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2# 主變低后備102 帶電核相試驗情況下合閘， 導(dǎo)致1#、2# 主變并列運(yùn)行時兩路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， 最終都會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， 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作跳閘，但是由于分?jǐn)鄷r間較長（分?jǐn)鄷r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?變壓器都是因為經(jīng)受不住首個半波短路電流的電動力沖擊，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，國內(nèi)主要采用后三種方式限制短路電流， 這三種方式在國內(nèi)都已經(jīng)積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗。

4 三種抑制短路電流措施的對比分析

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變壓器能夠安全運(yùn)行?？墒怯捎陔娍蛊髯陨淼奶匦裕?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)行時電抗器流過負(fù)荷電流， 必然會產(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)行時在電抗器上會產(chǎn)生電壓降，而這個電壓降隨負(fù)荷變化，將會影響供電電壓的質(zhì)量，特別是在較大功率的電動機(jī)啟動時，電抗器上的電壓降會加劇， 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)大的漏磁場會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)大的漏磁場作用下，產(chǎn)生附加損耗，而且在長期的震動下，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)大的漏磁場將使通訊系統(tǒng)及計算機(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，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，快速開關(guān)會快速斷開，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， 快速開關(guān)第一時間快速動作， 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， 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)生一個短路電流為50 kA 的三相短路時， 該裝置動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)不動作時的短路電流

圖2 為高速開關(guān)動作后的短路電流

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 時開始動作，但在首個半波過零時才能完成“臨界過零開斷”，要到第二個半波，電抗器才能發(fā)揮限流作用。 雖然第二個半波開始短路電流被限制到15 kA， 但首個半波的50 kA 短路電流卻沒有躲過， 電抗器在關(guān)鍵時候應(yīng)當(dāng)起的作用沒有起到， 而變壓器就會在50 kA 短路電流的沖擊下發(fā)生短路損毀。 變壓器在運(yùn)行過程中都是因為經(jīng)受不住首個半波短路電流的電動力沖擊， 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比， 爆破橋式高速開關(guān)動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 時動作，電抗器約在1.5 ms 時投入，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半波就發(fā)揮作用， 躲過了大短路電流對變壓器的沖擊，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)不動作時的短路電流

圖4 為高速開關(guān)動作后的短路電流

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)， 但是它們對短路電流的全開斷時間是不同的。

快速真空斷路器的開斷時間約在15 ms， 而爆破橋式高速開關(guān)的開斷時間可以控制在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電子控制器探測到故障并建立點(diǎn)火信號，此時間與預(yù)期短路的大小、 電子控制器動作整定值及短路發(fā)生時的相位角有關(guān)，此時間小于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，時間約（t1～t2）250 μs。

圖5 開關(guān)動作過程

圖6 高速開關(guān)原理圖

t=t3熔斷器開始起弧，（t2～t3）為熔斷器弧前時間，根據(jù)短路電流的大小和熔斷器安秒特性曲線，此時間小于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

通過對各類限流措施的分析對比， 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，快速開關(guān)快速斷開將限流電抗器投入進(jìn)行限流，以減小短路電流對主變的沖擊， 既保護(hù)了主變又不會造成供電中斷。 考慮到快速開關(guān)誤動的可能性和這兩臺變壓器做為國電備用電源變壓器的重要性，采用此方案， 即使快速開關(guān)誤動后也只是將電抗器投入系統(tǒng)， 不會造成主變低壓側(cè)母線開路而導(dǎo)致國電電源無法投入的情況。

對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，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時間使用電抗器帶來的電壓波動、電能損耗和漏磁場等問題，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。