浅谈主变低压侧近区相间短路故障及限流技术

白永平，王 进，米海军，刘玉斌

（陕西北元化工集团有限公司，陕西 榆林719319）

1 技术背景

某公司10 kV 系统发生多起短路故障， 主要以电缆终端头及过电压保护器绝缘击穿短路故障为主， 在10 kV 配电室内发生的短路故障因距离主变较近，短路电流较大，导致该公司10 kV 系统发生相间短路故障后， 引起大面积停电事故和主变烧毁事故， 并使35 kV 系统受到大电流冲击后出现35 kV电压大幅波动的情况， 给该公司电气系统的安全稳定运行带来了较大的威胁。

2 原因分析

（1）该公司变电站10 kV 无功补偿柜出线电缆C 相绝缘击穿，引起B、C 相相间弧光短路，造成4#主变高、低压侧断路器过流一段保护动作跳闸，导致4#主变10 kV 侧绕组烧毁。

（2）上游供电公司将送该企业变电站2#主变高压侧35 kV 进线线路A、B 相接反，该公司变电站电气人员在未对2# 主变低后备102 带电核相试验情况下合闸， 导致1#、2# 主变并列运行时两路35 kV电源发生A、B 相短路故障。 事故造成2# 主变线圈绝缘击穿烧毁。

（3）该公司某变电站热空气风机高压柜内过电压保护器B、C 相绝缘击穿短路后，短路电流冲击造成主变绕组烧毁。

从以上三起事故中发现当10 kV 系统发生变压器近区相间短路故障时， 最终都会因较大的短路电流冲击而导致变压器烧毁事故的发生。

随着该公司扩容改造项目的投入运行， 电力系统设备数量和容量越来越大， 电力系统的短路电流也呈直线上升的趋势， 而常规的断路器切除短路电流水平以及非周期能力有限， 虽然在短路故障发生后变压器高、低压侧的断路器均能可靠的动作跳闸，但是由于分断时间较长（分断时间在60～100 ms），无法在故障后首半波10 ms 以内， 即短路电流尚未上升到峰值之前将故障电流完全分断， 变压器都是因为经受不住首个半波短路电流的电动力冲击，而发生绕组位移、变形和电弧放电，最终发生损毁的。

3 抑制短路电流的措施

限制电气设备短路电流的方法有很多， 可采用变压器分列运行、馈出线装设限流电抗器、采用高阻抗变压器、在变压器低压侧母线装设限流电抗器、变压器低压侧母线直接串联快速开关， 或者将限流电抗器和快速开关并联后串联接入变压器低压侧母线。 然而， 众多馈出线都装设限流电抗器或者采用高阻抗变压器这两种方案都不经济。目前，国内主要采用后三种方式限制短路电流， 这三种方式在国内都已经积累了丰富的运行经验。

4 三种抑制短路电流措施的对比分析

4.1 变压器低压侧母线装设限流电抗器

采用在变压器低压侧串联电抗器限流的方法，是可以将其短路电流限制在一定水平，从而保证10 kV馈线发生三相或两相短路时变压器能够安全运行。可是由于电抗器自身的特性， 将给系统带来以下不可避免的问题。

（1）由于限流电抗器串联在变压器的低压侧，系统正常运行时电抗器流过负荷电流， 必然会产生巨大的电能损耗，给企业造成一定的经济损失，按照变电站主变低压侧加装UKR%=12%电抗器的损耗计算，投入运行后年电费经济损失可高达27 万元。

（2）由于系统正常运行时在电抗器上会产生电压降，而这个电压降随负荷变化，将会影响供电电压的质量，特别是在较大功率的电动机启动时，电抗器上的电压降会加剧， 将可能影响其它负荷的正常运行，甚至造成有低电压保护的设备跳闸。

（3）空心电抗器强大的漏磁场会使混凝土和通讯受到影响和干扰。一方面，楼板或基础混凝土中的钢筋在强大的漏磁场作用下，产生附加损耗，而且在长期的震动下，将使混凝土松软，影响混凝土基础和厂房的寿命。另一方面，强大的漏磁场将使通讯系统及计算机监控系统受到严重干扰， 甚至无法正常工作。

4.2 限流电抗器和快速开关并联后串联接入变压器低压侧母线

限流电抗器和快速开关并联后串联接入变压器低压侧母线，在变压器正常运行时，电流几乎全部流过快速开关， 避免了变压器低压侧回路中装设限流电抗器出现的诸多问题。 当10 kV 母线或10 kV 出线发生短路时，快速开关会快速断开，投入限流电抗器限制短路电流， 使故障点的短路电流降低到主变可以承受的短路电流以内， 从而保障主变和系统的安全运行。

4.3 变压器低压侧母线直接串联快速开关

在变压器低压侧母线直接串联快速开关， 当变压器低压侧馈线发生三相或两相短路时， 快速开关第一时间快速动作， 使变压器快速退出运行而免受短路电流的冲击，确保变压器自身不会烧毁，但相比第二种解决方案来说，供电可靠性降低。但是采取此方案无需加盖电抗器室， 快速开关可以采用组件方式安装在主变室内。既节省了投入成本，也能杜绝变压器烧毁。

5 两种快速开关抑制短路电流措施的性能比较

在抑制短路电流的措施中， 最关键的装置就是快速开关，现在技术成熟的有两种形式的快速开关，分别是快速真空断路器和爆破桥式高速开关， 下面分别对使用这两种快速开关抑制短路电流措施的性能进行对比分析。

5.1 利用快速真空断路器抑制短路电流措施分析

快速真空断路器即具有选相开合闸功能的真空断路器，它虽然使用了“高速涡流驱动开关”以及“高速DSP 运算”， 但是交流断路器的最基本原理是过零开断， 即只有在短路电流过零时， 才能够熄灭电弧， 将短路电流开断。 该产品是利用触头刚分时间的合理控制，确保各相均能临界过零开断。 因此，在短路电流的首个半波（10 ms）内快速真空断路器不能实现短路电流的全开断。

例如发生一个短路电流为50 kA 的三相短路时， 该装置动作前后的短路电流的波形示意图分别见图1 和图2。

图1 为限流电抗器被短路，高速开关不动作时的短路电流

图2 为高速开关动作后的短路电流

由图1 和图2 可知，发生短路后，即使“快速真空断路器”在7 ms 时开始动作，但在首个半波过零时才能完成“临界过零开断”，要到第二个半波，电抗器才能发挥限流作用。 虽然第二个半波开始短路电流被限制到15 kA， 但首个半波的50 kA 短路电流却没有躲过， 电抗器在关键时候应当起的作用没有起到， 而变压器就会在50 kA 短路电流的冲击下发生短路损毁。 变压器在运行过程中都是因为经受不住首个半波短路电流的电动力冲击， 而发生绕组位移、变形和电弧放电，而发生损毁的。 躲不过首个半波的短路电流冲击， 抑制短路电流保护变压器的意义就没有了。

5.2 利用爆破桥式高速开关抑制短路电流措施分析

与快速真空断路器对比， 爆破桥式高速开关动作前后电流波形见图3 和图4。

由图3 和图4 可知，发生短路故障后，快速开关约在1 ms 时动作，电抗器约在1.5 ms 时投入，在5 ms之前，在短路电流尚未上升到峰值之前，电抗器完成投入将短路电流限制到15 kA。 从而保证电抗器在首个半波就发挥作用， 躲过了大短路电流对变压器的冲击，从而确保了变压器的安全。

图3 为限流电抗器被短路，高速开关不动作时的短路电流

图4 为高速开关动作后的短路电流

综上所述， 快速真空断路器和爆破桥式高速开关虽然都属于快速开关， 但是它们对短路电流的全开断时间是不同的。

快速真空断路器的开断时间约在15 ms， 而爆破桥式高速开关的开断时间可以控制在10 ms 以内。 而抑制短路电流的关键点就在于快速开关能否在短路电流的首个半波（10 ms）内实现短路电流的全开断。 显然， 快速真空断路器则无法达到这个标准，只有爆破桥式高速开关才能实现。

6 爆破桥式高速开关动作过程及原理（见图5 和图6）

t=0 短路故障发生

t=t1电子控制器探测到故障并建立点火信号，此时间与预期短路的大小、 电子控制器动作整定值及短路发生时的相位角有关，此时间小于700 μs。

t=t2快速隔离器断口打开， 电流转移到限流熔断器中，时间约（t1～t2）250 μs。

图5 开关动作过程

图6 高速开关原理图

t=t3熔断器开始起弧，（t2～t3）为熔断器弧前时间，根据短路电流的大小和熔断器安秒特性曲线，此时间小于1 ms， 图中的IC 即为限流熔断器截流峰值。

t=t4熔断器内电弧熄灭，故障电流被彻底开断，（t3～t4）为熔断器的燃弧时间，一般低于5 ms。

由此可见，在预期短路电流尚未达到峰值之前，短路电流已被高速切断。 实际通过电力设备的短路电流只有预期短路电流峰值的20%～50%，短路电流持续时间为1～3 ms 就开始截流，使变压器免受短路电流峰值的冲击保护了变压器。

7 技术方案

（1）35 kV/10 kV 变压器低压侧短路电流抑制方案概述

通过对各类限流措施的分析对比， 并根据该公司电力系统的实际运行情况， 选择了两种较为可靠的方式来抑制变压器低压侧短路电流， 以保护变压器不受短路电流的冲击而烧毁。一种是直接在35 kV变压器低压10 kV 侧母线串联接入快速开关； 另一种是将限流电抗器和快速开关并联后串联接入变压器低压侧母线。

（2）主变低压侧短路电流抑制方案

变电站2#主变和6#主变低压侧短路电流抑制方案是将限流电抗器和快速开关并联后串联接入变压器低压侧母线。正常运行时电抗器被短路，电流只从快速开关中流过， 当10 kV 出线上发生短路故障时，快速开关快速断开将限流电抗器投入进行限流，以减小短路电流对主变的冲击， 既保护了主变又不会造成供电中断。 考虑到快速开关误动的可能性和这两台变压器做为国电备用电源变压器的重要性，采用此方案， 即使快速开关误动后也只是将电抗器投入系统， 不会造成主变低压侧母线开路而导致国电电源无法投入的情况。

对于其他变电站主变的限流措施，考虑到成本，只需要在主变的低压侧母线上串联接入高速开关即可，当10 kV 出线上发生短路故障时，快速开关在预期短路电流尚未达到峰值之前快速开断， 将短路电流快速切断，保护变压器免受损坏。

8 结语

通过在电抗器两端并联快速开关， 不但解决了10 kV 出线短路引起的主变穿越性故障， 而且从根本上避免了长时间使用电抗器带来的电压波动、电能损耗和漏磁场等问题，从而大大提高了供电质量，确保了变压器的安全稳定运行。