為適應(yīng)運(yùn)輸形勢(shì)的需要，鐵路系統(tǒng)相繼實(shí)施了六次大面積的提速調(diào)圖工作，列車(chē)的密度和運(yùn)行速度都有了大幅度的增長(zhǎng)和提高，牽引變電所的供電量累計(jì)增加30％以上。列車(chē)提速后，同一供電臂上機(jī)車(chē)存在的概率大大增加，造成短時(shí)某條饋線的電流峰值過(guò)大，自第三次提速后在正常負(fù)荷時(shí)牽引變電所饋線斷路器的非正常跳閘次數(shù)呈逐月增加的趨勢(shì)。為了解決這一問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)單位都采用了改變饋線阻抗保護(hù)負(fù)荷阻抗值的方法，即按照提速后線路出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流、變電所母線出現(xiàn)的最低電壓和最差功率因數(shù)角，重新計(jì)算整定阻抗保護(hù)的R值。這樣調(diào)整后，正常負(fù)荷時(shí)饋線的非正常跳閘問(wèn)題基本得到解決，但更為嚴(yán)重的問(wèn)題出現(xiàn)了，復(fù)線區(qū)段、在上下行同時(shí)出現(xiàn)大電流時(shí)，引起過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)做主變壓器退出運(yùn)行。
第三次提速后，我段轄內(nèi)鎮(zhèn)內(nèi)變電所過(guò)負(fù)荷保護(hù)共動(dòng)作3次，造成高邑一內(nèi)邱間牽引網(wǎng)停電，因過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作后不設(shè)自投裝置，恢復(fù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，共計(jì)中斷京廣正線運(yùn)輸47rain。而另一方面，牽引變壓器平均負(fù)荷率低，利用率在20％以下；大多數(shù)運(yùn)行l(wèi)O年以上的牽引變壓器在大修吊芯檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)繞組仍然是嶄新的，極大地閑置和浪費(fèi)了資源。過(guò)負(fù)荷跳閘和變壓器利用率低的問(wèn)題，反映了電氣化鐵路區(qū)別于電力系統(tǒng)的特殊性，在一定程度上成為列車(chē)提速的瓶頸。針對(duì)鎮(zhèn)內(nèi)變電所的過(guò)負(fù)荷跳閘問(wèn)題，2003年4月，石家莊鐵路分局作為1個(gè)科研攻關(guān)項(xiàng)目正式立項(xiàng)。確立了研究牽引負(fù)荷狀況、改造過(guò)負(fù)荷保護(hù)實(shí)現(xiàn)方式、充分發(fā)揮牽引變壓器負(fù)荷能力的方案。
一、牽引變壓器運(yùn)行狀態(tài)分析
變壓器運(yùn)行中要產(chǎn)生銅損和鐵損，這兩部分損耗最后全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽硅F心和繞組發(fā)熱，變壓器的溫度升高。變壓器壽命取決于絕緣的老化程度，而絕緣的老化速度又取決于變壓器運(yùn)行的溫度和實(shí)際溫升。由于變壓器內(nèi)部熱量傳播的不均勻和環(huán)境溫度的影響，變壓器各部位溫度差別是很大的，這就需要對(duì)變壓器的溫度和允許溫升作出規(guī)定。在不損害變壓器繞組的絕緣性能和不降低變壓器使用壽命的條件下，變壓器的負(fù)荷能力實(shí)際上是大于其額定容量的。
變壓器在正常運(yùn)行時(shí)允許過(guò)負(fù)荷，這是因?yàn)樽儔浩髟谝粫円箖?nèi)的負(fù)荷，有時(shí)是高峰、有時(shí)是低谷，在低谷時(shí)變壓器是在較低的溫度下運(yùn)行，其次一年內(nèi)季節(jié)性的溫度也在變化，冬季情況下，變壓器的散熱條件也優(yōu)于制造廠規(guī)定的數(shù)值。一般采用晝夜的負(fù)荷率來(lái)決定，當(dāng)負(fù)荷率k≤1時(shí)，在高峰期間允許過(guò)負(fù)荷，其時(shí)間長(zhǎng)短一般根據(jù)過(guò)負(fù)荷曲線或上層油溫確定。
按京廣線提速區(qū)段列車(chē)160km／h的運(yùn)行速度，列車(chē)7min追蹤間隔，我們對(duì)出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷跳閘的鎮(zhèn)內(nèi)變電所31．5MVA變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集。
二、既有過(guò)負(fù)荷保護(hù)存在的問(wèn)題及處理方案
從上述分析計(jì)算中可看出，牽引供電系統(tǒng)既有過(guò)負(fù)荷保護(hù)型式(1．5Ie的情況下，I段60s發(fā)信號(hào)、II段90s跳閘)與變壓器能力極不相匹配。
據(jù)觀測(cè)，DN供電方式下，鎮(zhèn)內(nèi)變電所A相25kin供電臂，在正線機(jī)車(chē)爬坡運(yùn)行、3個(gè)站場(chǎng)有調(diào)車(chē)作業(yè)的情況下，變壓器的沖擊電流會(huì)超過(guò)1．5Ie，但持續(xù)時(shí)間超過(guò)1．5rain的概率為年平均1．5次。采用既有方法，當(dāng)某一時(shí)間段內(nèi)電流的峰值超過(guò)整定值時(shí)該段計(jì)時(shí)器累加、小于定值時(shí)立即返回或段記時(shí)回減的計(jì)算方法，無(wú)法正確地反映變壓器的實(shí)際過(guò)負(fù)荷狀況。一則造成設(shè)計(jì)階段變壓器選型過(guò)大、二則在提速區(qū)段頻繁會(huì)出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷跳閘。
三、保護(hù)裝置硬件組成
牽引變壓器過(guò)負(fù)荷微機(jī)保護(hù)裝置包括5個(gè)功能插件，從左到右依次為交流插件、DSP插件、電源插件、繼電器出口插件、操作箱插件；另外在前面板上還有一塊用于人機(jī)對(duì)話的MMI板。
(一)交流插件
交流插件上共有6個(gè)模擬量輸入變換器，用于將二次交流信號(hào)(電壓、電流)隔離變換為小電壓信號(hào)，然后在DSP插件上經(jīng)調(diào)整輸入到A／D中去。
(二)DSP插件
DSP插件是整個(gè)裝置的核心，采用40MIPS的嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)構(gòu)成簡(jiǎn)潔高效的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，硬件具有兩級(jí)看門(mén)狗，模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為14位、轉(zhuǎn)換時(shí)間約5its，有16路開(kāi)關(guān)量輸入和14路輸出，DSP通過(guò)RS232口與液晶MMI板通訊、通過(guò)CAN通訊與上位管理機(jī)交換數(shù)據(jù)。
(三)出口插件
該插件接收DSP下發(fā)的命令并完成控制輸出，有10個(gè)獨(dú)立的繼電器出口，其中有2個(gè)配有信號(hào)繼電器，完成信號(hào)燈指示和輸出。裝置故障或失電時(shí)，該插件告警繼電器返回發(fā)出告警信號(hào)。
(四)操作箱插件
該插件接收來(lái)自出口插件的控制命令，完成操作機(jī)構(gòu)的分、合閘操作功能；同時(shí)產(chǎn)生分、合閘位置信號(hào)；控制回路斷線后，發(fā)控制回路斷線信號(hào)。
(五)電源插件
電源插件采用220V／110V(可選)直流開(kāi)關(guān)電源，可輸出+5V／3A、4-12V／0．2A、+24V／0．2A。其中+5V用于DSP系統(tǒng)、±12V用于A／D采集部分、24V用于開(kāi)入量和開(kāi)出量。
(六)人機(jī)對(duì)話板(MMI板)
人機(jī)對(duì)話板配有簡(jiǎn)易鍵盤(pán)輸入和液晶顯示，為用戶(hù)提供了良好的操作界面；該板與DSP插件以串行通訊的方式相連接，接收DSP插件的測(cè)量數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)及各種故障告警信息供用戶(hù)瀏覽，同時(shí)用戶(hù)還可以調(diào)整系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量的去抖時(shí)間、設(shè)置裝置的通訊地址、做傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)、整定保護(hù)的定值和裝置時(shí)間等。
