牵引变压器过负荷保护的适应性改造

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为适应运输形势的需要，铁路系统相继实施了六次大面积的提速调图工作，列车的密度和运行速度都有了大幅度的增长和提高，牵引变电所的供电量累计增加30％以上。列车提速后，同一供电臂上机车存在的概率大大增加，造成短时某条馈线的电流峰值过大，自第三次提速后在正常负荷时牵引变电所馈线断路器的非正常跳闸次数呈逐月增加的趋势。为了解决这一问题，运营单位都采用了改变馈线阻抗保护负荷阻抗值的方法，即按照提速后线路出现的最大负荷电流、变电所母线出现的最低电压和最差功率因数角，重新计算整定阻抗保护的R值。这样调整后，正常负荷时馈线的非正常跳闸问题基本得到解决，但更为严重的问题出现了，复线区段、在上下行同时出现大电流时，引起过负荷保护动做主变压器退出运行。

第三次提速后，我段辖内镇内变电所过负荷保护共动作3次，造成高邑一内邱间牵引网停电，因过负荷保护动作后不设自投装置，恢复时间相对较长，共计中断京广正线运输47rain。而另一方面，牵引变压器平均负荷率低，利用率在20％以下；大多数运行lO年以上的牵引变压器在大修吊芯检查时发现绕组仍然是崭新的，极大地闲置和浪费了资源。过负荷跳闸和变压器利用率低的问题，反映了电气化铁路区别于电力系统的特殊性，在一定程度上成为列车提速的瓶颈。针对镇内变电所的过负荷跳闸问题，2003年4月，石家庄铁路分局作为1个科研攻关项目正式立项。确立了研究牵引负荷状况、改造过负荷保护实现方式、充分发挥牵引变压器负荷能力的方案。
一、牵引变压器运行状态分析
变压器运行中要产生铜损和铁损，这两部分损耗最后全部转变为热能，使铁心和绕组发热，变压器的温度升高。变压器寿命取决于绝缘的老化程度，而绝缘的老化速度又取决于变压器运行的温度和实际温升。由于变压器内部热量传播的不均匀和环境温度的影响，变压器各部位温度差别是很大的，这就需要对变压器的温度和允许温升作出规定。在不损害变压器绕组的绝缘性能和不降低变压器使用寿命的条件下，变压器的负荷能力实际上是大于其额定容量的。

变压器在正常运行时允许过负荷，这是因为变压器在一昼夜内的负荷，有时是高峰、有时是低谷，在低谷时变压器是在较低的温度下运行，其次一年内季节性的温度也在变化，冬季情况下，变压器的散热条件也优于制造厂规定的数值。一般采用昼夜的负荷率来决定，当负荷率k≤1时，在高峰期间允许过负荷，其时间长短一般根据过负荷曲线或上层油温确定。

按京广线提速区段列车160km／h的运行速度，列车7min追踪间隔，我们对出现过负荷跳闸的镇内变电所31．5MVA变压器运行数据进行了采集。

二、既有过负荷保护存在的问题及处理方案
从上述分析计算中可看出，牵引供电系统既有过负荷保护型式(1．5Ie的情况下，I段60s发信号、II段90s跳闸)与变压器能力极不相匹配。

据观测，DN供电方式下，镇内变电所A相25kin供电臂，在正线机车爬坡运行、3个站场有调车作业的情况下，变压器的冲击电流会超过1．5Ie，但持续时间超过1．5rain的概率为年平均1．5次。采用既有方法，当某一时间段内电流的峰值超过整定值时该段计时器累加、小于定值时立即返回或段记时回减的计算方法，无法正确地反映变压器的实际过负荷状况。一则造成设计阶段变压器选型过大、二则在提速区段频繁会出现过负荷跳闸。

三、保护装置硬件组成
牵引变压器过负荷微机保护装置包括5个功能插件，从左到右依次为交流插件、DSP插件、电源插件、继电器出口插件、操作箱插件；另外在前面板上还有一块用于人机对话的MMI板。

(一)交流插件
交流插件上共有6个模拟量输入变换器，用于将二次交流信号(电压、电流)隔离变换为小电压信号，然后在DSP插件上经调整输入到A／D中去。

(二)DSP插件
DSP插件是整个装置的核心，采用40MIPS的嵌入式数字信号处理器(DSP)构成简洁高效的数据采集和处理系统，硬件具有两级看门狗，模数转换精度为14位、转换时间约5its，有16路开关量输入和14路输出，DSP通过RS232口与液晶MMI板通讯、通过CAN通讯与上位管理机交换数据。

(三)出口插件
该插件接收DSP下发的命令并完成控制输出，有10个独立的继电器出口，其中有2个配有信号继电器，完成信号灯指示和输出。装置故障或失电时，该插件告警继电器返回发出告警信号。

(四)操作箱插件
该插件接收来自出口插件的控制命令，完成操作机构的分、合闸操作功能；同时产生分、合闸位置信号；控制回路断线后，发控制回路断线信号。

(五)电源插件
电源插件采用220V／110V(可选)直流开关电源，可输出+5V／3A、4-12V／0．2A、+24V／0．2A。其中+5V用于DSP系统、±12V用于A／D采集部分、24V用于开入量和开出量。

(六)人机对话板(MMI板)
人机对话板配有简易键盘输入和液晶显示，为用户提供了良好的操作界面；该板与DSP插件以串行通讯的方式相连接，接收DSP插件的测量数据、开关数据及各种故障告警信息供用户浏览，同时用户还可以调整系统开关量的去抖时间、设置装置的通讯地址、做传动实验、整定保护的定值和装置时间等。

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实现方式、充分发挥牵引变压器负荷能力的方案。4 ?- r  S3 ~# {0 P. K5 p# d