电力机车主变压器绕组短路保护策略探讨

电力机车主变压器绕组短路保护策略探讨

赵嘉庆

中车大连机车车辆有限公司    辽宁大连    116022

摘 要：主变压器是电力机车系统中的核心部件，与高压网络和机车的变流系统直接连接，属于“纽带”的部分，如此部分出现故障，则会对电力机车造成严重的影响，使其运行伴随着严重的风险，不可不对主变压器绕组短路问题予以重视，采取必要的防护措施，以降低该部分发生故障的几率。本文从电力机车主变压器的相关高压电路进行分析，研究了电力机车主变压器绕组短路保护的策略与方法，旨在为技术人员提供指导建议。

关键词：电力机车；主变压器；绕组短路；技术保护

电力机车的主变压器包括高压绕组、辅助绕组及多个牵引绕组部分组成，其中高压绕组与各部分网络的连接非常紧密，牵引绕组的数量比较多且外部电路结构相对复杂，如果发生短路故障，必然会影响电力机车的正常运行，同时也会给变压器造成巨大的危害，需要技术人员在电力机车设计中对其问题做好细致的分析与判断，并设计出合理有效的保护策略。一般来说，以原边侧和牵引绕组侧布置相应的传感器，可以进行电流检测，并通过硬件保护等措施，实现对电力机车主变压器绕组短路的保护效果。

一、电力机车主变压器的相关高压电路

电力机车的主变压器电路结构在图1中的表示比较清晰，包括AP1电弓、QF-M主断路器及PF-M避雷器等，还包括TV1高压电压互感器、TA1高压电流互感器等，由1个原边绕组与4个牵引绕组共同组成。关于绕组短路的故障检测装置设置，以高压电力互感器为主，直接引起过流继电器的相关动作，从硬件的回路直接断开，就可以实现保护的作用，并将传感器的数据反馈到主机上，从软件中检测出牵引绕组的短路故障。

图1.电力机车的主变压器电路结构示意图（参考）

二、电力机车主变压器绕组短路保护措施

（一）原边短路电流保护措施

在电力机车的主变压器原边处，如果出现接地的短路问题，则会产生较大的电流量，此情况下电流的环路只能是电源内的阻抗及线路进行阻抗，关于短路的电流计算公式有“I=U/Z”、“Z=jωL+jωLd+Rd”，在此公式中，U代表电力机车主变压器电路中接触网的额定电压；Z表示该线路中的短路回路阻抗；ω表示该线路中的网压频率；L代表为地面供电的电源；R代表单位接触网长度的电阻值；d代表电力机车主变压器的基础网长度。当电力机车主变压器正常运行时，原边电路中如果出现了最大的冲击电流，则说明在主断路器闭合时，源自于变压器的励磁涌流，会在网压过零时，让主断路器呈现闭合的状态，那么变压器剩余的磁通就会和初始状态保持一致，即出现了电路中最大的励磁涌流，计算方法为“I0max=K2U1max/K·（1-cos）·n”，在此公式中，K2代表着修正系数，通常取值为1.2，U1max代表着电路中的最高电压，X代表着铁芯磁通饱和状态下的线路漏电抗值，n则代表着主变压器牵引绕组的数量。在

原边牵引绕组短路的情况下，电力机车变化期会出现短路的冲击电流，牵引绕组短路等效的电路在图1中也有显示，而原边侧短路峰值电流的计算公式为“I21m=I2m·”，公式中的U2代表着牵引绕组的额定电压。在电力机车变压器满载运行时，一个牵引绕组出现短路故障，会使原边正常的电流与短路产生的大电流叠加，所以原边电阻可能出现的最大峰值电流应当是I1max，计算公式为“I1max=I21m+·I2··（n-1）+·IC”，公式中的IC代表着牵引绕组之外的负荷电流。在此背景下，电力机车主变压器的原边绕组短路电流通常会比较大，那么原边短路的保护电流，就应该避开励磁涌流及短路最大电流，使其能够满足“max（I1max·Iomax）＜Is1＜I1s”的要求。

（二）启动主变压器稳态保护

在电力机车的主断路器闭合时，变压器的牵引绕组会发生短路的情况，由于此时变压器尚未投入负载，所以原边电流可以设定稳态保护的措施，一般会考虑到网压的不同，将其认定为是0.3-2A以内的取值，在闭合主断路器的一段时间之内，励磁涌流完成以后就可以检测，通常不会超过1.5s，而原边电流传感器经过检测以后，电流会大于原本状态，就可以判断出牵引绕组已经发生短路故障。计算原边电流的公式为“Ip0=I2· ·1/K”，其中“Ip0”是原边电流，“I2”代表稳定电流。

（三）带载运行工况保护措施

电力机车主断路器的SC1-SC4，代表着牵引回路的电流传感器，在带载运行状态时，绕组短路故障的发生点是位于传感器的右侧位置的，经过检测发现，传感器中的数值瞬间就达到了短路状态的电流，如果故障点发生在传感器的右侧，则检测值会呈现0的状态。如原边路正常运行电流，与短路电流叠加，在额定电流发生故障以后，线路的电流增长量也可以被计算出来，即“I△=（I2/k-I2）·”。当主变压器的绕组是满功率的运行状态时，电力机车的散热系统可能处于高温的状态，极容易出现局部绕组过热而出现高温报警的情况，依照相关公式进行计算，就可以得出最大峰值电流就满载瞬态保护电流，检测出电流的超载情况，判断出次边绕组出现了相关问题。

三、电力机车主变压器的基本结构与原理

（一）主变压器的结构与接线原理

因为电力机车是移动性交通工具，其运行过程中的负荷过大、震荡过大，所以电力机车上的主变压器和一般形式的变压器是并不相同的，电力机车在运行过程中受到的外部冲击和震荡，必然会影响车载变压器的正常运行状态，况且车体内的安装空间也有限，车载电气设备的可安装空间并不大，还要依照电力机车主变压器的外形尺寸与重量做出明确的限制，由于主变压器是牵引机车行驶的设备，会给电力机车提供动能负荷，所以电力机车的主变压器供电的接触网也会时刻发生变化。以HXD3C型的电力机车为例，该车采用的主变压器是JQFP-10160/25型号的设备，可以将接触网的25kV电压转化为该车运行所需的各类低电压，进而维持电力机车的稳定运行。在电力机车的结构中，采取的事下悬式安装的一体化多绕组变压器设备，冷却方式为强迫导向油循环风冷技术，整体属于全密封结构，主变压器设备的绕组构成方式为扁铜线和圆铜线，在铁芯上环绕形成铁芯和绕组，又根据电压不同分为高压绕组与低压绕组，在高压绕组的外侧，与设备的受电弓相连接；在低压绕组的内侧，与电力机车内部的各类电气装置相连接，构成了独特的电力机车主变压器接线形式。

（二）主变压器的保护配置

电力机车的主变压器设备属于油浸式变压器设备，运行状态包括正常的工作状态与不正常的工作状态以及故障状态三种。其中，不正常的状态之所以和故障状态做出区分，是因为不正常的状态指代的是过负荷运行状态、油箱漏油状态、油位降低状态机油温过高状态等，这些运行状态虽然不正常，但多数情况下还可以维持运行，而故障状态则是受到严重的危害，不能再勉强维持电力机车的正常运行。但是不正常的运行状态会使电力机车的变压器线圈与绕组过热，加速零部件的绝缘老化，一旦电力机车主变压器的运行遭到严重的破坏而不能再运行时，主变压器就可能会发生短路故障，如果勉强运行，这一故障问题会影响到电力机车其他的用电设备。针对电力机车主变压器设备出现的不正常运行状态与故障状态，现有的变压器设备多数会设置继电保护装置，即当设备出现故障时，会做出可靠且快速的动作，如果检测到变压器已经处于不正常的状态时，继电保护装置会立即发出报警信号。

1.主变压器主保护配置

电力机车上主变压器的主保护配置，主要是为了反应变压器内部的短路故障，在断路器跳闸的瞬间使变压器退出运行状态，以起到有效的保护作用，该装置的组成包括纵联差动保护装置与瓦斯保护装置两个部分。其中，纵联差动保护装置，使根据电力机车变压器进出两端的电流差值做出的爆出措施，为了反应变压器油箱内的故障，可以通过纵连差动保护的方式，对主变压器的运行状态起到监测作用。例如，在电力机车主变压器高低压侧均设置电流互感器K1与K2，假设流入继电器的电流，就是两侧电流互感器的二次侧电流差，当该系统在正常运行状态下发生外部短路问题时，此时流入继电器的电流可以用公式表示为IA=I1-I2=0，继电器并不会做出任何动作。如果在继电器保护的范围内出现短路情况，则流入继电器的电流出现IA=I1-I2≠0，那么电力机车主变压器两侧的继电器就会跳闸，迫使已经出现故障的变压器退出运行状态，以起到对电力机车整体电路的短路保护作用。

2.瓦斯保护配置

电力机车的主变压器设置瓦斯保护措施，其原理是反应油浸式的变压器内部故障的一种方式，可以灵敏的感觉到主变压器内部运行情况是否出现了故障。在瓦斯保护装置中，可以根据气体的浓度，将其分为轻瓦斯与重瓦斯两种类型，如果气体继电器中的聚集容量处于250-300立方厘米的状态时，轻瓦斯装置就会出现报警信号，并给出保护的动作；当电力机车主变压器中的油从油箱流出，进入到油枕以后，速度处于0.6-1.5m/s的状态时，重瓦斯装置就会使断路器出现跳闸动作，同时给出报警信号。

3.后备保护配置

如果电力机车的主变压器主保护措施拒绝发生动作时，则后备保护带会出现延时保护的动作，也可以使出现故障状态的变压器退出运行。在接地保护中，后备保护主要是用于反映外部接地短路所引起的问题，即主变压器过流问题，将其作为保护变压器内部短路的设置；在油温高保护中，主变压器的过热保护指的是，当油温超过100℃以上，保护装置会给出延时的报警信号，可以封锁电力机车的主变压器，使其停止输出功率；在压力释放保护中，电力机车主变压器油箱内部压力超重允许值时，压力释放阀就会发出报警信号。

（三）主变压器励磁涌流的特性

电力机车的主变压器空载合闸，或者其外部故障得到解决以后，出现的电流可以达到主变压器原本额定电流的4-8倍，电流幅值可以到达500-600A，则绕组短路可能会出现变形，不仅会影响主变压器的绝缘性能，也容易使主变压器的纵连差动保护给出错误的信号。如果电力机车主变压器暂态部分突然增加，则主变压器的铁芯部分会饱和，由于主变压器的铁芯部分组成材料属于非线性的，其饱和过程中励磁电感会减小，而电流激增则会产生较大的励磁涌流情况。从电力机车的主变压器空载合闸状态时产生的励磁涌流情况来分析，主要包括三种情况：其一，主变压器的合闸初相角为α且α为0°，而主变压器的励磁涌流是最大的峰值；如果主变压器的合闸角α为90°，那么其励磁涌流则属于最小的峰值；其二，电力机车主变压器的励磁涌流数值与铁芯剩磁的大小有关，和其方向呈正比，即铁芯剩磁越小，电力机车主变压器的励磁涌流数值就越小；如果铁芯剩磁的防线与主变压器输入电压产生的方向并不相同，则主变压器的励磁涌流数值也会越来越小，三者之间的变化关系是非常明显的；其三，主变压器的励磁电流大小与主变压器的电压峰值之间呈正比，随着电力机车主变压器的电压增加，则其励磁电流也会随之增加。

（四）主变压器的绝缘特性

电力机车的主变压器在长期运行的过程中，绝缘性会随着运营时间的延长而逐渐降低，由于材料难免会出现老化的情况，主变压器的绕组会随着损耗增加而产生更大的热量，就可能会出现绕组温度过高的情况，判断绝缘特性的方式就是计算绝缘纸的重量，计算出每克的绝缘纸中一氧化碳与二氧化碳的总产生量。如果该总产生量在0.45ml/g之下，则说明主变压器的绝缘性处于正常状态；如果该总产生量为0.45-1.85ml/g或者高于1.85ml/g，则说明主变压器的绝缘性已经存在异常或者处于危险状态。

结束语：

现代电力机车设备的运行情况比较复杂，内部不允许出现严重的故障，否则可能会引发严重的事故。牵引变压器在长时间运行过程中，可能会因为多方面因素，出现原边绕组及牵引绕组部分的堵路故障，对机车高压回路造成巨大的伤害，而且牵引绕组的短路会大大增加系统的发热问题，使电力机车系统的运行伴随着巨大的风险。因此，技术人员需从变压器的原边绕组及牵引绕组的短路故障问题出发，通过各项公式的计算得出有效数据，研究故障发生的瞬态保护措施，制定行之有效的技术保护策略，以避免绕组故障的问题，维持电力机车变压器设备的正常运行。

参考文献

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