限流器在大容量變壓器低壓側(cè)的研究和應(yīng)用

王中龍 ，張 營(yíng) ，高 慧 ，戴嘉彤 ，史 楠 ，史 琳

（1.山東電力集團(tuán)泰安供電公司，山東 泰安 271000；2.山東科技大學(xué)，山東 泰安 266510；3.肥城市供電公司，山東 肥城 271600）

0 引言

隨著電源容量增長(zhǎng)和電網(wǎng)的擴(kuò)大，地區(qū)電網(wǎng)的網(wǎng)際互聯(lián)日趨緊密，中壓電網(wǎng)變壓器容量增大，小容量電源也不斷并入大電網(wǎng)，在電網(wǎng)輸電能力提高的同時(shí)，系統(tǒng)短路電流水平快速上升，很多地方短路電流超過(guò)了100 kA，要求輸配電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電器的開(kāi)斷能力進(jìn)一步提高，同時(shí)采取有效的短路電流限制措施。 否則，可導(dǎo)致電力系統(tǒng)主設(shè)備損毀，造成大面積停電。

在大容量主變低壓側(cè)常接有并補(bǔ)電抗器、并補(bǔ)電容器或直配線路，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)發(fā)生近區(qū)故障時(shí)，短路電流大多超過(guò)31.5～40 kA，部分達(dá)到60 kA以上水平。目前變電站通用斷路器的開(kāi)斷能力不超過(guò)40 kA，全開(kāi)斷時(shí)間為100 ms以上，對(duì)付更大短路電流已經(jīng)無(wú)能為力；而特制的可開(kāi)斷63～100 kA短路電流的發(fā)電機(jī)斷路器則造價(jià)驚人，每臺(tái)售價(jià)數(shù)百萬(wàn)元人民幣。從而造成設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)合適的通用斷路器可選，有時(shí)選擇高一級(jí)電壓等級(jí)的斷路器，或不得已取消該斷路器，但運(yùn)行中仍然發(fā)生該斷路器爆炸或主變損毀的事故。

由于變壓器廠沒(méi)有能力對(duì)變壓器進(jìn)行抗短路沖擊試驗(yàn)，以及設(shè)計(jì)、工藝和運(yùn)行維護(hù)等問(wèn)題，造成部分廠家變壓器抗短路能力先天不足。各地均有案例，即短路電流僅10～15 kA、斷路器正常跳閘情況下，由于斷路器開(kāi)斷時(shí)間長(zhǎng)，即使開(kāi)斷了短路電流，但變壓器在短路后第一半波到第二個(gè)半波（20 ms）時(shí)間內(nèi)，因繞組經(jīng)受不住短路電流電動(dòng)力的沖擊，發(fā)生變形移位和內(nèi)部電弧放電，仍使變壓器損毀，給企業(yè)和社會(huì)造成重大損失。 國(guó)網(wǎng)公司關(guān)于變壓器事故的文件指出：“有的新投運(yùn)變壓器外部短路一、二次即遭損毀，……對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成威脅，運(yùn)行部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)管理，降低變壓器的出口短路電流”。

近年來(lái)，限流器技術(shù)的飛速發(fā)展為大容量變壓器低壓側(cè)快速短路保護(hù)提供了新的途徑。限流器是一種具有很強(qiáng)開(kāi)斷短路電流能力的超高速開(kāi)關(guān)，能夠在發(fā)生短路故障后、在短路電流瞬時(shí)值還遠(yuǎn)未上升到峰值之前的約1/4個(gè)工頻半波前后開(kāi)始動(dòng)作限流、在一個(gè)半波的時(shí)間內(nèi)將短路電流完全開(kāi)斷，從而起到限制短路電流、保護(hù)主電力設(shè)備的作用。將具有超高速開(kāi)斷和超強(qiáng)短路開(kāi)斷能力的新型DDXK1型大電流限流開(kāi)斷器（限流器）和通用真空斷路器相串聯(lián)，用作大容量變壓器10 kV側(cè)的快速短路保護(hù)，對(duì)電力系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 DDXK1大電流限流開(kāi)斷器（限流器）原理和結(jié)構(gòu)

DDXK1大電流限流開(kāi)斷器（簡(jiǎn)稱限流器）是一種具有很強(qiáng)開(kāi)斷短路電流能力的超高速開(kāi)關(guān)，能夠在發(fā)生短路故障后、在短路電流瞬時(shí)值還遠(yuǎn)未上升到峰值之前的約1/4個(gè)工頻半波前后開(kāi)始動(dòng)作限流、在一個(gè)半波的時(shí)間內(nèi)將短路電流完全開(kāi)斷，從而起到限制短路電流、保護(hù)主電力設(shè)備的作用。

它由3個(gè)分相安裝的本體部分和1個(gè)共用的低壓信號(hào)控制箱構(gòu)成。每相本體部分由快速隔離器、特種限流熔斷器、高壓側(cè)電子控制器、隔離變壓器、支柱絕緣子和槽鋼底座等部件構(gòu)成，如圖1所示。部件及其信號(hào)控制線連接示意圖如圖2所示。

圖1 單相產(chǎn)品外觀及原理接線圖

圖2 DDXK1部件及其信號(hào)控制線連接示意圖

工作原理如圖3所示。

1）快速隔離器導(dǎo)流銅排斷口6的下面，放置有微型炸藥5，羅果夫?qū)Я鱾鞲衅?的輸出信號(hào)送到電子控制器3，電子控制器3的輸出信號(hào)送到炸藥5。

2）正常運(yùn)行情況下，快速隔離器1和特種高壓限流熔斷器2并聯(lián)，負(fù)荷電流主要由快速隔離器1中流過(guò)。

3）發(fā)生短路時(shí)由羅果夫電流傳感器4檢測(cè)短路電流信號(hào)（t1≤1 ms）后，電子控制器3輸出點(diǎn)火信號(hào)，引爆炸藥5，快速隔離器1的斷口6被火藥炸斷，斷口 6 高速斷開(kāi)（t2≈200 μs）。

4）短路電流轉(zhuǎn)移到特種高壓限流熔斷器2中，熔斷器開(kāi)始熔化（t3≈1 ms）；

5）經(jīng)過(guò)t4≈2～4 ms之后，熔斷器2熄滅電弧，將短路電流開(kāi)斷。

6）快速隔離器由高強(qiáng)度玻璃鋼構(gòu)成，為密封結(jié)構(gòu)，動(dòng)作時(shí)無(wú)噪聲和煙塵外泄。

此時(shí)的短路電流波形如圖4所示。i1為預(yù)期短路電流波形，i2為DDXK1動(dòng)作后短路電流波形。實(shí)際出現(xiàn)的短路電流的峰值Ic在第一個(gè)半波被限制到預(yù)期短路電流峰值的（20～45）%，i2的持續(xù)時(shí)間僅約3～6 ms，保護(hù)了主設(shè)備免受損壞。

圖3 DDXK動(dòng)作過(guò)程示意圖

動(dòng)作后，低壓信號(hào)控制箱上動(dòng)作相紅燈變?yōu)榫G燈。

圖4 短路電流波形圖

2 部件連接

DDXK1限流器部件及其信號(hào)控制線連接示意圖見(jiàn)圖2、圖5，包括以下部分。

1）快速隔離器1和特種高壓限流熔斷器2。兩者在電氣上是并聯(lián)的，通過(guò)兩側(cè)的母排串接在電路中。

2）電子控制器3。固定在母排之上，處于高電位運(yùn)行。電子控制器3上有兩個(gè)多芯電纜插座，一個(gè)為標(biāo)有“CH-1電源”的銀色插座，和來(lái)自隔離變壓器4高壓側(cè)繞組的銀色電纜插頭相連；另一個(gè)為標(biāo)有“CH-2信號(hào)”的棕色插座，和來(lái)自快速隔離器1（羅果夫斯基線圈式電流傳感器密封在其中）的信號(hào)電纜插頭相連。

圖5 隔離變壓器接線示意圖

3）低壓信號(hào)控制箱?？傠娫礊閬?lái)自變電站220 V交流電源和直流系統(tǒng)的220 V直流電源。 電源入口裝有雙極220 V直流開(kāi)關(guān)和單極220 V交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)，另有單極220 V交流負(fù)載開(kāi)關(guān)。當(dāng)變電站220 V交流電源異常時(shí)，220 V直流電源通過(guò)內(nèi)部UPS提供后備電源。低壓信號(hào)控制箱內(nèi)部部件的配置見(jiàn)圖6。

4）低壓信號(hào)控制箱內(nèi)部的印刷電路板。子排上有三對(duì)12 V交流電源輸出端子，從其上分別引三根低壓電纜接到A、B、C相三個(gè)隔離變壓器4的低壓側(cè)輸入端，隔離變壓器4的高壓側(cè)輸出24 V和45 V兩組電壓，用于高壓側(cè)電子控制器3的電源及動(dòng)作信號(hào)傳輸。

圖6 低壓信號(hào)控制箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

5）低壓信號(hào)控制箱的面板。其上有A、B、C三組紅/綠燈，當(dāng)DDXK1投運(yùn)時(shí)三相紅燈亮，當(dāng)某相動(dòng)作時(shí)，該相對(duì)應(yīng)的紅燈熄滅、綠燈亮，同時(shí)，動(dòng)作記數(shù)器會(huì)記錄一次動(dòng)作。

3 低壓信號(hào)控制箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

內(nèi)部部件配置示意圖見(jiàn)圖6，電源控制接線如圖7所示，印刷電路板元件布置見(jiàn)圖8，其中：K1為雙極直流空開(kāi)，為220 V直流電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)；K2為單極交流空開(kāi)，為220 V交流電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)；K3為單極交流空開(kāi)，為220 V交流負(fù)載開(kāi)關(guān)。端子排上的P1、P2端子是將220 V交流電壓引到印刷電路板及BY1變壓器的接口。

圖7 低壓信號(hào)控制箱電源控制接線圖

圖8 中CH1為變壓器BY1的兩路12 V電壓輸出到印刷電路板的插件，CH2為端子排，CH3為220 VAC過(guò)度插件，R1、R2、R3為信號(hào)取樣電阻，B1、B2、B3 為整流模塊，C1、C2、C3 為濾波電容，LED-A、LED-B、LED-C 為 A、B、C 相信號(hào)指示燈或信號(hào)指示燈插件，RL1、RL2、RL3為中間信號(hào)繼電器，Ja、Jb、Jc 為 A、B、C 相動(dòng)作信號(hào)繼電器，Jz為總信號(hào)繼電器（A、B、C任意相動(dòng)作，此繼電器都動(dòng)作），Jy為失電信號(hào)繼電器。

圖8 低壓信號(hào)控制箱印刷電路板元件布置示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案

為便于施工，將DDXK1本體部分安裝在10kV戶外母線橋上。為此，將原有母線橋截?cái)啵瑢DXK1本體安裝在母線橋的鋼架上，再將導(dǎo)流排兩端分別和原有母排聯(lián)連接，使之串入母線橋之中。安裝示意圖如圖9所示。

將DDXK1的二次部件低壓信號(hào)控制箱安裝在10 kV配電室的內(nèi)墻上，由其引出3根Φ10 mm雙芯屏蔽電纜，通過(guò)配電室電纜溝，分別引出到三相隔離變壓器，為隔離變壓器提供12 V/1 A交流電壓；另外，由配電室電源盤(pán)分別接引一根AC220V/1 A鎧裝電源電纜線和一根DC220 V/1 A鎧裝電源電纜線到低壓信號(hào)控制箱，作為DDXK1的220V交流電源（工作電源）和220 V直流電源（后備電源）。

圖9 DDXK1在母線橋上安裝示意圖

另外，將低壓信號(hào)控制箱內(nèi)的第一對(duì)常開(kāi)接點(diǎn)（ZO1-ZG1）連接到斷路器DL1的跳閘回路，使DDXK1動(dòng)作后聯(lián)動(dòng)DL1跳閘，避免DDXK1兩相動(dòng)作時(shí)引起的非全相運(yùn)行。將第二對(duì)常開(kāi)接點(diǎn)（ZO2-ZG2）接到信號(hào)回路，作為DDXK1動(dòng)作信號(hào)遠(yuǎn)傳；將另一對(duì)常開(kāi)接點(diǎn)（YO1-YG1）接到信號(hào)回路作為DDXK1失電信號(hào)（失去220 V工作電源）遠(yuǎn)傳。

5 運(yùn)行維護(hù)

5.1 投運(yùn)前的檢查和試驗(yàn)

DDXK1安裝就位后，清除各部件及母線支柱絕緣子上的灰塵雜物。

檢查全部緊固螺絲有無(wú)松動(dòng)，低壓控制箱內(nèi)部及其它二次線有無(wú)脫落。

檢查隔離變壓器高壓及低壓側(cè)接線是否正確、完好。

由廠家人員安裝高壓側(cè)電子控制器。

用萬(wàn)用表歐姆檔檢查高壓側(cè)電子控制器外殼與高壓母線連接是否可靠。

投運(yùn)前的試驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

表1 投運(yùn)前的試驗(yàn)項(xiàng)目

5.2 DDXK1投運(yùn)步驟

打開(kāi)低壓信號(hào)控制箱的箱門(mén)，按順序合直流電源開(kāi)關(guān)K1及交流電源開(kāi)關(guān)K2，UPS啟動(dòng)。此時(shí)，UPS面板會(huì)出現(xiàn)正常顯示，且不會(huì)發(fā)出異常報(bào)警聲。

合上交流電源開(kāi)關(guān)K3，低壓信號(hào)控制箱投入工作，DDXK1投入運(yùn)行。

此時(shí)低壓信號(hào)控制箱面板上三相紅燈均應(yīng)點(diǎn)亮，而三相綠燈均應(yīng)處于熄滅狀態(tài)。 用數(shù)字萬(wàn)用表交流電壓檔測(cè)量P1、P2端子之間電壓在220 V附近。

關(guān)閉低壓信號(hào)控制箱的箱門(mén)并鎖緊。

5.3 DDXK1退出運(yùn)行步驟

打開(kāi)低壓信號(hào)控制箱的箱門(mén)，依次斷開(kāi)交流電源開(kāi)關(guān)K3、K2、K1，控制箱面板上三相紅/綠燈全部熄滅，DDXK1即退出運(yùn)行，此時(shí)DDXK1的一次主回路相當(dāng)于短接的銅母線，對(duì)短路電流信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生任何反應(yīng)。

5.4 DDXK1運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

定期巡視DDXK1的所有部件。隔離變壓器和支柱絕緣子表面有無(wú)污染或異物，母排的螺栓連接處有無(wú)發(fā)熱和變色痕跡，限流熔斷器的撞擊器是否動(dòng)作（打出撞針），快速隔離器絕緣筒表面有無(wú)動(dòng)作（變色）痕跡等。

定期巡視低壓信號(hào)控制箱上的運(yùn)行狀態(tài)指示燈，三相紅燈亮?xí)r，表示正常運(yùn)行。

當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)表示該相已經(jīng)動(dòng)作：某相紅燈熄滅而綠燈點(diǎn)亮；某相限流熔斷器的撞擊器已經(jīng)動(dòng)作（打出撞針）；低壓信號(hào)控制箱內(nèi)動(dòng)作記數(shù)器顯示的數(shù)字比起始數(shù)增加了1個(gè)數(shù)字。此時(shí)應(yīng)及時(shí)向生產(chǎn)及調(diào)度報(bào)告，并通知廠家；檢查并記錄與之串聯(lián)的斷路器的跳閘情況；調(diào)查了解發(fā)電廠/變電站內(nèi)以及線路上的情況；DDXK1動(dòng)作后，動(dòng)作相的綠燈持續(xù)保持點(diǎn)亮狀態(tài)，應(yīng)盡快安排，將DDXK1停運(yùn)（依次斷開(kāi)低壓信號(hào)控制箱中的交流電源開(kāi)關(guān)K3、K2、K1），同時(shí)斷開(kāi)DDXK1兩側(cè)的隔離開(kāi)關(guān)，在DDXK1停電的狀態(tài)下，更換DDXK1的動(dòng)作過(guò)的部件——特種限流器熔斷器及快速隔離器。

對(duì)低壓信號(hào)控制箱內(nèi)的繼電器接點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可用于進(jìn)行遙信、斷路器聯(lián)動(dòng)或遠(yuǎn)方報(bào)警。

5.5 更換動(dòng)作部件的程序

更換動(dòng)作部件的程序如圖10所示（在斷開(kāi)低壓信號(hào)控制箱內(nèi) K3、K2、K1電源開(kāi)關(guān)情況下進(jìn)行）。

1）從電子控制器3的標(biāo)有“CH-2信號(hào)”的棕色插座上拔下棕色信號(hào)電纜插頭。

2）拆下快速隔離器1兩端的各4個(gè)M20（或M16）螺栓，同時(shí)取下快速隔離器1和特種限流熔斷器2。

3）拆下特種限流熔斷器2兩端的“Z”字形紫銅支撐彎頭，并將其用M8螺栓分別固定到待換的新特種限流熔斷器2的兩端。

圖10 更換動(dòng)作部件示意圖

4）拆下快速隔離器1兩端的正方形紫銅墊塊，將其鑲?cè)氪龘Q的快速隔離器1兩端的雙銅排之間，將安裝孔對(duì)齊。

5）整體裝入新快速隔離器1（其上帶信號(hào)電纜插頭）及特種限流熔斷器2，將母排的安裝孔和快速隔離器的安裝孔對(duì)齊。

6）緊固快速隔離器1兩端的各4個(gè)M20（或M16）螺栓。

7）將棕色信號(hào)電纜插頭插到電子控制器3的標(biāo)有“CH-2信號(hào)”的棕色插座上。

8）更換完畢。

6 結(jié)語(yǔ)

DDXK1大電流限流開(kāi)斷器技術(shù)先進(jìn)，功能齊備，安全可靠，可以降低變壓器出口短路電流，提高變壓器保護(hù)水平，解決大容量變壓器短路損毀的難題，是一種具有可行性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的新措施。