變壓器高低壓斷線故障分析

(佛山市勁能電力工程有限公司,廣東 佛山 528000)

我國的城市電網(wǎng)和農(nóng)村電網(wǎng)主要采用的是10kv電壓等級(jí)，其擔(dān)負(fù)著向居民用戶提供安全用電的任務(wù)。但10kv電網(wǎng)由于接線路徑較復(fù)雜、故障率高、管理不善等原因，在運(yùn)行過程中，電網(wǎng)的變壓器容易發(fā)生高低壓及中性線斷線的情況，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)序及零序電壓、負(fù)序電流，致使電網(wǎng)變壓器的溫度不斷上升，這不僅影響到變壓器的使用壽命和其他設(shè)備的運(yùn)行，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)的癱瘓，造成更嚴(yán)重的后果。因此，本文分析了變壓器高低壓斷線故障，積極總結(jié)故障規(guī)律，尋找解決故障的措施，以確保電網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，為用戶提供安全的用電環(huán)境。

1 變壓器高壓側(cè)發(fā)生斷線的分析

10KV配電變壓器（Y/△)高壓側(cè)一相斷線，僅非電源側(cè)絕緣導(dǎo)線落地。如果一相斷線施加于斷線點(diǎn)之后變壓器上的電壓為其他未斷線兩相之間的電壓即線電壓,而變壓器低壓側(cè)電壓改變。假設(shè)變壓器高壓A相斷線，C相、A相繞組串聯(lián)再與B繞組并聯(lián)接入電網(wǎng)，則加在C相、A相繞組線圈上的電壓就是系統(tǒng)線電壓UBC如圖1所示。

假設(shè)變壓器在結(jié)構(gòu)上三相對(duì)稱，有UAB=UCA=－UBC/2。

高壓正序:UAB1=(UAB+aUBC+a2UCA)/3；(1)

高壓負(fù)序:UAB2=(UAB+a2UBC+aUCA)/3；(2)

高壓零序:UAB0=(UAB+UBC+UCA)/3。(3)

將電壓邊界條件帶入式(1)、式(2)、式(3)分別得:

UAB1=(1/2)aUBC=12UBCej120；

UAB2=(1/2)a2UBC=12UBCe－j120；

UAB0=0。

圖1 變壓器高壓側(cè)A相斷線

同理求出:UBC1=(1/2)UBC；UBC2=(1/2)UBC；UBC0=0；

UCA1=(1/2)UBCe－j120；UCA2=(1/2)UBCej120；UCA0=0；

式中:a=ej120=－1/2+(j/2)；

a2=e－j120=－1/2－(j/2)。

低壓側(cè)電壓在數(shù)值上為高壓側(cè)的1/K，因是11點(diǎn)接線，低壓側(cè)正序電壓角度要超前高壓側(cè)正序電壓30度(ej30)，低壓側(cè)負(fù)序電壓角度要滯后高壓側(cè)負(fù)序電壓30度(e－j30)，Y0側(cè)無零序電壓，則有

低壓零序:Ua0=Ub0=Uc0=0；

低壓正序:Uab1=UAB1ej30/K=(1/2K)UBCej150；

Ubc1=UBC1ej30/K=(1/2K)UBCej30；

Uca1=UCA1ej30/K=(1/2K)UBCe－j90。

低壓負(fù)序:Uab2=UAB2e－j30/K=(1/2K)UBCe－j150；

Ubc2=UBC2e－j30/K=(1/2K)UBCe－j30；

Uca2=UCA2e－j30/K=(1/2K)UBCej90。

低壓線電壓:

Uab=Uab1+Uab2=(1/2K)UBCej150+(1/2K)UBCe－j150=(/2K)UBCej180=(/2K)UBC；

Ubc=Ubc1+Ubc2=(/2K)UBC；

Uca=Uca1+Uca2=0。

因△接線側(cè)相電壓等于線電壓，即

UAB1=(1/2)UBCej120=UA1；

UAB2=(1/2)UBCe－j120=UA2；

則有Y接線側(cè)相電壓

Ua1=(/3K)UA1=(/6K)UBCej120；

Ua2=(/3K)UA2=(/6K)UBCe－j120；

Ua=Ua1+Ua2=(/6K)UBCej180=(－/6K)UBC。

同理求得:Ub1=(/6K)UBC；Ub2=(/6K)UBC；

Uc1=(/6K)UBCe－j120；Uc2=(/6K)UBCej120；

Ub=Ub1+Ub2=(/3K)UBC；Uc=Uc1+Uc2=(－/6K)UBC。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)數(shù)值上低壓a相相電壓Ua=(/3K)UA，當(dāng)故障時(shí)，數(shù)值上Ua=(/6K)UA，比正常時(shí)減小了一半，b相相電壓沒變，c相相電壓比正常時(shí)減小了一半。也可從變壓器鐵心三相磁通看出，A相柱和C相柱的磁通為B相柱的磁通的一半，所以低壓a相電壓和c相電壓為b相電壓的一半。如果低壓b相電壓為230V，則a相電壓和c相電壓為115V。

圖2 變壓器低壓側(cè)A相斷線

2 變壓器低壓側(cè)發(fā)生斷線的分析

變壓器低壓采用三相四線制。

2.1 低壓相線斷線

低壓相線斷線時(shí)變壓器斷線相等同于空載，輸出額定的電壓，無電流，該相上所帶負(fù)荷的電流為零，非斷線兩相因相線和中性線仍能構(gòu)成回路，所以能正常供電不受斷線相影響。假設(shè)低壓a相斷線如圖2所示，電流邊界條件為Ia=0；Ib=Ib；Ic=aIb。

低壓側(cè)正序:Ia1=(Ia+aIb+a2Ic)/3=(2/3)aIb；

Ia2=(Ia+a2Ib+aIc)/3=(－1/3)aIb；

Ia0=(Ia+Ib+Ic)/3=(－1/3)aIb。

由此可推算出高壓側(cè)的IA1=Ia1ej30/K=(2/3K)Ibej90；

IA2=Ia2ej30/K=(－1/3K)Ibej150；

IA=IA1+IA2=(－Ib/K)a2。

同理推算出IB1=(2/3K)Ibe－j30；IB2=(－1/3K)Ibe－j90；IB=Ib/K；

IC1=(2/3K)Ibe－j150；IC2=(1/3K)Ibej30；IC=－Ib/K ej30。

通過向量關(guān)系IA=(－Ib/K)e－j120；IB=Ib/3K；IC=－Ib/Kej30；可以得到高壓側(cè)電流－IC=IA+IB關(guān)系成立，即低壓a相斷線，b、c相帶負(fù)荷時(shí)，低壓變壓器零線電流為b、c相電流的向量和；高壓的C相電流數(shù)值將是高壓A、B兩相的電流向量和。

2.2 低壓中性線斷線

當(dāng)?shù)蛪褐行跃€斷時(shí)，理論上三相負(fù)載完全對(duì)稱，且不影響對(duì)負(fù)荷的供電，但因單相負(fù)荷的存在，實(shí)際上三相負(fù)荷阻抗不會(huì)相同，則三相電流數(shù)值也就不相同。

根據(jù)克西荷夫第一定律可知，變壓器低壓側(cè)為維持三相電流的矢量和為零，其中性點(diǎn)電壓將發(fā)生位移，中性點(diǎn)位移電壓公式為

UNn=(Ua×Ya+Ub×Yb+Uc×Yc)/(Ya+Yb+Yc+YN)，(4)

式中，Ya、Yb、Yc、YN分別為不對(duì)稱星形連接各相負(fù)載的及中性線的導(dǎo)納(阻抗的倒數(shù))。

假設(shè)零線斷線前a相負(fù)荷最大，b相次之，c相最小，并有以下各相導(dǎo)納不平衡關(guān)系成立

Ya=1.5Yc；Yb=1.2Yc；Yc=Yc=1；電源Ua=Ua，Ub=aUa，Uc=a2Ua，斷線后YN=0，代入式(4)可得:

UNn=Ua(0.12+j0.05)=0.13Uaej22.6；

低 壓a相 電 壓:U1a=Ua－UBN=0.88Uae－j3.3；

低 壓b相 電 壓:U1b=Ub－UNn=1.03Uaej127；

低 壓c相 電 壓:U1c=Uc－UNn=1.11Uae－j124。

通過計(jì)算結(jié)果可以看到，中性點(diǎn)位移電壓達(dá)13%的額定相電壓，a相負(fù)荷電壓降為88%的額定相電壓，b相略有升高，c相則升高10%，位移將偏向負(fù)載最大相，造成大負(fù)載相電壓偏低，而小負(fù)載相電壓偏高。如果三相負(fù)荷不對(duì)稱度繼續(xù)加大，三相電壓不平衡度就越大，嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)輕載相負(fù)荷所承受的電壓超過額定相電壓很多，燒損設(shè)備，而重載相電壓過低，設(shè)備無法運(yùn)行的現(xiàn)象。

結(jié)語

變壓器高低壓斷線故障會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡，若超出額定電壓，則可能燒損用電設(shè)備。因此，電網(wǎng)的管理人員應(yīng)高度重視變壓器高低壓斷線故障，及時(shí)掌握故障規(guī)律，做出正常的判斷，進(jìn)行合理的維修。同時(shí)應(yīng)強(qiáng)化電網(wǎng)的管理，加強(qiáng)用電設(shè)備的監(jiān)控力度，避免線路故障現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而確保電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

[1]趙云.10kv變壓器母線電壓異常現(xiàn)象判斷與處理[J]農(nóng)業(yè)工程.2012(08).

[2]孫勝濤;張偉;陳勇強(qiáng);卜晨晨.一起220kv變壓器低壓繞組斷線故障的分析處理[J]變壓器.2012(08).