徐東偉，劉振雷，周永亮

（許繼變壓器有限公司，河南 許昌461000）

1 引言

我國(guó)柱上10kV 油浸式配電變壓器一次側(cè)廣泛采用高壓跌落式熔斷器保護(hù)，從運(yùn)行效果看，用熔斷器保護(hù)配電變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。但從短路試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，為避免油箱爆炸，必須在20ms 內(nèi)切除短路故障。限流熔斷器可在10ms 內(nèi)切除短路故障，而柱上斷路器一般需要三周波（60ms）切除短路故障。柱上斷路器全開(kāi)斷時(shí)間由3 部分組成：繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間、斷路器固有動(dòng)作時(shí)間和燃弧時(shí)間，從原理上暴露其保護(hù)性能缺點(diǎn)。

2 內(nèi)置高壓保護(hù)變壓器設(shè)計(jì)原理

10kV 油浸式內(nèi)置高壓保護(hù)全密封配電變壓器由后備限流熔斷器、電流和溫度雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)、變壓器器身等主要部件組成（如圖1 所示）；雙因素負(fù)荷開(kāi)關(guān)具有類(lèi)似噴射式熔斷器的保護(hù)特性，保護(hù)特性受溫度和負(fù)荷2 種因素影響。當(dāng)變壓器二次側(cè)過(guò)載或短路時(shí)，雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)會(huì)瞬間脫扣，并能有效熄滅開(kāi)斷時(shí)產(chǎn)生的電弧，順利斷開(kāi)變壓器電源。也可用操作手柄對(duì)雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)進(jìn)行分合，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的功能，熔斷器結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足三相聯(lián)動(dòng)方式要求，相比傳統(tǒng)跌落式熔斷器避免變壓器缺相運(yùn)行[1]。

圖摘要kV 油浸式內(nèi)置高壓保護(hù)的全密封變壓器原理圖

3 變壓器高低壓分級(jí)保護(hù)配置及保護(hù)原理

變壓器運(yùn)行時(shí)，其繞組和鐵芯產(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)變成熱量，一部分被變壓器各部件吸收使之溫度升高，另一部分則散發(fā)到其他介質(zhì)中。當(dāng)散發(fā)的熱量與產(chǎn)生的熱量相等時(shí)，變壓器各部件的溫度達(dá)到穩(wěn)定，不再升高。變壓器運(yùn)行時(shí)各部件的溫度是不同的，繞組溫度最高，鐵芯次之，變壓器油的溫度最低。為了便于監(jiān)視運(yùn)行中變壓器各部件的溫度，規(guī)定以上層油溫為允許溫度。

變壓器的允許溫度主要決定于繞組的絕緣材料。我國(guó)電力變壓器大部分采用A 級(jí)絕緣材料，即浸漬處理過(guò)的有機(jī)材料，如紙、棉紗、木材等。對(duì)于A 級(jí)絕緣材料，其允許最高溫度為105℃，由于繞組的平均溫度一般比油溫高100℃，同時(shí)為了防止油質(zhì)劣化，所以規(guī)定變壓器上層油溫最高不超過(guò)95℃。而在正常狀態(tài)下，為了使變壓器油不致過(guò)速氧化，上層油溫應(yīng)不超過(guò)85℃。當(dāng)變壓器絕緣材料的工作溫度超過(guò)允許值時(shí)，其使用壽命將縮短。

4 熔斷器的動(dòng)作特性及保護(hù)原理

目前，國(guó)內(nèi)很多地區(qū)10kV 美式箱變及35kV 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)使用全范圍高壓限流熔斷器一般由2種形式組成，用戶(hù)可根據(jù)各自情況按以下保護(hù)方案來(lái)選用。

1）由后備限流式和噴射式兩者獨(dú)立串聯(lián)組合而成的全范圍保護(hù)，后備限流式熔斷器因石英砂具有熄滅電弧和限流作用，開(kāi)斷大故障電流能力強(qiáng)，而開(kāi)斷小過(guò)載電流很困難。噴射式熔斷器對(duì)小過(guò)載電流開(kāi)斷能力強(qiáng)，而大故障電流開(kāi)斷卻很困難。噴射管由一種產(chǎn)氣材料制成，當(dāng)熔體熔化時(shí)出現(xiàn)電弧產(chǎn)氣管在高溫作用下產(chǎn)氣將電弧噴出在油箱內(nèi)熄滅。2）后備限流式和噴射式組合為一體的熔斷器，當(dāng)大故障電流由后備限流式開(kāi)斷，當(dāng)小過(guò)載電流出現(xiàn)時(shí)由噴射式將電弧噴出由石英砂吸收滅弧，從而將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)組成全范圍保護(hù)熔斷器[2]。

5 雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的動(dòng)作特性及保護(hù)原理

雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)對(duì)溫度和電流因素反應(yīng)敏感，當(dāng)過(guò)載時(shí)，大電流通過(guò)雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的傳感器使傳感器內(nèi)高感材料的溫度迅速升高，當(dāng)溫度過(guò)高致使傳感器高感材料失磁，雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)瞬間脫扣，雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)通過(guò)操作機(jī)構(gòu)與變壓器進(jìn)線端相連的動(dòng)觸頭分閘，及時(shí)斷開(kāi)變壓器電源，實(shí)現(xiàn)過(guò)流和油溫保護(hù)功能。

當(dāng)雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的溫度恢復(fù)到磁性時(shí)，可重新對(duì)雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)進(jìn)行閉合操作，雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)可重復(fù)使用。用雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)操作手柄就地遠(yuǎn)端對(duì)三相雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)進(jìn)行就地操作，也可作為負(fù)荷開(kāi)關(guān)使用。雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的操作手柄具有分合位置指示和夜間反光功能，也可作為隔離開(kāi)關(guān)使用。

通過(guò)如圖2 曲線可以得到以下結(jié)論：

1）溫度越高，雙因素開(kāi)關(guān)動(dòng)作越快；

2）在試驗(yàn)電流（20A～60A）范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作快于后備熔斷器；

3）在1.5～3 倍額定電流范圍內(nèi)，電流的增加會(huì)明顯縮短雙因素開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷時(shí)間。

圖2 雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)開(kāi)斷曲線

雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)與雙敏熔絲一樣，都是從電流和溫度2 方面對(duì)變壓器低壓側(cè)故障或過(guò)載進(jìn)行保護(hù)，可以防止由于過(guò)載或環(huán)境溫度所導(dǎo)致的變壓器長(zhǎng)期溫升。雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)需滿(mǎn)足以下技術(shù)要求：

1）三相雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)具有感應(yīng)變壓器油溫及負(fù)載電流，具有雙敏感性。當(dāng)變壓器油溫疊加負(fù)載電流流經(jīng)雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的溫度達(dá)到145℃時(shí)，雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的傳感器感應(yīng)觸發(fā)機(jī)構(gòu)分閘。

2）油位過(guò)低時(shí)，三相雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)閉鎖手動(dòng)合閘功能。

3）過(guò)載保護(hù)（雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)）時(shí)，不需更換設(shè)備，可重復(fù)使用，排除非正常狀態(tài)負(fù)荷或故障后，可直接重新閉合。

4）三相雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作為單相感應(yīng)和三相脫扣，避免了變壓器缺相運(yùn)行，降低變壓器故障率，提高供電可靠性。

6 雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)與后備限流熔斷器的配合保護(hù)

后備限流熔斷器和雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的配合，需要考慮以下5 個(gè)主要因素：

1）將后備限流熔斷器的最小熔化曲線同雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的最大開(kāi)斷曲線進(jìn)行比較，注意這2 條曲線交叉的地方，這就是所謂的“交叉點(diǎn)”。確保該交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值大于最大短路輸出電流值，這將保證后備限流熔斷器僅在故障電流大于二次側(cè)最大故障電流的情況下才開(kāi)始動(dòng)作，如變壓器內(nèi)部故障引起的故障電流。

2）所選ELSP 熔斷器的最小額定開(kāi)斷電流應(yīng)小于交叉點(diǎn)電流值。這可以確保后備限流熔斷器只會(huì)被要求開(kāi)斷大于其最小額定開(kāi)斷電流的故障電流值。

3）確保雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)最大開(kāi)斷曲線和后備限流熔斷器最小熔化曲線之間在長(zhǎng)期區(qū)域沒(méi)有交叉是很重要的，因?yàn)檫@可能引起ELSP 熔斷器會(huì)試圖開(kāi)斷電流——低于其最小熔化電流值的電流或是在BON 熔斷器動(dòng)作前ELSP 熔斷器受到破壞。要想確保這一點(diǎn)，在300s 時(shí)對(duì)應(yīng)的雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的最大開(kāi)斷電流值必須小于或等于90%的對(duì)應(yīng)的后備限流熔斷器的最低熔化電流值。當(dāng)達(dá)到合適的匹配時(shí)，低電流系列保護(hù)裝置應(yīng)率先動(dòng)作。后備限流熔斷器應(yīng)當(dāng)只有在變壓器內(nèi)部故障、繞組（匝間絕緣）故障，以及其他類(lèi)似的需要將變壓器移出運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的故障時(shí)才允許動(dòng)作[3]。

4）理想情況下，這將提供額外的裕度確保雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)和ELSP 熔斷器的重疊保護(hù)區(qū)域。

5）在特殊情況下，即使上述所列條件并沒(méi)有完全得到滿(mǎn)足，仍然有可能成功地使用雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)及后備限流熔斷器。配合時(shí)間電流特性曲線（以容量為315kV·A 內(nèi)置高壓保護(hù)變壓器為例）如圖3 所示。

圖3 配合時(shí)間電流特性曲線圖

7 提高內(nèi)置高壓保護(hù)變壓器抗短路能力的措施

變壓器短路時(shí)的短路電流一般要達(dá)到額定電流的幾十倍，而此時(shí)的電磁力則為正常運(yùn)行時(shí)電磁力的幾百倍，如此大的電磁力致使鐵芯、線圈、緊固件等遭受重大的損傷，如果配電變壓器的質(zhì)量有缺陷，有可能損壞整臺(tái)配電變壓器，最終導(dǎo)致供電中斷。銅導(dǎo)線的膨脹系數(shù)比絕緣材料大很多，隨著電力增大，導(dǎo)線溫度升高，絕緣層受到張力和壓力，導(dǎo)致導(dǎo)線絕緣受損。另外，導(dǎo)體線匝因留有相同的電流產(chǎn)生擠壓力，使線匝間絕緣受壓，同時(shí)，線圈軸向方面產(chǎn)生壓縮力。當(dāng)線圈中流有短路電與線圈的漏磁場(chǎng)相互作用時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生非常大的機(jī)械應(yīng)力。同時(shí)因一、二次繞組高度不相等，會(huì)造成繞組安匝不平衡，也會(huì)產(chǎn)生軸向分力。變壓器生產(chǎn)企業(yè)工藝水平是造成配電變壓器抗短路能力高低的主要原因。在產(chǎn)品制造過(guò)程中應(yīng)提高配電變壓器繞組墊塊加工、繞組生產(chǎn)、繞組預(yù)套裝、內(nèi)繞組撐緊及總裝中的緊固5 個(gè)方面的工藝水平。

配電變壓器的設(shè)計(jì)及研制主要依據(jù)GB 1094.1 《電力變壓器 第1 部分：總則》、GB 1094.2《電力變壓器 第2 部分：液浸式變壓器的溫升》、GB 1094.3《電力變壓器 第3 部分：絕緣水平絕緣試驗(yàn)和外絕緣空氣間隙》、GB 1094.5《電力變壓器 第5 部分：承受短路的能力》、GB/T 6451《三相油浸電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》。變壓器試驗(yàn)檢測(cè)方面主要依據(jù)GB 1094.2《電力變壓器 第2 部分：溫升》、GB 1094.3《電力變壓器 第3 部分：絕緣水平 絕緣試驗(yàn)和外絕緣空氣間隙》、GB 1094.5《電力變壓器 第5 部分：承受短路的能力》、GB 1094.3《電力變壓器 第10 部分聲級(jí)測(cè)定》、GB 1094.4《電力變壓器第4 部分：電力變壓器和電抗器的雷電沖擊和操作沖擊試驗(yàn)導(dǎo)則》和JBT 501—2006《電力變壓器試驗(yàn)導(dǎo)則》。

配電線路帶電作業(yè)已經(jīng)成為提高供電可靠性的重要手段，目前，在配電專(zhuān)業(yè)可開(kāi)展的帶電作業(yè)達(dá)到33 種（2013 年國(guó)家電網(wǎng)公司共計(jì)開(kāi)展配電帶電作業(yè)摘要 次），其中與變臺(tái)相關(guān)的帶電作業(yè)有帶負(fù)荷更換跌落式熔斷器、斷接電纜終端引線、更換柱上變壓器、更換避雷器。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)10kV 油浸式內(nèi)置高壓保護(hù)變壓器進(jìn)行研究，在油浸式變壓器的基礎(chǔ)上，采用自身具有保護(hù)功能過(guò)電流、過(guò)溫雙因素保護(hù)原理的雙因素保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)，通過(guò)與后備限流熔斷器的配合，實(shí)現(xiàn)全范圍的優(yōu)化保護(hù)配置，具有人工分合閘、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、出口短路保護(hù)以及變壓器內(nèi)部短路保護(hù)等功能。