淺談主變低壓側(cè)近區(qū)相間短路故障及限流技術(shù)

白永平，王 進(jìn)，米海軍，劉玉斌

（陜西北元化工集團(tuán)有限公司，陜西 榆林719319）

1 技術(shù)背景

某公司10 kV 系統(tǒng)發(fā)生多起短路故障， 主要以電纜終端頭及過電壓保護(hù)器絕緣擊穿短路故障為主， 在10 kV 配電室內(nèi)發(fā)生的短路故障因距離主變較近，短路電流較大，導(dǎo)致該公司10 kV 系統(tǒng)發(fā)生相間短路故障后， 引起大面積停電事故和主變燒毀事故， 并使35 kV 系統(tǒng)受到大電流沖擊后出現(xiàn)35 kV電壓大幅波動(dòng)的情況， 給該公司電氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了較大的威脅。

2 原因分析

（1）該公司變電站10 kV 無功補(bǔ)償柜出線電纜C 相絕緣擊穿，引起B(yǎng)、C 相相間弧光短路，造成4#主變高、低壓側(cè)斷路器過流一段保護(hù)動(dòng)作跳閘，導(dǎo)致4#主變10 kV 側(cè)繞組燒毀。

（2）上游供電公司將送該企業(yè)變電站2#主變高壓側(cè)35 kV 進(jìn)線線路A、B 相接反，該公司變電站電氣人員在未對(duì)2# 主變低后備102 帶電核相試驗(yàn)情況下合閘， 導(dǎo)致1#、2# 主變并列運(yùn)行時(shí)兩路35 kV電源發(fā)生A、B 相短路故障。 事故造成2# 主變線圈絕緣擊穿燒毀。

（3）該公司某變電站熱空氣風(fēng)機(jī)高壓柜內(nèi)過電壓保護(hù)器B、C 相絕緣擊穿短路后，短路電流沖擊造成主變繞組燒毀。

從以上三起事故中發(fā)現(xiàn)當(dāng)10 kV 系統(tǒng)發(fā)生變壓器近區(qū)相間短路故障時(shí)， 最終都會(huì)因較大的短路電流沖擊而導(dǎo)致變壓器燒毀事故的發(fā)生。

隨著該公司擴(kuò)容改造項(xiàng)目的投入運(yùn)行， 電力系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量和容量越來越大， 電力系統(tǒng)的短路電流也呈直線上升的趨勢(shì)， 而常規(guī)的斷路器切除短路電流水平以及非周期能力有限， 雖然在短路故障發(fā)生后變壓器高、低壓側(cè)的斷路器均能可靠的動(dòng)作跳閘，但是由于分?jǐn)鄷r(shí)間較長(zhǎng)（分?jǐn)鄷r(shí)間在60～100 ms），無法在故障后首半波10 ms 以內(nèi)， 即短路電流尚未上升到峰值之前將故障電流完全分?jǐn)啵?變壓器都是因?yàn)榻?jīng)受不住首個(gè)半波短路電流的電動(dòng)力沖擊，而發(fā)生繞組位移、變形和電弧放電，最終發(fā)生損毀的。

3 抑制短路電流的措施

限制電氣設(shè)備短路電流的方法有很多， 可采用變壓器分列運(yùn)行、饋出線裝設(shè)限流電抗器、采用高阻抗變壓器、在變壓器低壓側(cè)母線裝設(shè)限流電抗器、變壓器低壓側(cè)母線直接串聯(lián)快速開關(guān)， 或者將限流電抗器和快速開關(guān)并聯(lián)后串聯(lián)接入變壓器低壓側(cè)母線。 然而， 眾多饋出線都裝設(shè)限流電抗器或者采用高阻抗變壓器這兩種方案都不經(jīng)濟(jì)。目前，國(guó)內(nèi)主要采用后三種方式限制短路電流， 這三種方式在國(guó)內(nèi)都已經(jīng)積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

4 三種抑制短路電流措施的對(duì)比分析

4.1 變壓器低壓側(cè)母線裝設(shè)限流電抗器

采用在變壓器低壓側(cè)串聯(lián)電抗器限流的方法，是可以將其短路電流限制在一定水平，從而保證10 kV饋線發(fā)生三相或兩相短路時(shí)變壓器能夠安全運(yùn)行。可是由于電抗器自身的特性， 將給系統(tǒng)帶來以下不可避免的問題。

（1）由于限流電抗器串聯(lián)在變壓器的低壓側(cè)，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)電抗器流過負(fù)荷電流， 必然會(huì)產(chǎn)生巨大的電能損耗，給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，按照變電站主變低壓側(cè)加裝UKR%=12%電抗器的損耗計(jì)算，投入運(yùn)行后年電費(fèi)經(jīng)濟(jì)損失可高達(dá)27 萬元。

（2）由于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)在電抗器上會(huì)產(chǎn)生電壓降，而這個(gè)電壓降隨負(fù)荷變化，將會(huì)影響供電電壓的質(zhì)量，特別是在較大功率的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電抗器上的電壓降會(huì)加劇， 將可能影響其它負(fù)荷的正常運(yùn)行，甚至造成有低電壓保護(hù)的設(shè)備跳閘。

（3）空心電抗器強(qiáng)大的漏磁場(chǎng)會(huì)使混凝土和通訊受到影響和干擾。一方面，樓板或基礎(chǔ)混凝土中的鋼筋在強(qiáng)大的漏磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生附加損耗，而且在長(zhǎng)期的震動(dòng)下，將使混凝土松軟，影響混凝土基礎(chǔ)和廠房的壽命。另一方面，強(qiáng)大的漏磁場(chǎng)將使通訊系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾， 甚至無法正常工作。

4.2 限流電抗器和快速開關(guān)并聯(lián)后串聯(lián)接入變壓器低壓側(cè)母線

限流電抗器和快速開關(guān)并聯(lián)后串聯(lián)接入變壓器低壓側(cè)母線，在變壓器正常運(yùn)行時(shí)，電流幾乎全部流過快速開關(guān)， 避免了變壓器低壓側(cè)回路中裝設(shè)限流電抗器出現(xiàn)的諸多問題。 當(dāng)10 kV 母線或10 kV 出線發(fā)生短路時(shí)，快速開關(guān)會(huì)快速斷開，投入限流電抗器限制短路電流， 使故障點(diǎn)的短路電流降低到主變可以承受的短路電流以內(nèi)， 從而保障主變和系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4.3 變壓器低壓側(cè)母線直接串聯(lián)快速開關(guān)

在變壓器低壓側(cè)母線直接串聯(lián)快速開關(guān)， 當(dāng)變壓器低壓側(cè)饋線發(fā)生三相或兩相短路時(shí)， 快速開關(guān)第一時(shí)間快速動(dòng)作， 使變壓器快速退出運(yùn)行而免受短路電流的沖擊，確保變壓器自身不會(huì)燒毀，但相比第二種解決方案來說，供電可靠性降低。但是采取此方案無需加蓋電抗器室， 快速開關(guān)可以采用組件方式安裝在主變室內(nèi)。既節(jié)省了投入成本，也能杜絕變壓器燒毀。

5 兩種快速開關(guān)抑制短路電流措施的性能比較

在抑制短路電流的措施中， 最關(guān)鍵的裝置就是快速開關(guān)，現(xiàn)在技術(shù)成熟的有兩種形式的快速開關(guān)，分別是快速真空斷路器和爆破橋式高速開關(guān)， 下面分別對(duì)使用這兩種快速開關(guān)抑制短路電流措施的性能進(jìn)行對(duì)比分析。

5.1 利用快速真空斷路器抑制短路電流措施分析

快速真空斷路器即具有選相開合閘功能的真空斷路器，它雖然使用了“高速渦流驅(qū)動(dòng)開關(guān)”以及“高速DSP 運(yùn)算”， 但是交流斷路器的最基本原理是過零開斷， 即只有在短路電流過零時(shí)， 才能夠熄滅電弧， 將短路電流開斷。 該產(chǎn)品是利用觸頭剛分時(shí)間的合理控制，確保各相均能臨界過零開斷。 因此，在短路電流的首個(gè)半波（10 ms）內(nèi)快速真空斷路器不能實(shí)現(xiàn)短路電流的全開斷。

例如發(fā)生一個(gè)短路電流為50 kA 的三相短路時(shí)， 該裝置動(dòng)作前后的短路電流的波形示意圖分別見圖1 和圖2。

圖1 為限流電抗器被短路，高速開關(guān)不動(dòng)作時(shí)的短路電流

圖2 為高速開關(guān)動(dòng)作后的短路電流

由圖1 和圖2 可知，發(fā)生短路后，即使“快速真空斷路器”在7 ms 時(shí)開始動(dòng)作，但在首個(gè)半波過零時(shí)才能完成“臨界過零開斷”，要到第二個(gè)半波，電抗器才能發(fā)揮限流作用。 雖然第二個(gè)半波開始短路電流被限制到15 kA， 但首個(gè)半波的50 kA 短路電流卻沒有躲過， 電抗器在關(guān)鍵時(shí)候應(yīng)當(dāng)起的作用沒有起到， 而變壓器就會(huì)在50 kA 短路電流的沖擊下發(fā)生短路損毀。 變壓器在運(yùn)行過程中都是因?yàn)榻?jīng)受不住首個(gè)半波短路電流的電動(dòng)力沖擊， 而發(fā)生繞組位移、變形和電弧放電，而發(fā)生損毀的。 躲不過首個(gè)半波的短路電流沖擊， 抑制短路電流保護(hù)變壓器的意義就沒有了。

5.2 利用爆破橋式高速開關(guān)抑制短路電流措施分析

與快速真空斷路器對(duì)比， 爆破橋式高速開關(guān)動(dòng)作前后電流波形見圖3 和圖4。

由圖3 和圖4 可知，發(fā)生短路故障后，快速開關(guān)約在1 ms 時(shí)動(dòng)作，電抗器約在1.5 ms 時(shí)投入，在5 ms之前，在短路電流尚未上升到峰值之前，電抗器完成投入將短路電流限制到15 kA。 從而保證電抗器在首個(gè)半波就發(fā)揮作用， 躲過了大短路電流對(duì)變壓器的沖擊，從而確保了變壓器的安全。

圖3 為限流電抗器被短路，高速開關(guān)不動(dòng)作時(shí)的短路電流

圖4 為高速開關(guān)動(dòng)作后的短路電流

綜上所述， 快速真空斷路器和爆破橋式高速開關(guān)雖然都屬于快速開關(guān)， 但是它們對(duì)短路電流的全開斷時(shí)間是不同的。

快速真空斷路器的開斷時(shí)間約在15 ms， 而爆破橋式高速開關(guān)的開斷時(shí)間可以控制在10 ms 以內(nèi)。 而抑制短路電流的關(guān)鍵點(diǎn)就在于快速開關(guān)能否在短路電流的首個(gè)半波（10 ms）內(nèi)實(shí)現(xiàn)短路電流的全開斷。 顯然， 快速真空斷路器則無法達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，只有爆破橋式高速開關(guān)才能實(shí)現(xiàn)。

6 爆破橋式高速開關(guān)動(dòng)作過程及原理（見圖5 和圖6）

t=0 短路故障發(fā)生

t=t1電子控制器探測(cè)到故障并建立點(diǎn)火信號(hào)，此時(shí)間與預(yù)期短路的大小、 電子控制器動(dòng)作整定值及短路發(fā)生時(shí)的相位角有關(guān)，此時(shí)間小于700 μs。

t=t2快速隔離器斷口打開， 電流轉(zhuǎn)移到限流熔斷器中，時(shí)間約（t1～t2）250 μs。

圖5 開關(guān)動(dòng)作過程

圖6 高速開關(guān)原理圖

t=t3熔斷器開始起弧，（t2～t3）為熔斷器弧前時(shí)間，根據(jù)短路電流的大小和熔斷器安秒特性曲線，此時(shí)間小于1 ms， 圖中的IC 即為限流熔斷器截流峰值。

t=t4熔斷器內(nèi)電弧熄滅，故障電流被徹底開斷，（t3～t4）為熔斷器的燃弧時(shí)間，一般低于5 ms。

由此可見，在預(yù)期短路電流尚未達(dá)到峰值之前，短路電流已被高速切斷。 實(shí)際通過電力設(shè)備的短路電流只有預(yù)期短路電流峰值的20%～50%，短路電流持續(xù)時(shí)間為1～3 ms 就開始截流，使變壓器免受短路電流峰值的沖擊保護(hù)了變壓器。

7 技術(shù)方案

（1）35 kV/10 kV 變壓器低壓側(cè)短路電流抑制方案概述

通過對(duì)各類限流措施的分析對(duì)比， 并根據(jù)該公司電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況， 選擇了兩種較為可靠的方式來抑制變壓器低壓側(cè)短路電流， 以保護(hù)變壓器不受短路電流的沖擊而燒毀。一種是直接在35 kV變壓器低壓10 kV 側(cè)母線串聯(lián)接入快速開關(guān)； 另一種是將限流電抗器和快速開關(guān)并聯(lián)后串聯(lián)接入變壓器低壓側(cè)母線。

（2）主變低壓側(cè)短路電流抑制方案

變電站2#主變和6#主變低壓側(cè)短路電流抑制方案是將限流電抗器和快速開關(guān)并聯(lián)后串聯(lián)接入變壓器低壓側(cè)母線。正常運(yùn)行時(shí)電抗器被短路，電流只從快速開關(guān)中流過， 當(dāng)10 kV 出線上發(fā)生短路故障時(shí)，快速開關(guān)快速斷開將限流電抗器投入進(jìn)行限流，以減小短路電流對(duì)主變的沖擊， 既保護(hù)了主變又不會(huì)造成供電中斷。 考慮到快速開關(guān)誤動(dòng)的可能性和這兩臺(tái)變壓器做為國(guó)電備用電源變壓器的重要性，采用此方案， 即使快速開關(guān)誤動(dòng)后也只是將電抗器投入系統(tǒng)， 不會(huì)造成主變低壓側(cè)母線開路而導(dǎo)致國(guó)電電源無法投入的情況。

對(duì)于其他變電站主變的限流措施，考慮到成本，只需要在主變的低壓側(cè)母線上串聯(lián)接入高速開關(guān)即可，當(dāng)10 kV 出線上發(fā)生短路故障時(shí)，快速開關(guān)在預(yù)期短路電流尚未達(dá)到峰值之前快速開斷， 將短路電流快速切斷，保護(hù)變壓器免受損壞。

8 結(jié)語

通過在電抗器兩端并聯(lián)快速開關(guān)， 不但解決了10 kV 出線短路引起的主變穿越性故障， 而且從根本上避免了長(zhǎng)時(shí)間使用電抗器帶來的電壓波動(dòng)、電能損耗和漏磁場(chǎng)等問題，從而大大提高了供電質(zhì)量，確保了變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。