地鐵供電系統(tǒng)變壓器保護及故障分析

田少亮

（中鐵一局集團電務(wù)工程有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

電能是地鐵運行的主要動力來源，要求供電系統(tǒng)的供電性能可靠且運行方式安全靈活，其中系統(tǒng)接線方式的可持續(xù)性十分關(guān)鍵。地鐵在運行狀態(tài)下，要有必要的輔助設(shè)備發(fā)揮作用，集中表現(xiàn)在照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備與排水設(shè)備等。輔助設(shè)備的運作同樣借助地鐵電力系統(tǒng)提供電能。供電系統(tǒng)變壓器針對不同級別電壓實施變換，是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。因此，地鐵供電系統(tǒng)變壓器的保護和維修十分重要。分析地鐵供電系統(tǒng)基本特點，集中體現(xiàn)在3個方面：

（1）地鐵供電系統(tǒng)的牽引降壓與降壓變電所間距≤3 km，選擇其他供電線路繼電保護方案難以與地鐵供電系統(tǒng)的基本要求相吻合。在這種情況下，相關(guān)部門要綜合考慮地鐵供電系統(tǒng)的特點，對繼電保護配置方案進行優(yōu)化處理。

（2）地鐵供電系統(tǒng)主變電站必須與變電站的基本要求保持一致，當(dāng)主變壓器某環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，其他主變壓器要能獨立且高質(zhì)量地滿足地鐵的供電需求。

（3）地鐵供電系統(tǒng)運行中，很容易受兩相短路故障影響而難以正常運行。因此，當(dāng)?shù)罔F供電系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，要科學(xué)合理地構(gòu)建繼電保護方案，保證地鐵供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

1 地鐵供電系統(tǒng)變壓器保護措施

1.1 瓦斯保護

對地鐵供電系統(tǒng)變壓器保護而言，油侵式變壓器分為油箱外部故障和油箱內(nèi)部故障兩種類型。變壓器內(nèi)部故障具有極大的危險性，鐵芯和繞組會被油箱內(nèi)部故障引起的高溫電弧燒毀；變壓器內(nèi)部油絕緣也會因油箱內(nèi)部故障受熱分解，產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致變壓器油箱爆炸，后果不堪設(shè)想。瓦斯保護是調(diào)節(jié)變壓器油箱內(nèi)氣體數(shù)量和氣體流動速度，有效規(guī)避變壓器故障的發(fā)生。在實踐中，將瓦斯保護裝置加設(shè)在地鐵電力系統(tǒng)變壓器中＞0.4 MV·A的變壓器上，解決變壓器油箱內(nèi)短路故障以及油面下降故障。安裝瓦斯保護裝置，能簡化接線安裝環(huán)節(jié)，加快安裝速度，有效增強安裝的靈敏性。除此之外，在瓦斯保護裝置的作用下，可及時反映變壓器油箱內(nèi)部故障，但無法準(zhǔn)確及時地反映油箱外部套管故障與引線部位故障，瓦斯保護僅能當(dāng)作解決地鐵供電系統(tǒng)變壓器故障的一種方式。

1.2 電流速斷和縱聯(lián)差動保護

變壓器中性點接地電網(wǎng)與引線接地短路現(xiàn)象是地鐵供電系統(tǒng)最常見故障，為解決這一故障，將縱聯(lián)差動保護以及電流速斷保護裝置安裝在供電系統(tǒng)變壓器中?？v聯(lián)差動保護選擇＞10 MV·A的單獨供電系統(tǒng)變壓器，縱聯(lián)差動保護裝置的應(yīng)用（圖1），準(zhǔn)確反映供電系統(tǒng)變壓器隔斷流入的電流與電流間存在的流量差。一般情況下，保護狀態(tài)集中表現(xiàn)在暫定狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)方面。電流速斷保護裝置可以選擇＜10 MV·A供電系統(tǒng)變壓器中安裝。通常，當(dāng)瞬間電流過大時，電流速斷保護裝置可及時跳閘并斷開系統(tǒng)，有效規(guī)避大電流對變壓器的損壞。

1.3 過電流保護

圖1 縱聯(lián)差動保護原理

變壓器過電流保護主要作為縱聯(lián)差動、電流速斷的后備保護措施，反映外部相間短路引起的過電流問題。為滿足靈敏度要求，可安裝低壓啟動過電流保護、復(fù)合電壓啟動過電流保護、過電流保護、負序過電流保護以及阻抗保護，作為變壓器的后備保護措施。

1.4 過勵磁保護

變壓器安裝過勵磁保護是為了解決變壓器的過勵磁問題。由于勵磁涌流造成的沖擊電流存在的時間很短，對變壓器傷害不大。此外，勵磁涌流可能引起變壓器縱聯(lián)差動保護動作，不宜多次連續(xù)合閘對變壓器充電，因為繞組間的機械力作用會因為大電流的多次沖擊而逐漸造成其固定物松動，引起故障。

1.5 零序電流保護

地鐵供電系統(tǒng)變壓器保護系統(tǒng)運行過程中，零序電流能有效保護變壓器的后備元件，而且對與變壓器相鄰元件發(fā)生的短路現(xiàn)象也可以進行必要的保護。合理運用零序電流保護系統(tǒng)（圖2），可以解決供電系統(tǒng)變壓器接地電流外部系統(tǒng)的接地短路故障。通常來講，需要在110 kV以上直接接地變壓器安裝零序電流保護裝置，一旦大電流線路出現(xiàn)短路，變壓器中性點臺數(shù)與接地問題會給零序電流分布的實際情況帶來嚴(yán)重影響。

2 應(yīng)對地鐵系統(tǒng)變壓器故障的有效對策

2.1 確保避雷裝置的完整性

變壓器避雷裝置的性能效果會影響變壓器保護的程度。應(yīng)定期對避雷器裝置實施檢測檢驗，盡可能地規(guī)避雷擊諧振等因素對變壓器的損壞，規(guī)避過電壓損壞問題的發(fā)生。對不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的避雷裝置進行及時更換。一般情況下，供電系統(tǒng)變壓器表面存在諸多電感設(shè)備，必須對油溫與容量進行控制，確保變壓器油溫≤85℃。只有油溫處于正常數(shù)值范圍內(nèi)，才能保證變壓器運行的安全性與可靠性。變壓器運行時間不應(yīng)過長，有效規(guī)避故障的發(fā)生。在變壓器處于正常監(jiān)測范圍內(nèi)的運行狀態(tài)下，避免因使用不合理避雷裝置帶來的負面影響。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)合理地使用現(xiàn)代化避雷裝置，并且綜合考慮地鐵供電系統(tǒng)變壓器運行環(huán)境，進一步優(yōu)化變壓器防雷效果，保證地鐵供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

2.2 及時清除配電變壓器表面污垢

由于變壓器表面長期暴露在外，很容易受到外部因素的影響，使變壓器表面出現(xiàn)大量污垢，如果不定期清理，變壓器表面材料必然會受到污垢的影響而被嚴(yán)重腐蝕，對變壓器的使用性能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致變壓器實際使用中存在故障隱患。因此，必須對變壓器表面污垢進行定期清理，并且在變壓器定期檢測過程中，將變壓器的清理納入變壓器檢測工作主要內(nèi)容。清理變壓器污垢過程中，還要檢查套管的接地狀況，特別是套管的斷線與斷裂情況，還有受到變壓器污垢影響而引發(fā)嚴(yán)重的脫焊現(xiàn)象及閃絡(luò)放電故障。

2.3 螺桿轉(zhuǎn)動狀況的全面檢測

地鐵電力系統(tǒng)變壓器的螺桿轉(zhuǎn)動效果，直接影響變壓器使用的安全性。因此，要對變壓器螺桿轉(zhuǎn)動狀況實施必要的檢測。通常情況下，選擇在變壓器拆卸及裝配階段檢測螺桿轉(zhuǎn)動情況，確保螺桿完成安裝且不滑脫。在螺桿不能轉(zhuǎn)動的情況下，實現(xiàn)變壓器的使用目標(biāo)。地鐵供電系統(tǒng)變壓器發(fā)生故障并且斷電的情況下，必然會對地鐵運行產(chǎn)生不利影響。螺桿轉(zhuǎn)動的情況和變壓器運行效果存在緊密聯(lián)系。因此，應(yīng)在變壓器設(shè)備故障檢測方面合理納入螺桿轉(zhuǎn)動檢測內(nèi)容，并且提高重視程度。

2.4 平衡三相電壓

如果變壓器的三相電壓發(fā)生嚴(yán)重失衡，將導(dǎo)致變壓器無法運行。所以要定期檢查三相電壓是否平衡，如果發(fā)現(xiàn)已經(jīng)失衡，應(yīng)立即采取調(diào)整措施。此外，必須同時經(jīng)常檢查呼吸器內(nèi)干燥劑的顏色是否變化，如果干燥劑已經(jīng)失效，要及時更換；檢查變壓器的溫度、油色、油位；檢查變壓器油箱有無滲漏現(xiàn)象。

2.5 保持變壓器三相負載平衡運行

如果不能保持變壓器三相負載平衡運行，將會造成變壓器三相電流的不平衡，同時變壓器的三相電壓也將達不到平衡狀態(tài)。對于三相負載不平衡運行的變壓器，應(yīng)根據(jù)最大電流負荷，將變壓器的負荷在三相間重新分配。

3 結(jié)語

地鐵供電系統(tǒng)的基本功能是始終為地鐵列車運行提供動力。因此，地鐵電力系統(tǒng)與地鐵行車、設(shè)備以及乘客和相關(guān)工作人員的安全緊密相聯(lián)。為確保地鐵運行的安全性與穩(wěn)定性，必須及時處理地鐵供電系統(tǒng)變壓器故障，采取必要的保護措施和科學(xué)的故障檢測方法，優(yōu)化檢測技術(shù)，確保地鐵供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。