专利名称：变压器过流保护装置和电力机车的制作方法
技术领域：
本发明涉及过流保护技术，尤其涉及一种变压器过流保护装置和电力机车。
背景技术：
在电气化铁路中，接触网是电气化铁道的供电电网，电力机车通过接触网取得电能。机车车顶上安装有受电弓，通过受电弓与接触网导线接触以从接触网获取电能， 通过机车上设置的牵引变压器等设备对从接触网引入的电压进行变换，以作为机车上的相关电力设备的电压源，例如，为机车中牵引变流器供电。在受电弓与牵引变压器的一次侧之间设置有主断路器，通过主断路器的通断控制受电弓与牵引变压器一次侧之间连接线路的通断。牵引变压器作为给机车供电线路中的重要设备，通常设置有保护措施以对牵引变压器(以下简称变压器)进行保护。图6为现有技术提供的牵引变压器过流保护装置的电路图，如图6所示，该保护装置包括电流互感器10、过流继电器30和继电器15。在牵引变压器31的一次侧和主断路器17之间的连接线路中串接有电流互感器10 的一次绕组，电流互感器10的二次绕组串接在过流继电器30的输入回路中，过流继电器30 的输出端常开触点301和继电器15的输入端串接在列车控制线路19中，继电器15的输出端常开触点151串接在主断路器控制线路20中。当变压器的一次侧发生过电流时，该过电流会流过电流互感器的一次绕组，使电流互感器的二次侧会生互感电流增大，该互感电流的大小会超过过流继电器的整定电流， 从而使过流继电器动作，过流继电器的输出端常开触点闭合，进而接通了列车控制线路；列车控制线路给继电器的输入端提供工作电压，使继电器中的线圈得电，使继电器的输出端常开触点闭合，进而接通了主断路器控制线路，使主断路器断开，也就断开了受电弓与牵引变压器一次侧之间的连接线路，牵引变压器的一次侧不再有过电流流过，进而，对牵引变压器进行隔离保护。引起牵引变压器一次侧过电流的原因通常有两种，一种是由于主断路器断开或闭合的动作产生的励磁涌流造成的过电流，一种是由于牵引变压器内部短路故障造成的过电流。上述对牵引变压器进行保护的措施中，只要检测到牵引变压器的一次侧发生过电流，即断开主断路器，无法区分是因变压器内部故障造成的过电流还是因主断路器断开或闭合的动作产生的励磁涌流造成的过电流，而如果是因励磁涌流造成的过电流，由于时间较短，一般不会对变压器造成损害，不需要对变压器进行保护，因此，该种保护措施往往造成误动作，影响列车的正常运行。为能正确区分具体是上述哪种原因引起的过电流，目前通常采用计算机对采集的变压器一次侧的电流进行傅里叶分析，分析电流中的基波及各次谐波，并计算电流中的基波幅值与二次谐波幅值的比值，当比值大于0. 2时，判断过电流是由于励磁涌流造成的，当比值小于0. 15时，判断为过电流是由于变压器内部短路故障造成的，进而根据分析结果对变压器进行保护。但是，该种保护方法，不仅技术难度大，且开发成本高。
发明内容
本发明的第一个方面是提供一种变压器过流保护装置，以降低对变压器进行过流保护的成本。本发明提供的变压器过流保护装置，包括电流互感器，所述电流互感器的一次绕组串接于变压器的输入线路中；第一开关组件和第二开关组件，所述第一开关组件的控制端、第二开关组件的控制端和所述电流互感器的二次绕组形成电流回路；所述第一开关组件的被控开关和第二开关组件的被控开关串接于变压器输入线路中的保护开关的控制线路中；其中，在交流电流正半周期流过所述第一开关组件的控制端的状态下，所述第一开关组件的控制端控制所述第一开关组件的被控开关闭合设定时间，在交流电流负半周期流过所述第二开关组件的控制端的状态下，所述第二开关组件控制端控制所述第二开关组件的被控开关闭合设定时间，所述设定时间大于交流电流周期的二分之一，所述交流电流正半周期和负半周期的有效值均大于设定门限值。本发明的另一个方面是提供一种电力机车，以降低对电力机车中变压器进行过流保护的成本。本发明提供的电力机车，包括变压器和受电弓，所述变压器的输入线路与所述受电弓相连，且所述变压器的输入线路中连接有保护开关，还包括本发明提供的过流保护装置。该变压器过电流保护装置，当变压器输入线路中产生短路电流时，断开保护开关以对变压器进行保护，而当变压器输入线路中产生励磁涌流时，并不断开保护开关，不必以对变压器进行保护，该保护装置不需要设计复杂的程序和开发适合的算法，并设置执行该程序和算法的计算机，只通过各种硬件电路即可达到鉴别励磁涌流和短路电流，以选择是否对变压器进行保护的目的，该装置实现简单，成本低。
图1为本发明实施例所提供的变压器过流保护装置的结构示意图；图2为本发明另一实施例所提供的变压器过流保护装置的电路图；图3为本发明又一实施例所提供的变压器过流保护装置的电路图；图4为本发明又一实施例所提供的变压器过流保护装置的部分结构的电路图；图5为将本发明实施例所提供的变压器过流保护装置应用于电力机车上部分结构的电路图；图6为现有技术提供的牵引变压器过流保护装置的电路图。
具体实施例方式本发明实施例提供了一种变压器过流保护装置，图1为本发明实施例所提供的变压器过流保护装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括电流互感器10、第一开关组件11 和第二开关组件12。电流互感器10的一次绕组101串接于变压器13的输入线路中；第一开关组件11 的控制端111、第二开关组件12的控制端121和电流互感器的二次绕组102形成电流回路； 第一开关组件11的被控开关112和第二开关组件12的被控开关122，串接于变压器13输入线路中的保护开关14的控制线路141中。在交流电流正半周期流过第一开关组件11的控制端111的状态下，第一开关组件 11的控制端111控制第一开关组件11的被控开关112闭合设定时间，在交流电流负半周期流过第二开关组件12的控制端121的状态下，第二开关组件12的控制端121控制第二开关组件12的被控开关122闭合设定时间，设定时间大于交流电流周期的二分之一，交流电流正半周期和负半周期的有效值均大于设定门限值。电流互感器通常由闭合的铁心和绕组组成，它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它会有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在保护回路中。电流互感器的作用是可以把数值较大的经过一次绕组的电流通过一定的变比转换为经过二次绕组的数值较小的电流，用来进行保护、测量等用途。通过设置电流互感器的变比可控制缩小的倍数，如变比为400/5的电流互感器，可以把实际为400A的电流转变为 5A的电流。本实施例中，可根据需要设置变比，也就是缩小的设定倍数。变压器是利用电磁感应原理，对输入电压和输出电压的大小进行变换的装置，变压器主要包括一次绕组和二次绕组，一次绕组用于接收电能，连接输入的电压源，二次绕组用于送出电能，输出经过变换后的电压，通常与负载相连，以为负载提供适合的电压。每种变压器都有特定的容量，变压器正常工作时，流过变压器输入线路中电流，也就是经过变压器一次绕组的电流，通常不能超过变压器的额定电流，如果变压器输入线路中的电流长时间超过额定电流(以下称过电流)，会损坏变压器。引起变压器输入线路中产生过电流的原因通常有两种，一种是由于变压器输入线路中的保护开关(例如主断路器)断开或闭合的动作产生的励磁涌流造成的过电流(以下称励磁涌流)；一种是由于牵引变压器内部短路故障造成的过电流(以下简称短路电流)。第一开关组件和第二开关组件可以采用继电器，将继电器的输入端作为控制端， 继电器的输出端触点作为被控开关，当输入端的电流超过一定限制时，输出端触点闭合。上述的过流保护装置，以变压器输入线路中励磁涌流和短路电流的不同特点为基础。从励磁涌流产生的机理知，它是一个非周期的震荡、衰减直流电信号；而短路电流是一个衰减的交流电信号。下面以为基础介绍该保护装置的工作原理。通常状态下，流过变压器输入线路中的电流小于额定电流，该电流会流过电流互感器的一次绕组，使电流互感器的二次绕组产生互感电流，但是，该互感电流的有效值小于第一开关组件和第二开关组件的动作电流值，此时，第一开关组件和第二开关组件不产生动作，第一开关组件和第二开关组件中的被控开关均为断开状态，变压器输入线路中的保护开关的控制线路为断开状态，保护开关闭合，变压器正常工作。
上述的设定门限值为第一开关组件和第二开关组件的动作电流值。当变压器输入线路中产生短路电流时，该过电流会流过电流互感器的一次绕组， 使电流互感器的二次绕组产生的互感电流比正常时要大。由于该互感电流为交流电流，在该交流电流的正半周期，由于该电流正半周期的有效值大于第一开关组件的动作电流值， 因此，第一开关组件控制端控制第一开关组件被控开关闭合设定时间；在该电流的负半周期，由于该电流负半周期的有效值也大于第二开关组件的动作电流值，因此，第二开关组件控制端控制第二开关组件的被控开关闭合设定时间。并且，由于第一开关组件中的被控开关和第二开关组件中的被控开关的闭合时间大于交流电流周期的二分之一，因此，在该交流电流的一个周期内，第一开关组件的被控开关和第二开关组件的被控开关均闭合，从而接通了变压器输入线路中的保护开关的控制线路，使保护开关断开，也就断开了变压器的输入线路，变压器中不再有过电流流过，对变压器起到了保护作用，防止变压器损坏。而当变压器输入线路中产生励磁涌流时，该过电流也会流过电流互感器的一次绕组，使电流互感器的二次绕组产生的互感电流比正常时要大。但由于该过电流为直流电流， 该电流只能沿一个固定方向流动，或者是顺时针或者是逆时针，此时，或者是第一开关组件控制端控制第一开关组件被控开关闭合设定时间，或者是第二开关组件控制端控制第二开关组件被控开关闭合设定时间；不能使第一开关组件和第二开关组件中的被控开关同时闭合，也就不能接通变压器输入线路中的保护开关的控制线路，保护开关也不会断开，不对变压器进行保护。由上述技术方案可知，该变压器过电流保护装置，当变压器输入线路中产生短路电流时，断开保护开关以对变压器进行保护，而当变压器输入线路中产生励磁涌流时，并不断开保护开关，不必以对变压器进行保护，该保护装置不需要设计复杂的程序和开发适合的算法，并设置执行该程序和算法的计算机，只通过各种硬件电路即可达到鉴别励磁涌流和短路电流，以选择是否对变压器进行保护的目的，该装置实现简单，成本低。图2为本发明另一实施例所提供的变压器过流保护装置的电路图，如图2所示，该保护装置中，第一开关组件包括第一过流继电器113和第一二极管114，第二开关组件包括第二过流继电器123和第二二极管124。电流互感器10的二次绕组102与第一过流继电器113的输入端和第二过流继电器123的输入端形成电流回路。第一二极管114并联于第一过流继电器113的输入端，第二二极管IM并联于第二过流继电器123的输入端，且第一二极管114和第二二极管124的导通方向相反。第一过流继电器113的输出端常开触点1131和第二过流继电器123的输出端常开触点1231均串接于变压器输入线路中的保护开关的控制线路141中。其中，在交流电流正半周期，第一二极管114导通，在交流电流负半周期，第二二极管124导通。本实施例中的第一过流继电器和第二过流继电器可采用延时断开的继电器，该延时时间可根据需要设定，本实施例中，该延时时间可根据短路电流中交流电流的周期设定， 该延时时间应为设置为大于该交流电流周期的一半。第一过流继电器的输入端和第一二极管作为第一开关组件的控制端，第一过流继电器的输出端常开触点作为第一开关组件的被控开关；第二过流继电器的输入端和第二二极管作为第二开关组件的控制端，第二过流继电器的输出端常开触点作为第二开关组件的被控开关。本实施例提供的保护装置的工作原理为通常状态下，流过变压器输入线路中的电流小于额定电流，此时，流过第一过流继电器或第二过流继电器输入端的电流的有效值小于过流继电器的动作电流值(即设定门限值)，也就是小于预设门限值，因此，第一过流继电器或第二过流继电器的输出端常开触点均不动作，均为断开状态，变压器输入线路中的保护开关的控制线路为断开状态，保护开关闭合，变压器正常工作。当变压器输入线路中产生短路电流时，该过电流会流过电流互感器的一次绕组， 使电流互感器的二次绕组产生的互感电流比正常时要大，并且，由于该互感电流为交流电流，在该电流的正半周期，电流为如2所示的方向，因为第一二极管与第一过流继电器并联，此时，第一二极管处于正向导通状态，第一过流继电器被短路，其输入端没有电流通过， 其输出端的常开触点不动作，仍为断开状态，而第二二极管处于反向截止状态，电流将流入第二过流继电器的输入端，因流过该第二过电流继电器输入端的电流的有效值大于过流继电器的动作电流值(也就是设定门限值)，第二过流继电器的输出端常开触点动作，常开触点将闭合。在该电流的负半周期，电流方向与图2所示方向相反，由于第二二极管与第二过流继电器并联，此时，第二二极管处于正向导通状态，第二过流继电器被短路掉，其输入端没有电流通过，输出端的常开触点不动作，仍为断开状态，而第一二极管处于反向截止状态，电流将流入第一过流继电器的输入端，因流过该第一过电流继电器输入端的电流的有效值大于设定门限值，第一过流继电器的输出端常开触点动作，常开触点将闭合。由于第一过流继电器的输出端常开触点和第二过流继电器的输出端常开触点均为延时断开触点，而延时时间大于该交流电流周期的一半，因此，在交流电流的正半周期时，第一过流继电器的输出端常开触点闭合，并将在大于交流电流周期的一半的时间后才断开，而在交流电流的负半周期时，第二过流继电器的输出端常开触点闭合，因此，在该交流电流的一个周期内，第一过流继电器和第二过流继电器的输出端常开触点均处于闭合状态，从而接通了变压器输入线路中的保护开关的控制线路，使保护开关断开，也就断开了变压器的输入线路，变压器中不再有电流流过，对变压器起到了保护作用。而当变压器输入线路中产生励磁涌流时，该过电流也会流过电流互感器的一次绕组，使电流互感器的二次绕组产生的互感电流比正常时要大。但由于该互感电流为直流电流，该电流只能沿一个固定方向流动，或者是顺时针或者是逆时针，此时，该电流或者使第一过流继电器的输出端常开触点闭合或使第二过流继电器的输出端常开触点，不能使第一过流继电器和第二过流继电器的输出端常开触点同时闭合，因此，也就不能接通变压器输入线路中的保护开关的控制线路，保护开关也不会断开，不对变压器进行保护。本实施例中，通过过流继电器和二极管的组合电路实现鉴别励磁涌流和短路电流，以选择是否对变压器进行保护的功能，该电路响应时间快，可对变压器进行的实时保护，当发现保护开关断开时，可获知变压器出现了内部短路故障，以及时对变压器进行维修。
本实施例中只是提供一种形式的第一开关组件和第二开关组件，上述的第一开关组件和第二开关组件可有多种方式，并不限于本实施例所提供的方式。例如，第一开关组件可以为由其他类型的继电器和电力电子器件组成的电路，通过设计继电器和电力电子器件的串并联等连接方式以实现上述的功能。图3为本发明又一实施例所提供的变压器过流保护装置的电路图，如图3所示，本实施例的保护装置，在图2所示电路图的基础上，还包括继电器15，其中，继电器15的输入端、第一过流继电器113的输出端常开触点1131和第二过流继电器123的输出端常开触点 1231均串接于一电压源16的两端；继电器15的输出端常开触点151串接于变压器13输入线路中的保护开关14的控制线路141中。本实施例中，将继电器的输出端常开触点作为控制是否接通变压器输入线路中的保护开关的控制线路的开关。当第一过流继电器和第二过流继电器的输出端常开触点均闭合时，将接通电压源，使继电器的输入端有电流通过，从而，继电器中线圈得电，使继电器的输出端常开触点闭合，从而接通了变压器输入线路中的保护开关的控制线路，使保护开关断开，断开了变压器的输入线路，变压器中不再有电流流过，对变压器起到了保护作用。图4为本发明又一实施例所提供的变压器过流保护装置的部分结构的电路图，如图4所示，上述的第一二极管114和第二二极管IM均包括两组并联的二极管，且每组中包括两个串联的二极管。本实施例中，可设置端子连接器，电流互感器10的二次绕组102两端分别连接至接线端子a和b，第一过流继电器113的输入端连接至接线端子a，第二过流继电器123的输入端连接至接线端子b，接线端子c和d连接至变压器输入线路中的保护开关的控制线路中，第一过流继电器113的输出端常开触点1131连接至接线端子c，第二过流继电器123 的输出端常开触点1231连接至接线端子d。本实施例，通过将上述的多个二极管串联或并联的连接方式，可增加每个二极管所在支路承受电流的容量，以适应对不同容量变压器进行过流保护的需求。本发明实施例还提供可一种电力机车，包括变压器13和受电弓17，变压器13的输入线路与受电弓17相连，且变压器13的输入线路中连接有保护开关14，还包括本发明实施例提供的过流保护装置。图5为将本发明实施例所提供的变压器过流保护装置应用于电力机车上部分结构的电路图，如图5所示，在电力机车中，通常将主断路器32作为保护开关，受电弓17用于从接触网18取得电能，采用的变压器为牵引变压器31，主断路器32设置于牵引变压器的输入线路中，并且，专门的设置有列车控制线路19和主断路器的控制线路20，此时，可将第一过流继电器113的输出端常开触点1131和第二过流继电器123的输出端常开触点1231 均串接于列车控制线路中19，继电器15的输出端常开触点151串接于主断路器的控制线路 20中。该电力机车，通过采用本发明实施例所提供的保护装置，可对电力机车中的变压器，特别是电力机车中的牵引变压器提供过流保护，可达到鉴别励磁涌流和短路电流，以选择是否对变压器进行保护的目的，避免发生励磁涌流时也断开变压器对列车正常运行产生的影响，避免列车晚点运行。同时，也起到对整车牵引系统保护的作用，保证列车的安全运行，并为乘客的安全提供保障。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技 术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
权利要求
1.一种变压器过流保护装置，其特征在于，包括电流互感器，所述电流互感器的一次绕组串接于变压器的输入线路中； 第一开关组件和第二开关组件，所述第一开关组件的控制端、第二开关组件的控制端和所述电流互感器的二次绕组形成电流回路；所述第一开关组件的被控开关和第二开关组件的被控开关串接于变压器输入线路中的保护开关的控制线路中；其中，在交流电流正半周期流过所述第一开关组件的控制端的状态下，所述第一开关组件的控制端控制所述第一开关组件的被控开关闭合设定时间，在交流电流负半周期流过所述第二开关组件的控制端的状态下，所述第二开关组件控制端控制所述第二开关组件的被控开关闭合设定时间，所述设定时间大于交流电流周期的二分之一，所述交流电流正半周期和负半周期的有效值均大于设定门限值。
2.根据权利要求1所述的变压器过流保护装置，其特征在于所述第一开关组件包括第一过流继电器和第一二极管，所述第二开关组件包括第二过流继电器和第二二极管，其中，所述电流互感器的二次绕组与所述第一过流继电器的输入端和第二过流继电器的输入端形成电流回路；所述第一二极管并联于所述第一过流继电器的输入端，所述第二二极管并联于所述第二过流继电器的输入端，且所述第一二极管和第二二极管的导通方向相反；所述第一过流继电器的输出端常开触点和所述第二过流继电器的输出端常开触点均串接于变压器输入线路中的保护开关的控制线路中；其中，在交流电流正半周期，所述第一二极管导通，在交流电流负半周期，所述第二二极管导通。
3.根据权利要求2所述的变压器过流保护装置，其特征在于，还包括继电器，所述继电器的输入端、所述第一过流继电器的输出端常开触点和所述第二过流继电器的输出端常开触点均串接于一电压源的两端；所述继电器的输出端常开触点串接于变压器输入线路中的保护开关的控制线路中。
4.根据权利要求2或3所述的变压器过流保护装置，其特征在于，还包括所述第一二极管和第二二极管均包括两组并联的二极管，且每组中包括两个串联的二极管。
5.一种电力机车，包括变压器和受电弓，所述变压器的输入线路与所述受电弓相连，且所述变压器的输入线路中连接有保护开关，其特征在于还包括权利要求1-4任一所述的过流保护装置。
全文摘要
本发明提供一种变压器过流保护装置和电力机车，该装置包括电流互感器、第一开关组件和第二开关组件，其中，电流互感器的一次绕组串接于变压器的输入线路中；第一开关组件的控制端、第二开关组件的控制端和电流互感器的二次绕组形成电流回路；第一开关组件的被控开关和第二开关组件的被控开关串接于变压器输入线路中的保护开关的控制线路中。该保护装置不需要设计复杂的程序和开发适合的算法，并设置执行该程序和算法的计算机，只通过各种硬件电路即可达到鉴别励磁涌流和短路电流，以选择是否对变压器进行保护的目的，该装置实现简单，成本低。
文档编号H02H3/08GK102437551SQ201110392098
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者王师昂 申请人:唐山轨道客车有限责任公司