保護(hù)低壓隔離變壓器所用的斷路器及其參數(shù)設(shè)置

廈門(mén)ABB低壓電器設(shè)備有限公司 張白帆

一.變壓器的參數(shù)、斷路器參數(shù)與故障分析

在某工程中低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備的輸出回路之一是一臺(tái)低壓的隔離變壓器，其參數(shù)是：

工程師為這臺(tái)隔離變壓器選擇了ABB的塑殼開(kāi)關(guān)S5H400R400，其額定電流是400A，分?jǐn)嗄芰κ?5kA，脫扣器采用L-I兩段保護(hù)，即過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限L參數(shù)保護(hù)和短路瞬時(shí)I參數(shù)保護(hù)。那么使用的情況怎樣呢？

當(dāng)把S5H400R400合閘后，該斷路器就立即跳閘。經(jīng)檢查，此斷路器沒(méi)有任何問(wèn)題，其它設(shè)備也沒(méi)有任何故障。顯然，問(wèn)題出在斷路器與變壓器的配合上，是斷路器不能承載變壓器的起動(dòng)勵(lì)磁電流而采取的保護(hù)動(dòng)作。

二.變壓器的勵(lì)磁涌流

變壓器的容量有如下關(guān)系存在：

式中：

SN — —變壓器的容量

UN1— —變壓器一次側(cè)額定電壓

IN1 — —變壓器一次側(cè)額定電流

UN2— —變壓器二次側(cè)額定電壓

IN2 — —變壓器二次側(cè)額定電流

當(dāng)變壓器空載運(yùn)行時(shí)，一次側(cè)產(chǎn)生了空載磁勢(shì)i0W1，在空載磁勢(shì)的作用下產(chǎn)生了空載磁通和空載電流，即空載電流即勵(lì)磁電流。

空載磁通分為兩個(gè)部分：其一是同時(shí)環(huán)鏈一次繞組和二次繞組的主磁通，用Φ表示；其二是只環(huán)鏈一次繞組本身而不環(huán)鏈二次繞組的的漏磁通，用ΦS1表示。主磁通的路徑為主磁路，磁阻相對(duì)較??；漏磁通的路徑是變壓器外殼和其它鐵磁材料和非鐵磁材料，其磁阻相當(dāng)大。因此主磁通比漏磁通的數(shù)值上要大數(shù)百倍，故本處忽略漏磁通而主要討論主磁通。

勵(lì)磁電流中的磁化電流I0R為勵(lì)磁電流的無(wú)功分量，而變壓器的磁滯損耗和渦流損耗代表著勵(lì)磁電流的有功分量，即I0A。所以，變壓器勵(lì)磁電流由無(wú)功分量和有功分量組成：

變壓器空載運(yùn)行時(shí)的等值電路如下：

式中：

r1 — —漏磁通電阻

jx1 — —漏磁通電抗

rm — —?jiǎng)?lì)磁電阻

jxm — —?jiǎng)?lì)磁電抗

E1 — —一次繞組感應(yīng)電勢(shì)

所以變壓器一次側(cè)電壓方程為：

通常電網(wǎng)電壓近似為恒壓，變壓器運(yùn)行時(shí)，rm和xm近似為常數(shù)，且rm遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于xm，因此變壓器在空載運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率很大，而有功功率很小。

變壓器在工作狀態(tài)下的勵(lì)磁電流僅為額定電流的3~6%,由其建立的穩(wěn)態(tài)磁通ФW與電源電壓的關(guān)系是：

圖1：α＝0°，ФΣ=0.9Фm時(shí)空載投入變壓器時(shí)的磁通變化情況

降空載的變壓器投運(yùn)時(shí)，其磁通Ф為：

其中ФΣ為：

根據(jù)空載投入時(shí)變壓器鐵芯內(nèi)磁通的變化及鐵芯磁化曲線(xiàn)，可以求出相應(yīng)的勵(lì)磁涌流曲線(xiàn)，其值為：

式中：

XL=ωL為合閘回路的基波阻抗。

由上式中可見(jiàn)，當(dāng)Um一定時(shí)，穩(wěn)態(tài)磁通峰值就一定，而總磁通的最大值是隨暫態(tài)磁通的變化而變化的。當(dāng)α＝0時(shí)，暫態(tài)磁通最大，則勵(lì)磁涌流的峰值也最大。

下圖為典型的單相變壓器中的勵(lì)磁涌流波形圖：

我們從圖中可以看出，單相變壓器空載勵(lì)磁涌流的波形中最初幾個(gè)波形衰減迅速，然后就緩慢衰減。一般地，衰減的速率取決于主回路的時(shí)間常數(shù)τ，τ＝L/R。在實(shí)際狀態(tài)下，由于隨著變壓器鐵芯的飽和狀態(tài)變化，L也相應(yīng)地改變。因此在開(kāi)始的幾個(gè)周波內(nèi)，因?yàn)樽儔浩麒F芯飽和程度高，所以L(fǎng)較小，隨著回路中的損耗阻尼作用使飽和程度降低，L也隨之增大，使得時(shí)間常數(shù)τ逐漸變大。另外，電源到變壓器的線(xiàn)路電阻也影響到勵(lì)磁涌流的衰減速率。

一般地，涌流時(shí)間的變換范圍從小變壓器的10個(gè)周波到大變壓器的1分鐘左右。

三相變壓器的勵(lì)磁涌流于單相變壓器的勵(lì)磁涌流相同，其大小和波形與變壓器空載合閘時(shí)的初相角、剩磁的大小和方向、鐵芯材料、系統(tǒng)阻抗等條件相關(guān)。可見(jiàn)三相變壓器的空載勵(lì)磁涌流的分析是比較復(fù)雜的。

為了在實(shí)際工程中簡(jiǎn)化分析方法，也可采用類(lèi)似變壓器短路電流的方法來(lái)簡(jiǎn)化勵(lì)磁涌流的計(jì)算。

我們來(lái)看右圖：

當(dāng)T2送電時(shí)，T2中還未建立勵(lì)磁電流，母線(xiàn)電壓加載在變壓器的初級(jí)繞組阻抗上，因此將會(huì)產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流，隨著時(shí)間的推移，空載勵(lì)磁電流將迅速衰減。

因?yàn)門(mén)2是隔離變壓器，因此變壓器的勵(lì)磁涌流接近于短路電流。

以下對(duì)變壓器的短路電流進(jìn)行分析：

上圖中，ip為短路時(shí)的沖擊短路電流，而ik為短路的周期分量。

當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，因?yàn)槎搪非昂蟮碾娫措妷翰蛔?，而短路前后的阻抗卻由負(fù)載阻抗變換為線(xiàn)路阻抗和變壓器的繞組阻抗，因此短路電流非常大。

變壓器的短路電流中經(jīng)歷了短路的衰減過(guò)程，從沖擊短路電流ip衰減到穩(wěn)定短路電流或短路電流的周期分量iK。

據(jù)此，可得出沖擊電流ip的表達(dá)式如下：

式中：

ip— —沖擊短路電流

SN— —變壓器容量

UN— —變壓器一次側(cè)額定容量

USR— —變壓器阻抗電壓

IN— —變壓器額定工作電流

類(lèi)似地，我們也定義變壓器的勵(lì)磁涌流為：

考慮到通用情況，電力變壓器的阻抗電壓USR的取值一般為4%、6%、8%等等，而控制變壓器的阻抗電壓則大多為4%、6%，所以變壓器的起動(dòng)勵(lì)磁涌流不超過(guò)變壓器額定電流的30倍，起動(dòng)勵(lì)磁涌流的維持時(shí)間不小于20毫秒，但一般不會(huì)大于150毫秒。因此，對(duì)變壓器實(shí)施保護(hù)的斷路器在此范圍內(nèi)不能實(shí)施保護(hù)脫扣操作。

對(duì)于前述的隔離變壓器，其參數(shù)是：容量SN=250kVA，一次側(cè)額定電壓UN1=400V，二次側(cè)額定電壓UN2=230V，阻抗電壓USR=4%。

將阻抗電壓為4%代入上式，可得：

由此看出，250kVA低壓系統(tǒng)隔離變壓器的起動(dòng)沖擊電流大約為25倍的額定電流。

再以T2的一次側(cè)額定電壓代入，可得如下具體參數(shù)：

由此可知，原先采用的S5H400R400開(kāi)關(guān)就是因?yàn)镮短路參數(shù)不能實(shí)現(xiàn)延遲脫扣，因而對(duì)變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流執(zhí)行短路保護(hù)脫扣而跳閘的。

三.如何配置變壓器的保護(hù)斷路器

從上文中我們可以知道，該變壓器額定電流為361A，而起動(dòng)電流為9kA。那么如何來(lái)選擇保護(hù)斷路器呢？

低壓斷路器不象中壓繼保裝置可以實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)方式，低壓斷路器的保護(hù)方式只有過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)和短路瞬時(shí)等三種反時(shí)限保護(hù)參數(shù)。在這里，我們必須用斷路器的短路短延時(shí)S參數(shù)保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)斷路器對(duì)變壓器的起動(dòng)閉鎖和短路保護(hù)。

我們來(lái)看斷路器的保護(hù)特性：

上圖為斷路器的L-S保護(hù)特性曲線(xiàn)。其中【過(guò)載保護(hù)】用于變壓器的常態(tài)過(guò)載保護(hù)，而【起動(dòng)屏蔽】則用于變壓器對(duì)起動(dòng)沖擊電流實(shí)施脫扣屏蔽，而【短路保護(hù)】則用于變壓器的短路保護(hù)脫扣。

顯見(jiàn)，為變壓器執(zhí)行保護(hù)的斷路器必須具備L-S保護(hù)類(lèi)型，即使用類(lèi)別為B的斷路器。最重要的是：短延時(shí)的時(shí)間延遲必須大于20毫秒，不妨取為0.1秒。這樣，當(dāng)發(fā)生了短路后，斷路器能在延遲0.1秒后跳閘，而此前的參數(shù)則可用于對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流實(shí)施保護(hù)屏蔽。

四.選擇斷路器舉例

我們來(lái)看ABB的塑殼S開(kāi)關(guān)的有關(guān)參數(shù)。ABB的塑殼開(kāi)關(guān)最大規(guī)格是S7開(kāi)關(guān)，S7開(kāi)關(guān)的電流選擇表如下：

?

因?yàn)閿嗦菲鞯亩萄訒r(shí)S一般為額定電流的1~10倍，所以對(duì)于T2變壓器來(lái)說(shuō)，只能采用S7斷路器，其額定電流為1000A，而短延時(shí)電流為10kA滿(mǎn)足T1變壓器起動(dòng)勵(lì)磁涌流9kA的要求。

再看S7斷路器的短延時(shí)脫扣時(shí)間的整定值：

從表格中看到，當(dāng)S7開(kāi)關(guān)的S脫扣在t2=0.1秒的延時(shí)下脫扣電流倍數(shù)為8倍In，不滿(mǎn)足250kVA變壓器的起動(dòng)勵(lì)磁涌流的屏蔽要求。

我們?cè)倏碋max短路器的參數(shù)：

我們不妨選擇E1B1000開(kāi)關(guān)。我們?cè)倏碋開(kāi)關(guān)的保護(hù)參數(shù)：

從表中可以看出，當(dāng)S反時(shí)限保護(hù)參數(shù)在10In的電流下其脫扣時(shí)間可調(diào)整到0.1秒。

因此，對(duì)于T2斷路器來(lái)說(shuō)，最合適的斷路器就是E1B1000斷路器，且脫扣采用PR121/P L-S-I，其中I參數(shù)關(guān)閉。

所以工程師在實(shí)際操作中應(yīng)該根據(jù)參數(shù)設(shè)置選擇符合需要且最具備安全系數(shù)的斷路器系統(tǒng)。