城軌交通配電變壓器勵磁涌流特性及保護配合曲線研究

程 軍

0 引言

城市軌道交通供電系統配電變壓器作為重要的供電設備，參與車站所有動力照明設備的供電，其穩定可靠運行至關重要。配電變壓器通常采用干式環氧樹脂澆筑自冷型，其過負荷能力與油浸變壓器相比較低。因此，配電變壓器一旦發生短路故障或過載情況，保護需要及時動作，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致絕緣加速老化，這對延長變壓器運行壽命具有深遠的影響。

1 配電變壓器概述

國內城市軌道交通供電系統中壓環網的電壓等級一般為35 kV或10 kV，集中式供電環網系統普遍采用35 kV電壓等級，而分散式供電環網系統通常采用10 kV電壓等級。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

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

表1 干式配電變壓器主要參數

1.2 配電變壓器保護配置

每臺配電變壓器前設置中壓饋線斷路器并配置綜合保護裝置，為配電變壓器提供速斷保護、過流保護和過負荷保護。配電變壓器本身設置溫控器，用于實時監測配電變壓器各相繞組和鐵心的溫度，提供超溫報警和超溫跳閘信號，以實現配電變壓器溫度保護。

2 配電變壓器短路電流計算

要實現對配電變壓器的保護，首先需要準確計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配電變壓器為例進行分析計算。

2.1 短路電流計算輸入條件參數

配電變壓器短路電流計算涉及系統短路容量、電纜參數、變壓器參數等輸入數據，另外有些數據依賴于工程的實際情況，為了直觀表述，本文對系統短路容量及環網電纜截面和長度作了一些假設。短路電流計算輸入條件參數如表2所示。

表2 短路電流計算輸入條件參數

2.2 配電變壓器一次側短路電流計算

中壓系統短路容量可由下述計算過程獲得：

通過環網電纜參數可獲得XL= 0.112 Ω，RL=0.129 Ω，則配電變壓器一次側的總阻抗為

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

2.3 配電變壓器二次側短路電流計算

通常計算配電變壓器二次側短路電流，需將變壓器一次側阻抗換算到二次側，由于配電變壓器的一次側和二次側變比較大，一次側阻抗換算到二次側后可忽略不計。因此配電變壓器二次側短路電流I2可簡化計算為

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

3 配電變壓器勵磁涌流特性

配電變壓器空載合閘時會產生勵磁涌流，其值高達變壓器額定電流的6～8倍。由于變壓器磁通量不能突變，當空載合閘在電源電壓過零點的瞬間（此時磁通為峰值），一次側電流全部成為暫態電流，使變壓器鐵心高度飽和，勵磁電流劇烈增加，從而形成勵磁涌流。圖1展示了典型的變壓器勵磁涌流的波形。

圖1 典型變壓器勵磁涌流波形

若無法獲取生產廠商提供的勵磁涌流曲線，配電變壓器的勵磁涌流可由以下計算式表示：

其中，ki為勵磁涌流比率，I1nT為變壓器一次側額定電流，τin為勵磁涌流時間常數。可通過表3可獲得ki和τin的值。

表3 干式變壓器勵磁涌流參數

結合上述勵磁涌流計算式和參數表，可繪制出勵磁涌流對時間的曲線，如圖2所示。

圖2 典型變壓器勵磁涌流對時間曲線

4 配電變壓器過負荷特性

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

圖3 某干式配電變壓器過載能力曲線

5 配電變壓器保護曲線選擇與配合

5.1 概述

配電變壓器保護曲線的選擇與配合需綜合考慮以下幾方面因素：

（1）變壓器勵磁涌流曲線。變壓器保護曲線應與變壓器勵磁涌流曲線配合，保證變壓器空載送電產生的勵磁涌流不會導致保護誤動作。

（2）變壓器過載能力曲線。變壓器保護曲線應與變壓器過載能力曲線配合，保證變壓器在到達過載極限之前切除故障。

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

5.2 采用定時限保護配合

（1）定時限速斷保護作為配電變壓器的主保護，應能快速切斷配電變壓器一次側短路故障。定時限速斷保護的整定原則為躲過勵磁涌流并躲過二次側短路電流，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，時間整定值tset1= 0.1 s。

（2）定時限過電流保護作為配電變壓器的后備保護，應能有效切斷變壓器內部故障和二次側短路故障。定時限過電流保護的整定原則為躲過勵磁涌流并在變壓器過載極限之前動作，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，時間整定值tset2= 0.3 s。

（3）定時限過負荷保護應能檢測到變壓器在規定時間內過載而跳閘或報警。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，時間整定值tset3= 60 s。

由上述保護整定值，結合變壓器的勵磁涌流曲線以及過載能力曲線，可以繪制出保護配合曲線，如圖4所示。

圖4 變壓器定時限保護配合曲線

5.3 采用反時限保護配合

IEC 60225-151附錄A中提供了6種反時限曲線，常用的有SI（標準反時限），VI（非常反時限）和EI（極端反時限）。此處計算反時限過電流保護采用IEC 60225-151標準中的極端反時限曲線EI，其計算式為

式中，TMS整定值為0.05 s，Is為反時限過流保護電流整定值。

由上述保護整定值，結合變壓器的勵磁涌流曲線以及過載能力曲線，可以繪制出保護配合曲線，如圖5所示。

圖5 變壓器反時限保護配合曲線

5.4 綜述

通過對圖4所示的定時限保護曲線和圖5所示的反時限保護曲線對比可以明顯看出：定時限保護曲線需設置3段才能完整保護變壓器，其在勵磁涌流曲線和過載能力曲線之間可調的幅度較小，配合較困難；反時限保護曲線用1段即可完整保護變壓器，其可調范圍更大，動作時間比定時限曲線更短。因此，反時限保護曲線用于配電變壓器保護有其固有的優勢，可以更快速更靈敏地保護配電變壓器。

6 結語

本文通過對配電變壓器勵磁涌流特性和過負荷能力特性進行分析并給出曲線圖予以量化，而后分別針對配電變壓器定時限保護和反時限保護進行了對比，總結了兩種保護曲線的優缺點，并得出以下結論：反時限保護曲線更能貼合配電變壓器的勵磁涌流曲線和過負荷能力曲線，且總體動作時間也較定時限曲線短，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的溫升，從而延長配電變壓器的運行壽命。