保護低壓隔離變壓器所用的斷路器及其參數設置

廈門ABB低壓電器設備有限公司 張白帆

一.變壓器的參數、斷路器參數與故障分析

在某工程中低壓成套開關設備的輸出回路之一是一臺低壓的隔離變壓器，其參數是：

工程師為這臺隔離變壓器選擇了ABB的塑殼開關S5H400R400，其額定電流是400A，分斷能力是65kA，脫扣器采用L-I兩段保護，即過載長延時反時限L參數保護和短路瞬時I參數保護。那么使用的情況怎樣呢？

當把S5H400R400合閘后，該斷路器就立即跳閘。經檢查，此斷路器沒有任何問題，其它設備也沒有任何故障。顯然，問題出在斷路器與變壓器的配合上，是斷路器不能承載變壓器的起動勵磁電流而采取的保護動作。

二.變壓器的勵磁涌流

變壓器的容量有如下關系存在：

式中：

SN — —變壓器的容量

UN1— —變壓器一次側額定電壓

IN1 — —變壓器一次側額定電流

UN2— —變壓器二次側額定電壓

IN2 — —變壓器二次側額定電流

當變壓器空載運行時，一次側產生了空載磁勢i0W1，在空載磁勢的作用下產生了空載磁通和空載電流，即空載電流即勵磁電流。

空載磁通分為兩個部分：其一是同時環鏈一次繞組和二次繞組的主磁通，用Φ表示；其二是只環鏈一次繞組本身而不環鏈二次繞組的的漏磁通，用ΦS1表示。主磁通的路徑為主磁路，磁阻相對較小；漏磁通的路徑是變壓器外殼和其它鐵磁材料和非鐵磁材料，其磁阻相當大。因此主磁通比漏磁通的數值上要大數百倍，故本處忽略漏磁通而主要討論主磁通。

勵磁電流中的磁化電流I0R為勵磁電流的無功分量，而變壓器的磁滯損耗和渦流損耗代表著勵磁電流的有功分量，即I0A。所以，變壓器勵磁電流由無功分量和有功分量組成：

變壓器空載運行時的等值電路如下：

式中：

r1 — —漏磁通電阻

jx1 — —漏磁通電抗

rm — —勵磁電阻

jxm — —勵磁電抗

E1 — —一次繞組感應電勢

所以變壓器一次側電壓方程為：

通常電網電壓近似為恒壓，變壓器運行時，rm和xm近似為常數，且rm遠遠小于xm，因此變壓器在空載運行時無功功率很大，而有功功率很小。

變壓器在工作狀態下的勵磁電流僅為額定電流的3~6%,由其建立的穩態磁通ФW與電源電壓的關系是：

圖1：α＝0°，ФΣ=0.9Фm時空載投入變壓器時的磁通變化情況

降空載的變壓器投運時，其磁通Ф為：

其中ФΣ為：

根據空載投入時變壓器鐵芯內磁通的變化及鐵芯磁化曲線，可以求出相應的勵磁涌流曲線，其值為：

式中：

XL=ωL為合閘回路的基波阻抗。

由上式中可見，當Um一定時，穩態磁通峰值就一定，而總磁通的最大值是隨暫態磁通的變化而變化的。當α＝0時，暫態磁通最大，則勵磁涌流的峰值也最大。

下圖為典型的單相變壓器中的勵磁涌流波形圖：

我們從圖中可以看出，單相變壓器空載勵磁涌流的波形中最初幾個波形衰減迅速，然后就緩慢衰減。一般地，衰減的速率取決于主回路的時間常數τ，τ＝L/R。在實際狀態下，由于隨著變壓器鐵芯的飽和狀態變化，L也相應地改變。因此在開始的幾個周波內，因為變壓器鐵芯飽和程度高，所以L較小，隨著回路中的損耗阻尼作用使飽和程度降低，L也隨之增大，使得時間常數τ逐漸變大。另外，電源到變壓器的線路電阻也影響到勵磁涌流的衰減速率。

一般地，涌流時間的變換范圍從小變壓器的10個周波到大變壓器的1分鐘左右。

三相變壓器的勵磁涌流于單相變壓器的勵磁涌流相同，其大小和波形與變壓器空載合閘時的初相角、剩磁的大小和方向、鐵芯材料、系統阻抗等條件相關。可見三相變壓器的空載勵磁涌流的分析是比較復雜的。

為了在實際工程中簡化分析方法，也可采用類似變壓器短路電流的方法來簡化勵磁涌流的計算。

我們來看右圖：

當T2送電時，T2中還未建立勵磁電流，母線電壓加載在變壓器的初級繞組阻抗上，因此將會產生很大的勵磁涌流，隨著時間的推移，空載勵磁電流將迅速衰減。

因為T2是隔離變壓器，因此變壓器的勵磁涌流接近于短路電流。

以下對變壓器的短路電流進行分析：

上圖中，ip為短路時的沖擊短路電流，而ik為短路的周期分量。

當發生短路時，因為短路前后的電源電壓不變，而短路前后的阻抗卻由負載阻抗變換為線路阻抗和變壓器的繞組阻抗，因此短路電流非常大。

變壓器的短路電流中經歷了短路的衰減過程，從沖擊短路電流ip衰減到穩定短路電流或短路電流的周期分量iK。

據此，可得出沖擊電流ip的表達式如下：

式中：

ip— —沖擊短路電流

SN— —變壓器容量

UN— —變壓器一次側額定容量

USR— —變壓器阻抗電壓

IN— —變壓器額定工作電流

類似地，我們也定義變壓器的勵磁涌流為：

考慮到通用情況，電力變壓器的阻抗電壓USR的取值一般為4%、6%、8%等等，而控制變壓器的阻抗電壓則大多為4%、6%，所以變壓器的起動勵磁涌流不超過變壓器額定電流的30倍，起動勵磁涌流的維持時間不小于20毫秒，但一般不會大于150毫秒。因此，對變壓器實施保護的斷路器在此范圍內不能實施保護脫扣操作。

對于前述的隔離變壓器，其參數是：容量SN=250kVA，一次側額定電壓UN1=400V，二次側額定電壓UN2=230V，阻抗電壓USR=4%。

將阻抗電壓為4%代入上式，可得：

由此看出，250kVA低壓系統隔離變壓器的起動沖擊電流大約為25倍的額定電流。

再以T2的一次側額定電壓代入，可得如下具體參數：

由此可知，原先采用的S5H400R400開關就是因為I短路參數不能實現延遲脫扣，因而對變壓器產生的勵磁涌流執行短路保護脫扣而跳閘的。

三.如何配置變壓器的保護斷路器

從上文中我們可以知道，該變壓器額定電流為361A，而起動電流為9kA。那么如何來選擇保護斷路器呢？

低壓斷路器不象中壓繼保裝置可以實現各種保護方式，低壓斷路器的保護方式只有過載長延時、短路短延時和短路瞬時等三種反時限保護參數。在這里，我們必須用斷路器的短路短延時S參數保護來實現斷路器對變壓器的起動閉鎖和短路保護。

我們來看斷路器的保護特性：

上圖為斷路器的L-S保護特性曲線。其中【過載保護】用于變壓器的常態過載保護，而【起動屏蔽】則用于變壓器對起動沖擊電流實施脫扣屏蔽，而【短路保護】則用于變壓器的短路保護脫扣。

顯見，為變壓器執行保護的斷路器必須具備L-S保護類型，即使用類別為B的斷路器。最重要的是：短延時的時間延遲必須大于20毫秒，不妨取為0.1秒。這樣，當發生了短路后，斷路器能在延遲0.1秒后跳閘，而此前的參數則可用于對變壓器勵磁涌流實施保護屏蔽。

四.選擇斷路器舉例

我們來看ABB的塑殼S開關的有關參數。ABB的塑殼開關最大規格是S7開關，S7開關的電流選擇表如下：

?

因為斷路器的短延時S一般為額定電流的1~10倍，所以對于T2變壓器來說，只能采用S7斷路器，其額定電流為1000A，而短延時電流為10kA滿足T1變壓器起動勵磁涌流9kA的要求。

再看S7斷路器的短延時脫扣時間的整定值：

從表格中看到，當S7開關的S脫扣在t2=0.1秒的延時下脫扣電流倍數為8倍In，不滿足250kVA變壓器的起動勵磁涌流的屏蔽要求。

我們再看Emax短路器的參數：

我們不妨選擇E1B1000開關。我們再看E開關的保護參數：

從表中可以看出，當S反時限保護參數在10In的電流下其脫扣時間可調整到0.1秒。

因此，對于T2斷路器來說，最合適的斷路器就是E1B1000斷路器，且脫扣采用PR121/P L-S-I，其中I參數關閉。

所以工程師在實際操作中應該根據參數設置選擇符合需要且最具備安全系數的斷路器系統。