地铁供电系统变压器保护及故障分析

田少亮

（中铁一局集团电务工程有限公司，陕西西安 710000）

0 引言

电能是地铁运行的主要动力来源，要求供电系统的供电性能可靠且运行方式安全灵活，其中系统接线方式的可持续性十分关键。地铁在运行状态下，要有必要的辅助设备发挥作用，集中表现在照明设备、空调设备、通风设备与排水设备等。辅助设备的运作同样借助地铁电力系统提供电能。供电系统变压器针对不同级别电压实施变换，是电力系统的关键部分。因此，地铁供电系统变压器的保护和维修十分重要。分析地铁供电系统基本特点，集中体现在3个方面：

（1）地铁供电系统的牵引降压与降压变电所间距≤3 km，选择其他供电线路继电保护方案难以与地铁供电系统的基本要求相吻合。在这种情况下，相关部门要综合考虑地铁供电系统的特点，对继电保护配置方案进行优化处理。

（2）地铁供电系统主变电站必须与变电站的基本要求保持一致，当主变压器某环节出现问题时，其他主变压器要能独立且高质量地满足地铁的供电需求。

（3）地铁供电系统运行中，很容易受两相短路故障影响而难以正常运行。因此，当地铁供电系统处于运行状态时，要科学合理地构建继电保护方案，保证地铁供电系统安全稳定运行。

1 地铁供电系统变压器保护措施

1.1 瓦斯保护

对地铁供电系统变压器保护而言，油侵式变压器分为油箱外部故障和油箱内部故障两种类型。变压器内部故障具有极大的危险性，铁芯和绕组会被油箱内部故障引起的高温电弧烧毁；变压器内部油绝缘也会因油箱内部故障受热分解，产生大量气体，导致变压器油箱爆炸，后果不堪设想。瓦斯保护是调节变压器油箱内气体数量和气体流动速度，有效规避变压器故障的发生。在实践中，将瓦斯保护装置加设在地铁电力系统变压器中＞0.4 MV·A的变压器上，解决变压器油箱内短路故障以及油面下降故障。安装瓦斯保护装置，能简化接线安装环节，加快安装速度，有效增强安装的灵敏性。除此之外，在瓦斯保护装置的作用下，可及时反映变压器油箱内部故障，但无法准确及时地反映油箱外部套管故障与引线部位故障，瓦斯保护仅能当作解决地铁供电系统变压器故障的一种方式。

1.2 电流速断和纵联差动保护

变压器中性点接地电网与引线接地短路现象是地铁供电系统最常见故障，为解决这一故障，将纵联差动保护以及电流速断保护装置安装在供电系统变压器中。纵联差动保护选择＞10 MV·A的单独供电系统变压器，纵联差动保护装置的应用（图1），准确反映供电系统变压器隔断流入的电流与电流间存在的流量差。一般情况下，保护状态集中表现在暂定状态与稳定状态方面。电流速断保护装置可以选择＜10 MV·A供电系统变压器中安装。通常，当瞬间电流过大时，电流速断保护装置可及时跳闸并断开系统，有效规避大电流对变压器的损坏。

1.3 过电流保护

图1 纵联差动保护原理

变压器过电流保护主要作为纵联差动、电流速断的后备保护措施，反映外部相间短路引起的过电流问题。为满足灵敏度要求，可安装低压启动过电流保护、复合电压启动过电流保护、过电流保护、负序过电流保护以及阻抗保护，作为变压器的后备保护措施。

1.4 过励磁保护

变压器安装过励磁保护是为了解决变压器的过励磁问题。由于励磁涌流造成的冲击电流存在的时间很短，对变压器伤害不大。此外，励磁涌流可能引起变压器纵联差动保护动作，不宜多次连续合闸对变压器充电，因为绕组间的机械力作用会因为大电流的多次冲击而逐渐造成其固定物松动，引起故障。

1.5 零序电流保护

地铁供电系统变压器保护系统运行过程中，零序电流能有效保护变压器的后备元件，而且对与变压器相邻元件发生的短路现象也可以进行必要的保护。合理运用零序电流保护系统（图2），可以解决供电系统变压器接地电流外部系统的接地短路故障。通常来讲，需要在110 kV以上直接接地变压器安装零序电流保护装置，一旦大电流线路出现短路，变压器中性点台数与接地问题会给零序电流分布的实际情况带来严重影响。

2 应对地铁系统变压器故障的有效对策

2.1 确保避雷装置的完整性

变压器避雷装置的性能效果会影响变压器保护的程度。应定期对避雷器装置实施检测检验，尽可能地规避雷击谐振等因素对变压器的损坏，规避过电压损坏问题的发生。对不符合标准要求的避雷装置进行及时更换。一般情况下，供电系统变压器表面存在诸多电感设备，必须对油温与容量进行控制，确保变压器油温≤85℃。只有油温处于正常数值范围内，才能保证变压器运行的安全性与可靠性。变压器运行时间不应过长，有效规避故障的发生。在变压器处于正常监测范围内的运行状态下，避免因使用不合理避雷装置带来的负面影响。在此基础上，科学合理地使用现代化避雷装置，并且综合考虑地铁供电系统变压器运行环境，进一步优化变压器防雷效果，保证地铁供电系统的安全稳定运行。

2.2 及时清除配电变压器表面污垢

由于变压器表面长期暴露在外，很容易受到外部因素的影响，使变压器表面出现大量污垢，如果不定期清理，变压器表面材料必然会受到污垢的影响而被严重腐蚀，对变压器的使用性能产生不利影响，导致变压器实际使用中存在故障隐患。因此，必须对变压器表面污垢进行定期清理，并且在变压器定期检测过程中，将变压器的清理纳入变压器检测工作主要内容。清理变压器污垢过程中，还要检查套管的接地状况，特别是套管的断线与断裂情况，还有受到变压器污垢影响而引发严重的脱焊现象及闪络放电故障。

2.3 螺杆转动状况的全面检测

地铁电力系统变压器的螺杆转动效果，直接影响变压器使用的安全性。因此，要对变压器螺杆转动状况实施必要的检测。通常情况下，选择在变压器拆卸及装配阶段检测螺杆转动情况，确保螺杆完成安装且不滑脱。在螺杆不能转动的情况下，实现变压器的使用目标。地铁供电系统变压器发生故障并且断电的情况下，必然会对地铁运行产生不利影响。螺杆转动的情况和变压器运行效果存在紧密联系。因此，应在变压器设备故障检测方面合理纳入螺杆转动检测内容，并且提高重视程度。

2.4 平衡三相电压

如果变压器的三相电压发生严重失衡，将导致变压器无法运行。所以要定期检查三相电压是否平衡，如果发现已经失衡，应立即采取调整措施。此外，必须同时经常检查呼吸器内干燥剂的颜色是否变化，如果干燥剂已经失效，要及时更换；检查变压器的温度、油色、油位；检查变压器油箱有无渗漏现象。

2.5 保持变压器三相负载平衡运行

如果不能保持变压器三相负载平衡运行，将会造成变压器三相电流的不平衡，同时变压器的三相电压也将达不到平衡状态。对于三相负载不平衡运行的变压器，应根据最大电流负荷，将变压器的负荷在三相间重新分配。

3 结语

地铁供电系统的基本功能是始终为地铁列车运行提供动力。因此，地铁电力系统与地铁行车、设备以及乘客和相关工作人员的安全紧密相联。为确保地铁运行的安全性与稳定性，必须及时处理地铁供电系统变压器故障，采取必要的保护措施和科学的故障检测方法，优化检测技术，确保地铁供电系统安全稳定运行。