城軌交通配電變壓器勵(lì)磁涌流特性及保護(hù)配合曲線研究

程 軍

0 引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)配電變壓器作為重要的供電設(shè)備，參與車站所有動(dòng)力照明設(shè)備的供電，其穩(wěn)定可靠運(yùn)行至關(guān)重要。配電變壓器通常采用干式環(huán)氧樹(shù)脂澆筑自冷型，其過(guò)負(fù)荷能力與油浸變壓器相比較低。因此，配電變壓器一旦發(fā)生短路故障或過(guò)載情況，保護(hù)需要及時(shí)動(dòng)作，盡快切除故障，以盡可能避免因異常情況造成配電變壓器溫升而導(dǎo)致絕緣加速老化，這對(duì)延長(zhǎng)變壓器運(yùn)行壽命具有深遠(yuǎn)的影響。

1 配電變壓器概述

國(guó)內(nèi)城市軌道交通供電系統(tǒng)中壓環(huán)網(wǎng)的電壓等級(jí)一般為35 kV或10 kV，集中式供電環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)普遍采用35 kV電壓等級(jí)，而分散式供電環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)通常采用10 kV電壓等級(jí)。典型車站配電變壓器的電氣主接線為單母線分段形式，2臺(tái)配電變壓器分別接于2段母線，互為熱備用。

1.1 配電變壓器主要參數(shù)

國(guó)內(nèi)城市軌道交通供電系統(tǒng)配電變壓器容量通常在500～1 600 kV·A范圍內(nèi)，以最常用的35/0.4 kV，1 000 kV·A的干式配電變壓器為例，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 干式配電變壓器主要參數(shù)

1.2 配電變壓器保護(hù)配置

每臺(tái)配電變壓器前設(shè)置中壓饋線斷路器并配置綜合保護(hù)裝置，為配電變壓器提供速斷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和過(guò)負(fù)荷保護(hù)。配電變壓器本身設(shè)置溫控器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電變壓器各相繞組和鐵心的溫度，提供超溫報(bào)警和超溫跳閘信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)配電變壓器溫度保護(hù)。

2 配電變壓器短路電流計(jì)算

要實(shí)現(xiàn)對(duì)配電變壓器的保護(hù)，首先需要準(zhǔn)確計(jì)算配電變壓器承受的短路電流，下文以城市軌道交通工程中最常用的1 000 kV·A配電變壓器為例進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 短路電流計(jì)算輸入條件參數(shù)

配電變壓器短路電流計(jì)算涉及系統(tǒng)短路容量、電纜參數(shù)、變壓器參數(shù)等輸入數(shù)據(jù)，另外有些數(shù)據(jù)依賴于工程的實(shí)際情況，為了直觀表述，本文對(duì)系統(tǒng)短路容量及環(huán)網(wǎng)電纜截面和長(zhǎng)度作了一些假設(shè)。短路電流計(jì)算輸入條件參數(shù)如表2所示。

表2 短路電流計(jì)算輸入條件參數(shù)

2.2 配電變壓器一次側(cè)短路電流計(jì)算

中壓系統(tǒng)短路容量可由下述計(jì)算過(guò)程獲得：

通過(guò)環(huán)網(wǎng)電纜參數(shù)可獲得XL= 0.112 Ω，RL=0.129 Ω，則配電變壓器一次側(cè)的總阻抗為

其中，Xs為系統(tǒng)電抗，Zs為系統(tǒng)阻抗，Us為系統(tǒng)電壓，Rs為系統(tǒng)電阻，Ss為系統(tǒng)短路容量，XL為電纜電抗，Rl為電纜電阻。則配電變壓器一次側(cè)短路電流IL= 14.96 kA。

2.3 配電變壓器二次側(cè)短路電流計(jì)算

通常計(jì)算配電變壓器二次側(cè)短路電流，需將變壓器一次側(cè)阻抗換算到二次側(cè)，由于配電變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)變比較大，一次側(cè)阻抗換算到二次側(cè)后可忽略不計(jì)。因此配電變壓器二次側(cè)短路電流I2可簡(jiǎn)化計(jì)算為

其中，ST為變壓器額定容量，uk為變壓器短路阻抗百分比，UT2為變壓器二次側(cè)額定電壓。

3 配電變壓器勵(lì)磁涌流特性

配電變壓器空載合閘時(shí)會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，其值高達(dá)變壓器額定電流的6～8倍。由于變壓器磁通量不能突變，當(dāng)空載合閘在電源電壓過(guò)零點(diǎn)的瞬間（此時(shí)磁通為峰值），一次側(cè)電流全部成為暫態(tài)電流，使變壓器鐵心高度飽和，勵(lì)磁電流劇烈增加，從而形成勵(lì)磁涌流。圖1展示了典型的變壓器勵(lì)磁涌流的波形。

圖1 典型變壓器勵(lì)磁涌流波形

若無(wú)法獲取生產(chǎn)廠商提供的勵(lì)磁涌流曲線，配電變壓器的勵(lì)磁涌流可由以下計(jì)算式表示：

其中，ki為勵(lì)磁涌流比率，I1nT為變壓器一次側(cè)額定電流，τin為勵(lì)磁涌流時(shí)間常數(shù)。可通過(guò)表3可獲得ki和τin的值。

表3 干式變壓器勵(lì)磁涌流參數(shù)

結(jié)合上述勵(lì)磁涌流計(jì)算式和參數(shù)表，可繪制出勵(lì)磁涌流對(duì)時(shí)間的曲線，如圖2所示。

圖2 典型變壓器勵(lì)磁涌流對(duì)時(shí)間曲線

4 配電變壓器過(guò)負(fù)荷特性

配電變壓器的過(guò)載能力取決于其自身特性。通常，油浸變壓器的過(guò)載能力可從ANSI C57.92中的Table 3查到。對(duì)于自冷干式變壓器，其過(guò)載能力通常要弱于油浸變壓器，具體可參考生產(chǎn)廠商提供的變壓器過(guò)載能力特性。圖3為某變壓器廠商提供的自冷干式變壓器在環(huán)境溫度30 ℃時(shí)的過(guò)載能力曲線。

圖3 某干式配電變壓器過(guò)載能力曲線

5 配電變壓器保護(hù)曲線選擇與配合

5.1 概述

配電變壓器保護(hù)曲線的選擇與配合需綜合考慮以下幾方面因素：

（1）變壓器勵(lì)磁涌流曲線。變壓器保護(hù)曲線應(yīng)與變壓器勵(lì)磁涌流曲線配合，保證變壓器空載送電產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。

（2）變壓器過(guò)載能力曲線。變壓器保護(hù)曲線應(yīng)與變壓器過(guò)載能力曲線配合，保證變壓器在到達(dá)過(guò)載極限之前切除故障。

（3）優(yōu)化保護(hù)的速動(dòng)性和靈敏性。配電變壓器的運(yùn)行壽命與溫升息息相關(guān)，更快、更靈敏地切除故障可以有效避免變壓器異常溫升，從而延長(zhǎng)變壓器使用壽命。

5.2 采用定時(shí)限保護(hù)配合

（1）定時(shí)限速斷保護(hù)作為配電變壓器的主保護(hù)，應(yīng)能快速切斷配電變壓器一次側(cè)短路故障。定時(shí)限速斷保護(hù)的整定原則為躲過(guò)勵(lì)磁涌流并躲過(guò)二次側(cè)短路電流，其電流整定值Iset1約為20倍變壓器額定電流InT，即Iset1= 20×InT≈330 A，時(shí)間整定值tset1= 0.1 s。

（2）定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)作為配電變壓器的后備保護(hù)，應(yīng)能有效切斷變壓器內(nèi)部故障和二次側(cè)短路故障。定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的整定原則為躲過(guò)勵(lì)磁涌流并在變壓器過(guò)載極限之前動(dòng)作，其電流整定值Iset2約為2.5倍變壓器額定電流InT，即Iset2= 2.5×InT≈40 A，時(shí)間整定值tset2= 0.3 s。

（3）定時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)應(yīng)能檢測(cè)到變壓器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)過(guò)載而跳閘或報(bào)警。通常電流整定值Iset3約為1.1倍變壓器額定電流InT，即Iset3= 1.1×InT≈18 A，時(shí)間整定值tset3= 60 s。

由上述保護(hù)整定值，結(jié)合變壓器的勵(lì)磁涌流曲線以及過(guò)載能力曲線，可以繪制出保護(hù)配合曲線，如圖4所示。

圖4 變壓器定時(shí)限保護(hù)配合曲線

5.3 采用反時(shí)限保護(hù)配合

IEC 60225-151附錄A中提供了6種反時(shí)限曲線，常用的有SI（標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限），VI（非常反時(shí)限）和EI（極端反時(shí)限）。此處計(jì)算反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)采用IEC 60225-151標(biāo)準(zhǔn)中的極端反時(shí)限曲線EI，其計(jì)算式為

式中，TMS整定值為0.05 s，Is為反時(shí)限過(guò)流保護(hù)電流整定值。

由上述保護(hù)整定值，結(jié)合變壓器的勵(lì)磁涌流曲線以及過(guò)載能力曲線，可以繪制出保護(hù)配合曲線，如圖5所示。

圖5 變壓器反時(shí)限保護(hù)配合曲線

5.4 綜述

通過(guò)對(duì)圖4所示的定時(shí)限保護(hù)曲線和圖5所示的反時(shí)限保護(hù)曲線對(duì)比可以明顯看出：定時(shí)限保護(hù)曲線需設(shè)置3段才能完整保護(hù)變壓器，其在勵(lì)磁涌流曲線和過(guò)載能力曲線之間可調(diào)的幅度較小，配合較困難；反時(shí)限保護(hù)曲線用1段即可完整保護(hù)變壓器，其可調(diào)范圍更大，動(dòng)作時(shí)間比定時(shí)限曲線更短。因此，反時(shí)限保護(hù)曲線用于配電變壓器保護(hù)有其固有的優(yōu)勢(shì)，可以更快速更靈敏地保護(hù)配電變壓器。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)配電變壓器勵(lì)磁涌流特性和過(guò)負(fù)荷能力特性進(jìn)行分析并給出曲線圖予以量化，而后分別針對(duì)配電變壓器定時(shí)限保護(hù)和反時(shí)限保護(hù)進(jìn)行了對(duì)比，總結(jié)了兩種保護(hù)曲線的優(yōu)缺點(diǎn)，并得出以下結(jié)論：反時(shí)限保護(hù)曲線更能貼合配電變壓器的勵(lì)磁涌流曲線和過(guò)負(fù)荷能力曲線，且總體動(dòng)作時(shí)間也較定時(shí)限曲線短，可更迅速、更靈敏地切除故障，能有效減小配電變壓器在短路故障時(shí)的溫升，從而延長(zhǎng)配電變壓器的運(yùn)行壽命。