gòu)具有發(fā)熱和散熱不均勻性，目前沒有任何手段可以準(zhǔn)確獲得變壓器繞組的熱時間常數(shù)。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(jù)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(yīng)時間下的電流；Ith·∞為允許長期運(yùn)行的電流。

該方法見于MICOM 30系列變壓器保護(hù)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(jù)溫升試驗的繞組電阻數(shù)據(jù)估算。忽略切除變壓器負(fù)載后的1～20 min內(nèi)變壓器油的溫度變化，根據(jù)測得的繞組電阻值先計算繞組溫度，再根據(jù)繞組的溫度變化計算繞組的散熱時間常數(shù)，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(fù)載時繞組與油之間的溫度差。

筆者根據(jù)某63 MV·A斯科特變壓器的溫升試驗數(shù)據(jù)初步計算得出該變壓器繞組的熱時間常數(shù)τ在10 min左右，但是采用不同時間段的數(shù)據(jù)計算結(jié)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(shù)τ，需要進(jìn)一步研究。

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

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

但隨著技術(shù)的發(fā)展，上述習(xí)慣看法已經(jīng)存在問題。某些變壓器的過負(fù)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(yùn)行電流不應(yīng)超出額定電流。

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

（3）熱點(diǎn)對繞組頂部油的溫差。Hgr是指在額定負(fù)載下繞組熱點(diǎn)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(nèi)的頂層油溫。繞組熱點(diǎn)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(jìn)行該特殊溫升試驗，只能利用變壓器廠家推薦的熱點(diǎn)系數(shù) H結(jié)合溫升試驗的結(jié)果進(jìn)行估算。目前缺少有可比性的熱點(diǎn)溫度測量值和估算值，由此帶來的誤差暫時無法估計。

（4）風(fēng)扇散熱能力的影響。關(guān)于風(fēng)扇開啟對于變壓器散熱能力影響，某些文獻(xiàn)認(rèn)為風(fēng)扇全開啟的情況下散熱能力提高40%～50%。而風(fēng)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(dāng)保護(hù)裝置輸入油的實時溫度時，可以不考慮風(fēng)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(jìn)一步探討當(dāng)無油溫測量設(shè)備時，如何把風(fēng)扇的影響量化在保護(hù)計算中。

4 結(jié)束語

在國內(nèi)大力發(fā)展高速、重載鐵路的新形勢下，傳統(tǒng)的定時限和反時限過負(fù)荷保護(hù)裝置的缺點(diǎn)越來越明顯。本文拋磚引玉，對熱過負(fù)荷保護(hù)裝置進(jìn)行了初步的探討。如何把現(xiàn)有的熱過負(fù)荷保護(hù)產(chǎn)品應(yīng)用到實際中去，有效提高變壓器的綜合經(jīng)濟(jì)效益，值得人們進(jìn)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(fù)載導(dǎo)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.