大電流限流開斷器未正確動作導致的變壓器跳閘故障分析

張志剛，孟立會，賈志輝，甄 利，張樹亮

(1.國網河北省電力公司，石家莊 050021； 2.國網滄州供電公司，河北 滄州 061000)

大電流限流開斷器未正確動作導致的變壓器跳閘故障分析

張志剛1，孟立會1，賈志輝1，甄 利1，張樹亮2

(1.國網河北省電力公司，石家莊 050021； 2.國網滄州供電公司，河北 滄州 061000)

針對一起大電流限流開斷器爆開引起變壓器跳閘故障進行分析，通過對故障設備解體檢查、對啟動定值進行核算、對控制器進行試驗，認為該故障由串聯電抗器發生匝間短路并發展成相間故障，限流開斷器未完全切斷故障回路，引起主變低壓側跳閘。最后，對故障反映出的問題提出一些改進建議。

變壓器；大電流開短器；故障；跳閘

當大容量主變壓器低壓側發生近區故障時，短路電流大多超過31.5～40 kA，部分達到60 kA以上。目前變電站通用斷路器的開斷能力不超過63 kA，全開斷時間為100 ms以上，在開斷之前，變壓器常因經受不住短路電流第一個周波的電動力沖擊而發生損壞，對付大短路電流已經無能為力。

大電流限流開斷器采用限流器和快速斷路器、熔斷器等組合，為實現大容量變壓器低壓側快速短路保護提供了一種新的解決方案。但由于變壓器低壓側電網運行情況復雜，大電流限流開斷器實際掛網運行時間不長，實際運行經驗有待積累。以下通過對一起大電流限流開斷器未正確動作導致的變壓器跳閘故障進行分析，為該技術的推廣應用提供經驗[1-2]。

1 故障情況

2016年7月4日4時27分43秒，某220 kV變電站電容器組串聯電抗器發生VW相間短路故障，該變壓器低壓側大電流限流開斷器(簡稱“開斷器”)W相開斷，隨后串聯電抗器轉換成UV相間故障，電容器過流Ⅰ段保護動作，切除故障。4分9秒后，主變壓器低壓側開斷器V相封口爆開，導致主變壓器低壓側相間短路，主變壓器差動保護動作跳開三側開關。

故障時當地天氣晴，氣溫18 ℃，濕度78%。故障前該站處于正常運行方式，無檢修，無操作。故障示意如圖1。

故障發展順序為04∶27∶43 625,電容器發生VW相間故障；04∶27∶43 639，主變壓器低壓側大電流限流開斷器W相熔斷；04∶27∶43 644，電容器轉換為UV相間故障；04∶27∶43 715，電容器保護過流Ⅰ段動作出口；04∶27∶43 746，電容器保護過流Ⅰ段跳開電容器組開關；04∶31∶52 878，主變壓器低壓側大電流限流開斷器發生VW相間故障；04∶31∶52 900，主變壓器差動保護動作出口，跳三側開關。

圖1 故障示意

2 現場檢查試驗情況

2.1 現場檢查情況

故障發生后，35 kV低壓側大電流限流開斷器V相端部炸開、V相隔離變壓器表面閃絡，支柱絕緣子表面有放電痕跡，V相限流熔斷器掉落于地，控制器三相運行燈亮。3322電抗器2根撐條掉落，表面有放電痕跡。

V相電抗器3、4層間絕緣包封有貫穿性電弧痕跡。U相底部有放電痕跡、W相頂部匯流排及絕緣子底部法蘭有放電痕跡及吊架有多處電弧放電痕跡。

2.2 電容器間隔試驗情況

電容器間隔其他設備檢測無異常，故障電抗器V相繞組直阻較U、W相偏大，互差為3.6%，超過2%的警示值[3]，說明電抗器內部有斷線。

2.3 大電流限流開斷器試驗情況

測量開斷器通斷，V、W相不導通，U相完好。

3 故障設備解體情況

3.1 電抗器解體情況

3.1.1 電抗器V相廠內測試情況

直流電阻75 ℃測試結果見表1，由表1可以說明V相電抗器內部有斷線，與現場測試結果吻合。

表1 電抗器V相直流電阻測試結果(75 ℃)

標準值U相V相W相出廠值/Ω0.42250.40890.4200返廠測量值/Ω0.41800.43430.4164實測值與出廠值偏差比-1.07%6.21%-0.86%

3.1.2 設備具體解體情況

故障電抗器第3繞包層外側有上下貫徹過火煙熏痕跡，距離電抗器下端12 cm處有明顯外絕緣碳化損傷痕跡。對第3繞包層導線進行剝離。第3繞包層共3層導線，撥開外絕緣層，在距離下端12 cm處，與外絕緣碳化損傷處對應位置最外層導線電弧灼傷痕跡，其中1根導線熔斷，2根導線外側灼傷。第3繞包中間層導線表面有煙熏痕跡，導線表面絕緣膜仍存在，第3繞包最內層導線表面無異常現象，導線表面絕緣膜完好無損。

3.2 大電流限流開斷器解體情況

3.2.1 大電流限流開斷器原理

開斷器包括3個分相安裝的本體部分和1個共用的低壓信號控制箱。每相本體部分由快速隔離器、限流熔斷器、高壓側電子控制器、隔離變壓器等部件構成，見圖2。

圖2 大電流限流開斷器原理結構

正常運行情況下快速隔離器1和限流熔斷器2并聯，因后者電阻大，故負荷電流幾乎全部流過快速隔離器2。

短路情況：當短路電流小于電子控制器3整定值時，由串聯的真空斷路器切斷短路電流；當短路電流超過電子控制器3的整定值時由開斷器開斷短路電流。過程：短路后電子控制器先發出點火信號，對快速隔離器1斷口爆破切割，高速斷開(120 μs)；短路電流轉移至限流熔斷器2中，熔斷器經1～2 ms燃弧時間之后，熔斷器熄滅電弧，短路電流被完全開斷，低壓信號控制箱上動作相紅燈變為綠燈，見圖3。

開斷器正常動作后，快速隔離器5個斷口爆破切割，銅排斷口上翻形成較大斷口，電流被切斷，空氣絕緣恢復。短路電流轉移至限流熔斷器，熔斷器的多個串聯切口熔斷，通過石英砂滅弧，根據釋放能量大小，石英砂將燒融成不同直徑的球形，能量越大，球形越大。

3.2.2 設備解體情況

3.2.2.1 快速隔離器解體情況

U、W相快速隔離器外觀完好，V相快速隔離器一端的罐裝封口噴開，導體斷裂。對V相快速隔離器進行了觀察和分析。發現第一斷口已經完全斷開，其它4個斷口完好，第3、4、5斷口導爆索未動作。

圖3 大電流限流開斷器動作過程示意

3.2.2.2 熔斷器解體情況

三相熔斷器外觀沒有明顯變化。解體發現，W相熔斷器銀帶上石英砂球形明顯(直徑約12 mm)，判斷W相快速隔離器斷開后熔斷器流過大電流進行滅弧。V相熔斷器銀帶上石英砂球相對較小(直徑約6 mm)，判斷V相熔斷器經受了一個小于W相的故障電流，但遠大于正常電流的故障電流。U相熔斷器銀帶光亮，沒有石英砂球凝結。

3.2.2.3 電子控制器測試情況

現場對三只電子控制器進行模擬試驗，U、W相控制裝置良好，在模擬定值達到啟動值時能夠準確發出跳閘信號。V相電弧灼傷明顯，不能正常工作，無法驗證其運行狀況。

3.2.2.4 低壓信號控制箱測試情況

現場測試各原件狀態良好，正常電壓下準確動作。對控制箱低電壓下動作情況進行驗證發現，125 V為控制箱工作電源電壓臨界值，低于125 V時控制箱不能發跳閘信號。

4 故障原因分析

4.1 電抗器故障

4.1.1 放電起始點分析

故障電抗器解體發現，第3繞包層外層導線距離下端12 cm處，一根導線燒斷，2根導線外側灼傷，同時發現外絕緣存在個別位置空洞和氣腔。分析認為，故障點處絕緣存在氣腔等薄弱環節，隨運行時間增加，持續放電導致絕緣劣化，最終引發匝間絕緣擊穿短路。

4.1.2 相間故障分析

電抗器外絕緣采用浸漬玻璃砂的環氧樹脂，燃點300 ℃左右，燃燒時產生大量黑煙。分析認為，匝間絕緣擊穿導致匝間短路燒損，含大量炭黑的煙塵導致首先引起V、W相短路，V相撐條掉落過程中引起U、V相間短路。

4.2 大電流限流開斷器故障

4.2.1 W相大電流限流開斷器在錄波電流有效值為6.9 kA下動作的原因分析

按照設計，大電流限流開斷器整定啟動值包含短路電流變化率di/dt和i2個判據，di/dt為14，i為10.5 kA，當2個判據均滿足時大電流限流開斷器動作。該短路電流整定值i為標準正弦波換算的有效值10.5 kA。實際故障時，短路電流被切斷后波形畸變，故障錄波電流有效值實際為畸變波形積分值，瞬時故障電流達到14.2 kA時，其有效值為6.9 kA，按標準正弦波換算有效值為10.1 kA，滿足整定值±5%的范圍，符合啟動條件，見圖4、圖5。

圖4 整定值i按正弦電流整定

圖5 動作電流值為黃色部分積分值

4.2.2 V相快速隔離器罐封端頭爆開原因分析

首先對三相熔斷器進行解體分析。熔斷器的滅弧原理為，故障大電流通過銀帶熔絲時，銀帶熔絲上的多個串聯切口熔斷，通過石英砂滅弧。當熔斷器經受短時大電流熔斷時，會釋放大量能量，將石英砂燒融成球形，釋放能量越大，球形越大。反之，當其經受長時、小電流熔斷時，不會熔解石英砂，形成球形。解體發現，W相熔斷器銀帶上石英砂球形明顯，每個直徑約12 mm，判斷W相快速隔離器斷開后，熔斷器流過大電流進行滅弧。V相熔斷器銀帶上石英砂球相對較小，每個直徑約6 mm，判斷V相熔斷器經受了一個小于W相故障電流，但遠大于正常電流的故障電流。由于系統首先出現VW相間短路，VW相經受的短路電流應為一致，分析認為，V相快速隔離器在炸藥爆炸后斷口仍有拉弧，與熔斷器形成分流作用，熔絲熔斷，但經受電流明顯小于W相電流。熔斷器熔斷后，V相快速隔離器仍有拉弧，沒有完全斷開，不斷在密閉絕緣筒內積聚熱量，約4 min后，絕緣筒內壓力過大將罐裝封口爆開，金屬蒸汽和煙塵混合物噴出，造成系統VW相間短路。而沒有經受故障電流的U相熔斷器銀帶光亮，沒有石英砂球凝結，石英砂顏色略淺于VW兩相。

4.2.3 大電流限流開斷器未聯動低壓主進開關原因分析

模擬試驗表明U、W相控制裝置良好，能夠準確發出跳閘信號，V相電弧灼傷明顯，不能正常工作。低壓信號控制箱試驗驗證，原件狀態良好。分析認為，低壓信號控制箱工作電源取自站內低壓母線所帶站變W相，相間短路時該相母線電壓降低，導致低壓信號控制箱不能正確動作。控制箱低電壓下動作情況驗證發現，低于165 V時控制箱無法發出跳閘信號，低于125 V時信號指示燈不變位。繼電器固有動作時間為12 ms，通過錄波數據折算，VW相間短路時站用W相電源電壓下降至110 V左右，控制箱無法聯動跳開低壓主進開關，見圖6。

圖6 大電流限流開斷器工作時電壓明顯降低

5 處理措施及建議

綜合分析認為，故障相串聯電抗器存在制造工藝缺陷導致的絕緣薄弱點，長期運行后絕緣劣化擊穿，導致匝間短路燒損，引起V、W相短路(電流峰值14.2 kA)，V、W相限流開斷器啟動，W相正常斷開，V相快速隔離器導爆索未完全動作，僅斷開1個斷口(共5個)，同時由于短路造成站用電W相電壓異常降低至110 V，低壓控制箱無法正常發出313聯跳信號，致使V相開斷器在其后U、V相間短路電流和負荷電流下長時間燃弧，V相快速隔離器熱量積聚、壓力增大，導致快速隔離器沿罐裝封口爆開，金屬蒸汽和煙塵混合物噴出，造成主變壓器低壓側V、W相間短路，主變壓器差動保護動作出口，跳開三側開關。

6 結論及建議

a.故障相限流開斷器可靠性較差，易發生斷爆故障。生產廠家應進一步優化配比，消除斷爆問題。

b.故障大電流限流開斷器低壓信號控制箱存在設計缺陷，工作電源電壓波動或低于限值時不能準確發出跳閘命令。建議將產品工作電源改為直流逆變器供電，采用變電站220 V直流電壓作為設備唯一供電電源，消除交流電壓波動影響。

c.故障暴露出串聯電抗器布置形式存在問題，疊裝結構極易引發相間故障，應對電容器組串聯電抗器布置形式開展研究，進一步優化工程設計和設備選型方案。

d.大電流限流開斷器在快速切除短路故障方面優勢較為明顯，但應對控制工作電源、電子控制器、開斷方式等進行改進完善后增加運行經驗。

[1] 王中龍.限流器在變壓器低壓側的應用研究[D].濟南：山東大學，2013.

[2] 戴 超,莊勁武,楊 鋒,等.大電流電弧觸發式混合限流熔斷器分析與設計[J].電力自動化設備,2011,31(10):14-18.

[3] Q/GDW 168-2008,輸變電設備狀態檢修試驗規程[S].

本文責任編輯：丁 力

Fault Analysis on Transformer Tripping Caused by Large CurrentLimiting Open Circuit Device with Incorrect Actions

Zhang Zhigang1,Meng Lihui1,Jia Zhihui1,Zhen Li1,Zhang Shuliang2

(1.State Grid Hebei Electric Power Company,Shijiazhuang 050021,China；2.State Grid Cangzhou Electric Power Supply Company,Cangzhou 061000,China)

This paper analyzes the large current limiting open circuit device with incorrect actions lead to transformer tripping.Based on the fault equipment strip inspection,start setting value calculation and comparison,control device test analysis,draws a conclusion that the capacitor series reactor caused turn-to-turn short circuit and developed into interphase short circuit fault.And the fault was not disconnected by breaking device，caused transformer low-voltage side tripped.Finally,puts forward some suggestions for improvement to the fault.

transformer;current limiting open circuit device;fault;trip

2016-09-20

張志剛(1977-)，男，高級工程師，主要從事變壓器及四小器運檢管理工作。

TM761

B

1001-9898(2016)06-0042-04