热过负荷保护在牵引变压器保护中的应用

王纯伟

0 引言

随着电气化铁路朝着高速、重载方向发展，牵引供电系统负荷大、波动性强的特点日益突出，要求牵引变压器具有较强的过负荷能力。而变压器长期过负荷时，绕组绝缘材料强度迅速降低，容易受变压器运行中的机械作用而被损坏。因此必须设置完善的过负荷保护，既可满足充分利用变压器过负荷能力的要求，又能可靠地保护变压器免遭高温烧毁，提高变压器的综合经济效益。

1 过负荷保护的应用现状

电气化铁路上经常采用的变压器过负荷保护有2种：

（1）2段式定时限过负荷保护，该保护等同于长延时的定时限电流保护，一般整定为Ⅰ段告警、Ⅱ段跳闸。

（2）反时限过负荷保护，该保护的特性一般符合IEC 60255.3提供的反时限特性，具有动作电流越大延时越短的特点。

随着高速、重载铁路的发展，上述2种过负荷保护已经不能适应运营需求。因该保护装置没有考虑变压器的热累积效应，不能体现变压器内的实际温度，在负荷变化复杂的情况下起不到有效的保护作用。为避免保护装置启动前后变压器热累积造成过热损坏，实际应用中对保护整定值考虑了很大的裕度，从而导致变压器过负荷能力利用率不足。例如在实际应用案例中，就有变电所经常发生过负荷保护装置动作事件，动作电流值为 2Ie，动作时限为2 min。

在上述2种过负荷保护装置之外，还有一种目前在国内电气化铁路中应用还不多的热过负荷保护装置，它与以上2种保护装置基于不同的基本原理。热过负荷保护是在建立变压器热模型的基础上，综合考虑变压器绕组热特性、绝缘油热特性、环境温度、绕组绝缘介质耐受温度等因素，根据负荷电流计算变压器绕组实时温度（或变压器的热容量），以实现对变压器有效保护。

区别于前2种保护装置，热过负荷保护装置考虑了变压器的热累积效应，能在复杂的负荷变化过程中，让人直观地了解变压器内的温度情况。这有利于在整定计算中兼顾保护变压器和充分利用变压器过负荷能力2个原则。

目前国内外都对变压器的热过负荷保护做了一些研究，但由于各种原因而未广泛应用，下文将简要分析其原因。

2 热过负荷保护特性

目前国内外市场上存在若干具备热过负荷保护功能的继电保护产品，其按热过负荷保护的特性可分为热容量特性和热点温升特性2类：

（1）热容量特性。依据 IEC 60255.8-1990（GB/T 14598.15 -1998等效）的电热继电器热态曲线公式计算，动作时间

式中，t为动作时间；τ为时间常数，取绕组的热时间常数；IP为过负荷前的负载电流；k为常数，取允许长期运行的最大电流倍数；IB为基本电流，取变压器的额定电流。

同时，变压器的累计热容量可以由

计算获得。

式中，θP为累计的温度。

（2）热点温升特性。依据 IEC 60354-1991（GB/T 15164-1994等效）计算，绕组热点温度

式中，θh为绕组热点温度；θa为环境温度；Δθor为绕组顶部油温升；R为变压器损耗比；K为负载系数；Hgr为热点对绕组顶部油的温差；y为绕组指数，电流对绕组温升用的指数幂。

在通过测温元件测量顶部油温度时，式（3）可以简化为

式中，θo为绕组顶部油温度，需要通过温度计测得。

在上述继电保护产品中，国外有的产品采用热容量特性，有的产品采用了上述2种特性，并在热点温升特性上采用了简化的式（4）。国内各厂家的产品都采用热容量特性。

3 应用中需要解决的问题

变压器的热过负荷保护之所以没有被广泛应用，一方面是变压器的负载水平没有对过负荷能力的发挥提出苛刻的要求，更关键的是保护参数的确定比较困难，以往的技术手段难以获得精确的参数，保护的准确性受到影响。

下面对热过负荷保护的几个主要参数作扼要分析。

（1）时间常数τ。变压器的热时间常数τ与保护动作时间呈线性关系，τ的精度对保护精度的影响显而易见。

变压器是铁心、绕组、绝缘材料和变压器油组成的结构复杂的整体，绕组的结构具有发热和散热不均匀性，目前没有任何手段可以准确获得变压器绕组的热时间常数。变压器厂家也只能提供一个大概范围，比如5～10 min。

另外有一些简化的方法，可以粗略估计τ 的范围。

a.根据变压器的短路耐受能力估算，可有公式（5）[4]：

式中，X为变压器能承受的短路电流时间；Ith·X为相应时间下的电流；Ith·∞为允许长期运行的电流。

该方法见于MICOM 30系列变压器保护装置的说明书中，采用不同的电流值计算时，τ 值偏差很大。

b.根据温升试验的绕组电阻数据估算。忽略切除变压器负载后的1～20 min内变压器油的温度变化，根据测得的绕组电阻值先计算绕组温度，再根据绕组的温度变化计算绕组的散热时间常数，计算公式如下：

式中，t为测量电阻的时间；Δθ为测量电阻时的绕组温升；Δθ∞为切除负载时绕组与油之间的温度差。

笔者根据某63 MV·A斯科特变压器的温升试验数据初步计算得出该变压器绕组的热时间常数τ在10 min左右，但是采用不同时间段的数据计算结果的最大相对误差在20%左右。

如何更精确地获得变压器绕组的热时间常数τ，需要进一步研究。

（2）允许长期运行的最大电流倍数 k。热过负荷保护整定中允许长期运行的最大电流倍数 k的确定原则与反时限过负荷保护不同。

在整定反时限过负荷保护时，总是先确定最小保护动作电流。为了获得较长的动作时限，最小保护动作电流一般取1.2倍变压器额定电流，默认为变压器在该负荷电流下长期运行而保护装置不动作。习惯上认为，牵引变压器实际额定容量略大于标称额定容量，该整定方法不会带来不良后果。

但随着技术的发展，上述习惯看法已经存在问题。某些变压器的过负荷能力的获得不再是通过增大变压器的容量，而是通过采用能耐受更高短时温度的绕组绝缘材料，变压器的最大长期运行电流不应超出额定电流。

在热过负荷保护中，k的大小对保护装置在大电流时的动作时限影响很大。初步计算当k取1.2时的保护装置动作时限是k取1时的2倍以上。因此应采用特定的方法获得准确的k值，以提高热过负荷保护的精度。

（3）热点对绕组顶部油的温差。Hgr是指在额定负载下绕组热点对绕组顶部油的温差。

牵引变压器一般采用ON冷却方式，绕组顶部的油温等于油箱内的顶层油温。绕组热点温度可以在温升试验中采用光纤温度测量仪测得。如果未进行该特殊温升试验，只能利用变压器厂家推荐的热点系数 H结合温升试验的结果进行估算。目前缺少有可比性的热点温度测量值和估算值，由此带来的误差暂时无法估计。

（4）风扇散热能力的影响。关于风扇开启对于变压器散热能力影响，某些文献认为风扇全开启的情况下散热能力提高40%～50%。而风扇开启只能影响到变压器油和绕组的温度，不影响两者之间的温升特性。当保护装置输入油的实时温度时，可以不考虑风扇开启的影响。但是目前的变压器基本没有考虑测温手段，需要进一步探讨当无油温测量设备时，如何把风扇的影响量化在保护计算中。

4 结束语

在国内大力发展高速、重载铁路的新形势下，传统的定时限和反时限过负荷保护装置的缺点越来越明显。本文抛砖引玉，对热过负荷保护装置进行了初步的探讨。如何把现有的热过负荷保护产品应用到实际中去，有效提高变压器的综合经济效益，值得人们进一步研究。

[1]GB/T14598.15-1998 电气继电器 第8部分：电热继电器[S].

[2]GB/T 15164-1994 油浸式电力变压器负载导则[S].

[3]GB 1094.2-1996 电力变压器 第2部分：温升[S].

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