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预装式变电站中高、 低压开关设备 对变压器的保护 顾虹 吴江市变压器厂有限公司,江苏 吴江2 1 5 2 0 0 摘要分析了预装式变电站中高、 低压开关设备对变压器的保护, 并给出了应用实例。 关键词 预装式变电站; 变压器; 保护 中图分类号T M 4 0 1 . 1文献标识码B文章编号1 0 0 1 - 8 4 2 52 0 0 80 4 - 0 0 0 6 - 0 5 P r o t e c t i o no f H V/ L VS w i t c h e si nP r e f a b r i c a t e d S u b s t a t i o nt oT r a n s f o r me r G U H o n g Wu j i a n gT r a n s f o r me rWo r k sC o . , L t d . , Wu j i a n g2 1 5 2 0 0 , C h i n a A b s t r a c tT h ep r o t e c t i o no fH V / L V s w i t c h e si np r e f a b r i c a t e d s u b s t a t i o nt ot r a n s f o r me ri s a n a l y z e d . T h ea p p l i e de x a mp l ei sp r e s e n t e d . K e yw o r d sP r e f a b r i c a t e ds u b s t a t i o n;T r a n s f o r me r;P r o t e c t i o n 1前言 预装式变电站是一种将配电变压器和 高、 低压开关设备组合在一起的小型变电站。 与需土建的固定变电站相比具有占地面积 少、 投资少、 外型美观和安装施工工期短等优 点。预装式变电站以小巧灵活、 可移动、 安全 可靠和价廉物美等特点被广泛应用于城市建 设中。 因此, 对它的安全可靠性提出了更高的 要求。 笔者就高、 低压开关设备对变压器的保 护进行了分析。 2高、 低压开关设备对变压器的保护 高、 低压开关设备对变压器的保护主要有 过电 压、 过电流及短路和过热保护。 图1是高、低压开关设备对变压器保护的原理 框图。 通过分析可知, 引起预装式变电站内故障的主 要原因是①高压进线过电压;②变压器内部局部短 路引起的变压器内部过热过压;③低压开关设备内 部短路;④用户端过负载、 过电压或短路。因此, 对 于上述故障应采取可靠的保护措施。 变电站中的高压开关设备对变压器的保护方案 分为两类 一类是由断路器保护; 另一类是负荷开关 与限流熔断器配合保护。对两种方案特点的分析如 表1所示。 综合考虑两种高压开关设备保护方案的特点, 变压器容量在1 0 0 0 k V A及以下时,采用高压负荷 过电压 气体继电器 压力释放阀 过电压 高压开关设备 电缆 变压器 过电流及短路 温控系统 强迫散热 低压开关设备负荷 过电流及短路 图1保护原理框图 F i g . 1 B l o c kd i a g r a m o fp r o t e c t i v ep r i n c i p l e 表1两种方案的特点 T a b l e1 C h a r a c t e r i s t i c so ft w os c h e me s 高压开关设备保护方案优点缺点 高压断路器具有优良的保护性能成本高, 体积大 高压负荷开关与限流 熔断器配合 体积小, 成本低, 技术 性能已经完善 大容量变压器的 短 路 分 断 性 能 较 断路器差 第4 5卷 第4期 2 0 0 8年4月 T R A N S F O R ME R V o l . 4 5 A p r i l N o . 4 2 0 0 8 顾 虹 预装式变电站中高、 低压开关设备对变压器的保护第4期 开关与限流熔断器配合的保护方案;1 0 0 0 k V A以上 采用断路器保护方案。低压开关设备一般采用低压 断路器来保护变压器。 3实例分析及计算 笔者就高、 低压开关设备对变压器过电流及短 路保护进行了实例分析及计算。 3 . 1保护的工作原理 图2为典型的低压不带补偿的预装式变电站 原理图。变压器内部和低压套管外绝缘短路保护采 用了高压负荷开关加熔断器的方式。高压避雷器作 为高压侧进线过电压保护;低压侧采用断路器保 护。当内部过热, 变压器温度大于低设定值时, 温度 控制系统触发排风系统工作;温度超过高设定值 时, 温度控制系统触发低压主断路器跳闸。当变压 器内部压力过大时, 由压力释放阀触发低压主断路 器跳闸。预装式变电站内发生过电流或短路故障 时, 根据故障的部位由各自的开关器件完成。当各 低压回路负载侧发生过电流或短路时, 由分路断路 器分断故障电流。低压开关设备内部短路时, 由低 压主断路器分断故障电流。只有变压器内部发生短 路时, 才由高压负荷开关和熔断器配合来分断故障 电流。因此, 高、 低压开关设备中的开关器件之间应 遵循一定的保护配合次序, 也就是说在选择高压开 关电器和各级低压开关电器时, 应考虑各阶段的保 护特性, 并与变压器本身各种运行状态相配合。保 证了变压器的安全运行, 提高了预装式变电站的安 全可靠性。 笔者以预装式变电站Y B M - 1 0 / 0 . 4 - 1 0 0 0 [其中, 变压器型号为S 1 1 - 1 0 0 0 / 1 0,一次侧电压为 1 0 5 k V, 二次侧电压为0 . 4 k V, 联结组D y n 1 1, 短路 阻抗U k 4 . 5 , 负载损耗为Pk 1 03 0 0 W, 空载损耗 为P 0 1 1 5 0 W] 为例, 对各开关器件及性能参数的选 择进行分析。 3 . 2高压负荷开关熔断器组合电器的性能参数 选择计算 在变压器发生故障时,高压负荷开关熔断器 组合电器可及时切断与电网的联系,保证变压器不 受到损坏和电网不受影响。 根据预装式变电站的额定容量和额定电压, 初 步选定高压负荷开关熔断器组合电器的型号为 F Z N - 1 2 - R . D/ 1 0 0 - 5 0, 其主要参数为 额定电压Ue 1 1 2 k V, 额定电流I e 1 1 0 0 A, 额定转移电流Im 1 2 0 0 0 A, 额定开断电流I O 1 5 0 k A。 通过对变压器一次侧正常、空载和短路运行状 态的电流的计算,可验证组合电器性能参数选择的 合理性。 3 . 2 . 1变压器一次侧正常、空载和短路运行状态的 电流计算 1 变压器正常运行时一次侧最大电流计算 变 压器一次侧额定电流I e 2 5 7 . 7 A, 根据油浸式电力变 压器运行负载导则,允许的最大电流是在最大负分 接处- 5 , 并且超铭牌额定值倍数为1 . 5倍下运 行的电流为 5 7 . 7 1 . 5 1 . 0 5 9 0 . 8 7 A 2 变压器一次侧空载合闸涌流最大值 最大值 持续最长时间0 . 1 s 为 5 7 . 7 1 2 6 9 2 . 4 A 3 变压器一次侧的预期短路电流有效值为 最 大承受时间2 s, 按G B 1 0 9 4 . 5 1 .过载保护 2 .短路保护 取变压器油温 温 度 传 感 器 探 头 温控系统排风系统 高温跳闸 1 .长延时过载保 护 2 .短延时过载保 护 3 .瞬时过载保护 4 .接地故障保护 1 .长延时过载保护 2 .瞬时过载保护 1 .长延时过载保护 2 .瞬时过载保护 1 .长延时过载保护 2 .瞬时过载保护 1 .长延时过载保护 2 .瞬时过载保护 图2预装式变电站原理图 F i g . 2 P r i n c i p l ed i a g r a m o fp r e f a b r i c a t e ds u b s t a t i o n 7 第4 5卷 1 0 0 0 3 1 0 4 . 5 0 . 2 1 2 2 8 A 式中4 . 5 变压器额定短路阻百分数 0 . 2 1 0 k V系统短路阻抗百分数 4 变压器电阻百分数为 1 0 3 0 0 1 0 0 0 1 0 1 . 0 3 5 变压器电感百分数为4 . 3 6 。 6 预期短路电流峰值最大承受时间0 . 5 s, 按 G B 1 0 9 4 . 5 为 2 . 0 9 1 2 2 8 2 5 6 7 A 3 . 2 . 2组合电器的性能参数验证 图3为高压熔断器X R N T 1 - 1 2 的时间电流 特性曲线; 图4为高压熔断器X R N T 1 - 1 2 限流特 性曲线。由图3和图4可以看出 1X R N T - 1 2 1 0 0 A在弧前时间1 0 s其最小截 断电流峰值电流为1 2 0 0 A 6 9 2 . 4 A,所以变压器空 载合闸涌流不会引起高压负荷开关组合电器动作。 2X R N T - 1 2 1 0 0 A的额定电流1 0 0 A 9 0 . 8 7 A, 高压负荷开关组合电器能经受最大正常工作电流而 长期运行。 3 高压负荷开关组合电器额定转移电流有效 值 I m 2 0 0 0 A 1 2 2 8 A,高压组合电器额定转移电流 大于变压器一次侧的预期短路电流,表明负荷开关 能分断此故障电流, 形成有效的断口。 4 高压组合电器厂家提供的熔断器触发的负 荷开关分闸时间为0 . 0 5 s, 如果发生短路, 由图3查 得在预期短路电流1 2 2 8 A时的高压熔断器的弧前 时间为0 . 1 5 s,再根据预期短路电流1 2 2 8 A查图4 可得, 高压熔断器峰值电流为3 0 0 0 A 2 5 6 7 A; 分断 最小总时间0 . 2 s 0 . 5 s 变压器可承受时间 , 由此可 认为这时的短路电流即为实际最大转移电流。也可 根据负荷开关最大总分闸时间0 . 4 s,由图3查得实 际最小可能转移电流为9 8 0 A, 小于变压器一次侧的 预期短路电流和组合电器的额定转移电流,而且在 组合电器的实际转移电流范围内因为组合电器的 转移电流范围为5倍～ 1 5倍额定电流。 5高压负荷开关组合电器额定开断电流I o 5 0 k A, 大于1 0 k V高压系统的最大故障电流3 1 . 5 k A, 即高压负荷开关组合电器能开断高压系统极限故障 电流。 根据上述验证,该型号的高压负荷开关熔断 器组合电器, 对S 1 1 - 1 0 0 0 / 1 0变压器一次侧能安全 地进行短路保护。 如需进行过流保护, 应在高压负荷 开关加上过流脱扣器,过流脱扣器的时间电流曲 线应位于高压熔断器的时间电流曲线的下方。 3 . 3低压总断路器的保护性能参数选择计算 低压总断路器参数选择取决于变压器二次侧的 正常和短路运行状态的电流特性,通过对变压器二 次侧电流的计算,可验证低压总断路器保护性能参 数选择的合理性。 3 . 3 . 1变压器二次侧电流计算 1 变压器正常运行时二次侧最大电流的计算 方法同一次侧。 二次侧额定电流I e 2 1 4 4 3 A , 最大电流 为2 2 7 3 A 运行最长时间为3 h 。预装式变电站外壳 的散热等级为1 0 ,考虑了这个因素, 实际二次侧计 算负载应小于变压器额定输出负载约7 0 ～ 8 0 。 2 变压器二次侧的预期短路电流 最大承受时 间2 s, 按G B 1 0 9 4 为 1 2 5 A 1 0 0 A 8 0 A 6 3 A 5 0 A 4 0 A 3 1 . 5 A 2 5 A 2 0 A 1 6 A 1 0 A 6 . 3 A 0 . 0 1 0 . 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 01 0 0 0 051 01 0 0 弧前时间/ s 预期电流有效值/ A 图3高压熔断器时间电流特性 F i g . 3 T i me - c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i co fH V f u s e 6 . 3 A 1 0 A 1 6 A 2 0 A 2 5 A 3 1 . 5 A 4 0 A 5 0 A 6 3 A 8 0 A 1 0 0 A 1 2 5 A 1 0 0 0 0 05 0 0 0 0 1 0 0 0 01 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 截断电流峰值/ A 预期电流有效值/ A 图4高压熔断器限流特性 F i g . 4 C u r r e n t - l i mi t i n gc h a r a c t e r i s t i co fH V f u s e 8 顾 虹 预装式变电站中高、 低压开关设备对变压器的保护第4期 1 4 4 3 1 0 0 4 . 5 0 . 2 3 0 . 7 k A 根据以上计算, 总断路器选用W1 - 2 5 0 0 / 2 0 0 0 A 的框架式断路器作为总开关,该断路器有四种保 护功能①过载电流长延时保护;②短路电流短延 时保护;③短路电流瞬时保护;④接地故障保护。 断路器的额定框架电流为25 0 0 A;过载脱扣器电 流I n 2 0 0 0 A; 额定运行分断电流为5 0 k A; 分断时间 为0 . 0 3 s; 额定短时耐受电流为5 0 k A1 s 。 3 . 3 . 2断路器各段保护整定值的确定和参数的验正 断路器各段保护整定值如表2所示。 由表2可以看出,当变压器二次侧电流大于 1 6 0 0 A小于1 6 0 0 4 6 4 0 0 A时, 过载电流长延时保 护起作用, 动作时间与电流大小成反比。当二次侧 电流大于6 4 0 0 A而小于1 4 0 0 0 A时, 短路电流短延 时保护起作用。此时,变压器一次侧电流为2 5 6 A ～ 5 6 0 A, 小于高压组合电器实际转换电流 查图3曲 线 。因此, 此短路电流由低压断路器分断。当二次 侧电流大于1 4 k A小于3 0 . 7 k A时, 短路电流瞬时保 护起作用, 这时, 变压器一次侧电流大于5 6 0 A, 有可 能达到高压组合电器实际转换电流, 但短路电流瞬 时脱扣器动作时间0 . 0 3 s 0 . 2 s 高压组合电器动作 时间 3 0 . 7 k A 变压器二 次侧预期短路电流 0 . 0 3 表3额定分散系数值 T a b l e3 R a t e dd i s p e r s i o nc o e f f i c i e n t s 主电路数额定分散系数 2与30 . 9 4与50 . 8 6 - 9 包括90 . 7 1 0及以上0 . 6 低压总断路器的时 间电流特性折合 至变压器一次侧 高压组合电器的时 间电流特性 时间T / s 0 . 0 3 0 . 2 0 . 5 0I 1I2 I e 3Ie 2Ie 1 电流I / A 图5预装式变电站过负载及短路保护配合特性 F i g . 5 O v e r l o a da n ds h o r tc i r c u i tp r o t e c t i o nc h a r a c - t e r i s t i c so fp r e f a b r i c a t e ds u b s t a t i o n I e 1 变压器一次侧额定电流I e 2 高压组合电器额定 电流I e 3 低压总断路器额定电流 折算至变压器一次 侧I 1 变压器一次侧预期短路电流I 2 高压组合 电器额定转移电流 下转第1 5页 9 郭雪瑛、 郭振岩 电力变压器绕组段间绝缘问题研究第4期 上接第9页 如果预装式变电站在运行时各运行参数可通 过现场总线传至控制中心的计算机, 并按图5曲线 配合, 那么高、 低压开关设备对变压器的保护将更 加可靠, 更加完善。 参考文献 [ 1 ]廖光余.预装式变电站手册[ M ] .北京 机械工业出版 社,2 0 0 1 . [ 2 ]变压器手册编写组.电力变压器手册[ M ] .沈阳 辽宁科 学技术出版社,1 9 8 9 . [ 3 ] G B 1 0 9 4 . 5 - 2 0 0 3电力变压器承受短路的能力总则及负载 导则[ S ] . [ 4 ] G B / T1 5 1 6 4 - 1 9 9 4油浸式电力变压器负载导则[ S ] . [ 5 ] G B1 6 9 2 6 - 1 9 9 7交流高压负荷开关熔断器组合电器 [ S ] . [ 6 ] G B / T1 7 4 6 7 - 1 9 9 5高压/低压预装式变电站[ S ] . [ 7 ] G B7 2 5 1 . 1 - 2 0 0 5低压成套开关设备和控制设备[ S ] . 收稿日期2 0 0 8 - 0 1 - 1 1 作者简介 顾虹1 9 7 1 - , 女, 江苏吴江人, 吴江市变压器厂有限公司技术部工程师, 从事变压器、 预装式变电站及高、 低压 成套开关设备的设计与开发工作。 表8匝间绝缘工频及冲击最小击穿电压 T a b l e8 P o w e rf r e q u e n c ya n d i mp u l s emi n i mu m b r e a k d o w nv o l t a g eo fi n t e r t u r ni n s u l a t i o n 匝绝缘厚度 / m m 1 m i n工频电压有效值 / k V全波冲击电压 峰值/ k V 工艺过程A工艺过程B工艺过程A工艺过程B 0 . 4 591 21 72 9 0 . 9 51 62 12 85 6 1 . 3 52 12 93 98 1 1 . 9 52 93 75 11 0 4 2 . 9 53 94 96 61 3 4 注1 .工艺过程A相当3 5 k V级以下电力变压器处理过程; 2 .工艺过程B相当6 6 k V级以上电力变压器处理过程。 表9段间油道全波最小击穿电压 峰值 T a b l e9 Mi n i mu m f u l l w a v eb r e a k d o w nv o l t a g e P e a kv a l u e o fi n t e r s e c t i o no i l d u c t 油道宽度 / m m 匝绝缘 厚度/ m m 681 01 21 41 61 82 02 4 0 . 61 1 0 1 3 2 1 5 4 1 7 0 1 8 7 1 9 4 2 1 0 2 2 6 2 5 2 0 . 9 51 2 0 1 4 3 1 6 5 1 8 1 1 9 8 2 1 0 2 2 6 2 3 6 2 6 2 1 . 3 51 3 0 1 4 8 1 7 0 1 8 7 2 0 2 2 1 3 2 2 9 2 4 1 2 6 5 1 . 61 3 7 1 5 4 1 7 6 1 9 2 2 0 9 2 1 6 2 3 2 2 4 6 2 7 0 1 . 9 51 4 3 1 6 0 1 8 1 1 9 8 2 1 4 2 2 0 2 3 6 2 5 0 2 7 6 注 工艺过程为真空干燥浸油, 试验前附加抽真空 真空值4 0 k P a, 1 0 h ～ 1 2 h 。 开展了试验研究工作[ 3 ]。 笔者从电场计算角度, 对绕组段间电场的几个 问题进行了初步分析和计算。 为了生产超高压变压器的需要, 对纠结式和内 屏蔽式等绕组的变压器产品进行了多次冲击测量, 并从试验中积累的数据认识到实际产品试验的重 要性, 同时也验证了在空气中停放时间长短对测量 的数据影响较大。表8和表9中给出了有关数据, 这样在选定绕组型式后就可根据表8和表9确定 匝绝缘和油道尺寸。 4结论 1 笔者从绕组段间电场的特点, 分析了段间 油道结构参数的影响, 这对绕组纵绝缘设计具有重 要意义。 2 对于变压器运行可靠性和经济指标具有重 要影响的匝间绝缘和段间油道,从复合电场分析是 有益的。 3 对高压绕组的匝间绝缘和段间油道, 给出了 纵绝缘设计的参考数据。 参考文献 [ 1 ]路长柏.电力变压器绝缘技术[ M ] .哈尔滨 哈尔滨工业 大学出版社,1 9 9 7 . [ 2 ]郭雪瑛.超高压电力变压器段间电场与段间绝缘的研究 [ D ] .哈尔滨 哈尔滨理工大学,1 9 8 8 . [ 3 ]路长柏, 朱英浩.电力变压器计算 修订本[ M ] .哈尔 滨 黑龙江科学技术出版社,1 9 9 0 . 收稿日期2 0 0 8 - 0 1 - 1 1 作者简介 郭雪瑛1 9 6 5 - , 女, 天津蓟县人, 天津市兆安变压器有限公司教授级高工, 从事变压器设计开发工作; 郭振岩1 9 6 4 - , 男, 河北滦南人, 沈阳变压器研究所教授级高工, 从事变压器类新产品开发研究工作。 1 5