地鐵供電系統(tǒng)變壓器保護(hù)及故障分析

田少亮

（中鐵一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

電能是地鐵運(yùn)行的主要?jiǎng)恿?lái)源，要求供電系統(tǒng)的供電性能可靠且運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(duì)不同級(jí)別電壓實(shí)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(hù)和維修十分重要。分析地鐵供電系統(tǒng)基本特點(diǎn)，集中體現(xiàn)在3個(gè)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(hù)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(diǎn)，對(duì)繼電保護(hù)配置方案進(jìn)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(wèn)題時(shí)，其他主變壓器要能獨(dú)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(yùn)行中，很容易受兩相短路故障影響而難以正常運(yùn)行。因此，當(dāng)?shù)罔F供電系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，要科學(xué)合理地構(gòu)建繼電保護(hù)方案，保證地鐵供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 地鐵供電系統(tǒng)變壓器保護(hù)措施

1.1 瓦斯保護(hù)

對(duì)地鐵供電系統(tǒng)變壓器保護(hù)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(xiǎn)性，鐵芯和繞組會(huì)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(huì)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(hù)是調(diào)節(jié)變壓器油箱內(nèi)氣體數(shù)量和氣體流動(dòng)速度，有效規(guī)避變壓器故障的發(fā)生。在實(shí)踐中，將瓦斯保護(hù)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(hù)裝置，能簡(jiǎn)化接線安裝環(huán)節(jié)，加快安裝速度，有效增強(qiáng)安裝的靈敏性。除此之外，在瓦斯保護(hù)裝置的作用下，可及時(shí)反映變壓器油箱內(nèi)部故障，但無(wú)法準(zhǔn)確及時(shí)地反映油箱外部套管故障與引線部位故障，瓦斯保護(hù)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(dòng)保護(hù)

變壓器中性點(diǎn)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(jiàn)故障，為解決這一故障，將縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)以及電流速斷保護(hù)裝置安裝在供電系統(tǒng)變壓器中。縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)選擇＞10 MV·A的單獨(dú)供電系統(tǒng)變壓器，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)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(hù)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(hù)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(guò)大時(shí)，電流速斷保護(hù)裝置可及時(shí)跳閘并斷開(kāi)系統(tǒng)，有效規(guī)避大電流對(duì)變壓器的損壞。

1.3 過(guò)電流保護(hù)

圖1 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理

變壓器過(guò)電流保護(hù)主要作為縱聯(lián)差動(dòng)、電流速斷的后備保護(hù)措施，反映外部相間短路引起的過(guò)電流問(wèn)題。為滿足靈敏度要求，可安裝低壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)、復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、負(fù)序過(guò)電流保護(hù)以及阻抗保護(hù)，作為變壓器的后備保護(hù)措施。

1.4 過(guò)勵(lì)磁保護(hù)

變壓器安裝過(guò)勵(lì)磁保護(hù)是為了解決變壓器的過(guò)勵(lì)磁問(wèn)題。由于勵(lì)磁涌流造成的沖擊電流存在的時(shí)間很短，對(duì)變壓器傷害不大。此外，勵(lì)磁涌流可能引起變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，不宜多次連續(xù)合閘對(duì)變壓器充電，因?yàn)槔@組間的機(jī)械力作用會(huì)因?yàn)榇箅娏鞯亩啻螞_擊而逐漸造成其固定物松動(dòng)，引起故障。

1.5 零序電流保護(hù)

地鐵供電系統(tǒng)變壓器保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，零序電流能有效保護(hù)變壓器的后備元件，而且對(duì)與變壓器相鄰元件發(fā)生的短路現(xiàn)象也可以進(jìn)行必要的保護(hù)。合理運(yùn)用零序電流保護(hù)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(lái)講，需要在110 kV以上直接接地變壓器安裝零序電流保護(hù)裝置，一旦大電流線路出現(xiàn)短路，變壓器中性點(diǎn)臺(tái)數(shù)與接地問(wèn)題會(huì)給零序電流分布的實(shí)際情況帶來(lái)嚴(yán)重影響。

2 應(yīng)對(duì)地鐵系統(tǒng)變壓器故障的有效對(duì)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(huì)影響變壓器保護(hù)的程度。應(yīng)定期對(duì)避雷器裝置實(shí)施檢測(cè)檢驗(yàn)，盡可能地規(guī)避雷擊諧振等因素對(duì)變壓器的損壞，規(guī)避過(guò)電壓損壞問(wèn)題的發(fā)生。對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的避雷裝置進(jìn)行及時(shí)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(duì)油溫與容量進(jìn)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(yùn)行的安全性與可靠性。變壓器運(yùn)行時(shí)間不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，有效規(guī)避故障的發(fā)生。在變壓器處于正常監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)下，避免因使用不合理避雷裝置帶來(lái)的負(fù)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(yùn)行環(huán)境，進(jìn)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(yùn)行。

2.2 及時(shí)清除配電變壓器表面污垢

由于變壓器表面長(zhǎng)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(huì)受到污垢的影響而被嚴(yán)重腐蝕，對(duì)變壓器的使用性能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致變壓器實(shí)際使用中存在故障隱患。因此，必須對(duì)變壓器表面污垢進(jìn)行定期清理，并且在變壓器定期檢測(cè)過(guò)程中，將變壓器的清理納入變壓器檢測(cè)工作主要內(nèi)容。清理變壓器污垢過(guò)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(dòng)狀況的全面檢測(cè)

地鐵電力系統(tǒng)變壓器的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)效果，直接影響變壓器使用的安全性。因此，要對(duì)變壓器螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)狀況實(shí)施必要的檢測(cè)。通常情況下，選擇在變壓器拆卸及裝配階段檢測(cè)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)情況，確保螺桿完成安裝且不滑脫。在螺桿不能轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，實(shí)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(huì)對(duì)地鐵運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的情況和變壓器運(yùn)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(cè)方面合理納入螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)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(wú)法運(yùn)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(shí)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(shí)更換；檢查變壓器的溫度、油色、油位；檢查變壓器油箱有無(wú)滲漏現(xiàn)象。

2.5 保持變壓器三相負(fù)載平衡運(yùn)行

如果不能保持變壓器三相負(fù)載平衡運(yùn)行，將會(huì)造成變壓器三相電流的不平衡，同時(shí)變壓器的三相電壓也將達(dá)不到平衡狀態(tài)。對(duì)于三相負(fù)載不平衡運(yùn)行的變壓器，應(yīng)根據(jù)最大電流負(fù)荷，將變壓器的負(fù)荷在三相間重新分配。

3 結(jié)語(yǔ)

地鐵供電系統(tǒng)的基本功能是始終為地鐵列車運(yùn)行提供動(dòng)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(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，必須及時(shí)處理地鐵供電系統(tǒng)變壓器故障，采取必要的保護(hù)措施和科學(xué)的故障檢測(cè)方法，優(yōu)化檢測(cè)技術(shù)，確保地鐵供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。