10kV 油浸式內置高壓保護變壓器技術研究

徐東偉，劉振雷，周永亮

（許繼變壓器有限公司，河南 許昌461000）

1 引言

我國柱上10kV 油浸式配電變壓器一次側廣泛采用高壓跌落式熔斷器保護，從運行效果看，用熔斷器保護配電變壓器結構簡單、成本低。但從短路試驗結果表明，當變壓器內部發生故障時，為避免油箱爆炸，必須在20ms 內切除短路故障。限流熔斷器可在10ms 內切除短路故障，而柱上斷路器一般需要三周波（60ms）切除短路故障。柱上斷路器全開斷時間由3 部分組成：繼電保護動作時間、斷路器固有動作時間和燃弧時間，從原理上暴露其保護性能缺點。

2 內置高壓保護變壓器設計原理

10kV 油浸式內置高壓保護全密封配電變壓器由后備限流熔斷器、電流和溫度雙因素保護負荷開關、變壓器器身等主要部件組成（如圖1 所示）；雙因素負荷開關具有類似噴射式熔斷器的保護特性，保護特性受溫度和負荷2 種因素影響。當變壓器二次側過載或短路時，雙因素保護負荷開關會瞬間脫扣，并能有效熄滅開斷時產生的電弧，順利斷開變壓器電源。也可用操作手柄對雙因素保護負荷開關進行分合，從而實現負荷開關的功能，熔斷器結構滿足三相聯動方式要求，相比傳統跌落式熔斷器避免變壓器缺相運行[1]。

圖摘要kV 油浸式內置高壓保護的全密封變壓器原理圖

3 變壓器高低壓分級保護配置及保護原理

變壓器運行時，其繞組和鐵芯產生的損耗轉變成熱量，一部分被變壓器各部件吸收使之溫度升高，另一部分則散發到其他介質中。當散發的熱量與產生的熱量相等時，變壓器各部件的溫度達到穩定，不再升高。變壓器運行時各部件的溫度是不同的，繞組溫度最高，鐵芯次之，變壓器油的溫度最低。為了便于監視運行中變壓器各部件的溫度，規定以上層油溫為允許溫度。

變壓器的允許溫度主要決定于繞組的絕緣材料。我國電力變壓器大部分采用A 級絕緣材料，即浸漬處理過的有機材料，如紙、棉紗、木材等。對于A 級絕緣材料，其允許最高溫度為105℃，由于繞組的平均溫度一般比油溫高100℃，同時為了防止油質劣化，所以規定變壓器上層油溫最高不超過95℃。而在正常狀態下，為了使變壓器油不致過速氧化，上層油溫應不超過85℃。當變壓器絕緣材料的工作溫度超過允許值時，其使用壽命將縮短。

4 熔斷器的動作特性及保護原理

目前，國內很多地區10kV 美式箱變及35kV 風力發電場使用全范圍高壓限流熔斷器一般由2種形式組成，用戶可根據各自情況按以下保護方案來選用。

1）由后備限流式和噴射式兩者獨立串聯組合而成的全范圍保護，后備限流式熔斷器因石英砂具有熄滅電弧和限流作用，開斷大故障電流能力強，而開斷小過載電流很困難。噴射式熔斷器對小過載電流開斷能力強，而大故障電流開斷卻很困難。噴射管由一種產氣材料制成，當熔體熔化時出現電弧產氣管在高溫作用下產氣將電弧噴出在油箱內熄滅。2）后備限流式和噴射式組合為一體的熔斷器，當大故障電流由后備限流式開斷，當小過載電流出現時由噴射式將電弧噴出由石英砂吸收滅弧，從而將兩者的優點結合起來組成全范圍保護熔斷器[2]。

5 雙因素保護負荷開關的動作特性及保護原理

雙因素保護負荷開關對溫度和電流因素反應敏感，當過載時，大電流通過雙因素保護負荷開關的傳感器使傳感器內高感材料的溫度迅速升高，當溫度過高致使傳感器高感材料失磁，雙因素保護負荷開關瞬間脫扣，雙因素保護負荷開關通過操作機構與變壓器進線端相連的動觸頭分閘，及時斷開變壓器電源，實現過流和油溫保護功能。

當雙因素保護負荷開關的溫度恢復到磁性時，可重新對雙因素保護負荷開關進行閉合操作，雙因素保護負荷開關可重復使用。用雙因素保護負荷開關操作手柄就地遠端對三相雙因素保護負荷開關進行就地操作，也可作為負荷開關使用。雙因素保護負荷開關的操作手柄具有分合位置指示和夜間反光功能，也可作為隔離開關使用。

通過如圖2 曲線可以得到以下結論：

1）溫度越高，雙因素開關動作越快；

2）在試驗電流（20A～60A）范圍內，開關動作快于后備熔斷器；

3）在1.5～3 倍額定電流范圍內，電流的增加會明顯縮短雙因素開關的開斷時間。

圖2 雙因素保護負荷開關開斷曲線

雙因素保護負荷開關與雙敏熔絲一樣，都是從電流和溫度2 方面對變壓器低壓側故障或過載進行保護，可以防止由于過載或環境溫度所導致的變壓器長期溫升。雙因素保護負荷開關需滿足以下技術要求：

1）三相雙因素保護負荷開關具有感應變壓器油溫及負載電流，具有雙敏感性。當變壓器油溫疊加負載電流流經雙因素保護負荷開關所產生的溫度達到145℃時，雙因素保護負荷開關的傳感器感應觸發機構分閘。

2）油位過低時，三相雙因素保護負荷開關閉鎖手動合閘功能。

3）過載保護（雙因素保護負荷開關）時，不需更換設備，可重復使用，排除非正常狀態負荷或故障后，可直接重新閉合。

4）三相雙因素保護負荷開關動作為單相感應和三相脫扣，避免了變壓器缺相運行，降低變壓器故障率，提高供電可靠性。

6 雙因素保護負荷開關與后備限流熔斷器的配合保護

后備限流熔斷器和雙因素保護負荷開關的配合，需要考慮以下5 個主要因素：

1）將后備限流熔斷器的最小熔化曲線同雙因素保護負荷開關的最大開斷曲線進行比較，注意這2 條曲線交叉的地方，這就是所謂的“交叉點”。確保該交叉點對應的電流值大于最大短路輸出電流值，這將保證后備限流熔斷器僅在故障電流大于二次側最大故障電流的情況下才開始動作，如變壓器內部故障引起的故障電流。

2）所選ELSP 熔斷器的最小額定開斷電流應小于交叉點電流值。這可以確保后備限流熔斷器只會被要求開斷大于其最小額定開斷電流的故障電流值。

3）確保雙因素保護負荷開關最大開斷曲線和后備限流熔斷器最小熔化曲線之間在長期區域沒有交叉是很重要的，因為這可能引起ELSP 熔斷器會試圖開斷電流——低于其最小熔化電流值的電流或是在BON 熔斷器動作前ELSP 熔斷器受到破壞。要想確保這一點，在300s 時對應的雙因素保護負荷開關的最大開斷電流值必須小于或等于90%的對應的后備限流熔斷器的最低熔化電流值。當達到合適的匹配時，低電流系列保護裝置應率先動作。后備限流熔斷器應當只有在變壓器內部故障、繞組（匝間絕緣）故障，以及其他類似的需要將變壓器移出運行現場的故障時才允許動作[3]。

4）理想情況下，這將提供額外的裕度確保雙因素保護負荷開關和ELSP 熔斷器的重疊保護區域。

5）在特殊情況下，即使上述所列條件并沒有完全得到滿足，仍然有可能成功地使用雙因素保護負荷開關及后備限流熔斷器。配合時間電流特性曲線（以容量為315kV·A 內置高壓保護變壓器為例）如圖3 所示。

圖3 配合時間電流特性曲線圖

7 提高內置高壓保護變壓器抗短路能力的措施

變壓器短路時的短路電流一般要達到額定電流的幾十倍，而此時的電磁力則為正常運行時電磁力的幾百倍，如此大的電磁力致使鐵芯、線圈、緊固件等遭受重大的損傷，如果配電變壓器的質量有缺陷，有可能損壞整臺配電變壓器，最終導致供電中斷。銅導線的膨脹系數比絕緣材料大很多，隨著電力增大，導線溫度升高，絕緣層受到張力和壓力，導致導線絕緣受損。另外，導體線匝因留有相同的電流產生擠壓力，使線匝間絕緣受壓，同時，線圈軸向方面產生壓縮力。當線圈中流有短路電與線圈的漏磁場相互作用時，便會產生非常大的機械應力。同時因一、二次繞組高度不相等，會造成繞組安匝不平衡，也會產生軸向分力。變壓器生產企業工藝水平是造成配電變壓器抗短路能力高低的主要原因。在產品制造過程中應提高配電變壓器繞組墊塊加工、繞組生產、繞組預套裝、內繞組撐緊及總裝中的緊固5 個方面的工藝水平。

配電變壓器的設計及研制主要依據GB 1094.1 《電力變壓器 第1 部分：總則》、GB 1094.2《電力變壓器 第2 部分：液浸式變壓器的溫升》、GB 1094.3《電力變壓器 第3 部分：絕緣水平絕緣試驗和外絕緣空氣間隙》、GB 1094.5《電力變壓器 第5 部分：承受短路的能力》、GB/T 6451《三相油浸電力變壓器技術參數和要求》。變壓器試驗檢測方面主要依據GB 1094.2《電力變壓器 第2 部分：溫升》、GB 1094.3《電力變壓器 第3 部分：絕緣水平 絕緣試驗和外絕緣空氣間隙》、GB 1094.5《電力變壓器 第5 部分：承受短路的能力》、GB 1094.3《電力變壓器 第10 部分聲級測定》、GB 1094.4《電力變壓器第4 部分：電力變壓器和電抗器的雷電沖擊和操作沖擊試驗導則》和JBT 501—2006《電力變壓器試驗導則》。

配電線路帶電作業已經成為提高供電可靠性的重要手段，目前，在配電專業可開展的帶電作業達到33 種（2013 年國家電網公司共計開展配電帶電作業摘要 次），其中與變臺相關的帶電作業有帶負荷更換跌落式熔斷器、斷接電纜終端引線、更換柱上變壓器、更換避雷器。

8 結語

通過對10kV 油浸式內置高壓保護變壓器進行研究，在油浸式變壓器的基礎上，采用自身具有保護功能過電流、過溫雙因素保護原理的雙因素保護負荷開關，通過與后備限流熔斷器的配合，實現全范圍的優化保護配置，具有人工分合閘、過負荷保護、出口短路保護以及變壓器內部短路保護等功能。