主變壓器低壓側10 kV相間短路故障分析及短路電流抑制

楊立斌

(中鹽吉蘭泰鹽化集團有限公司，內蒙古 阿拉善盟 750306)

在氯堿企業中，供電系統發生的短路故障主要以電纜終端頭及過電壓保護器絕緣擊穿短路故障為主。

中鹽吉蘭泰鹽化集團有限公司(以下簡稱“吉蘭泰鹽化”)近兩年發生多起10 kV系統短路故障。在10 kV配電室內發生的短路故障因距離主變較近，短路電流較大，導致10 kV系統發生相間短路故障后，引起大面積停電事故和主變燒毀事故。35 kV系統受到大電流沖擊后，電壓大幅波動，給公司電氣系統的安全穩定運行造成了較大的威脅。因此，分析吉蘭泰鹽化主變低壓側10 kV相間短路故障原因，并制定出合理的短路電流抑制措施尤為重要。

1 近年3起短路事故及原因分析

1.1 事故

(1)2017年4月10日，吉蘭泰鹽化氯酸鈉分廠10 kV母線電壓互感器柜三相短路導致220 kV變電站7#主變電抗器B相絕緣擊穿起火，引起B、C相相間弧光短路，造成7#主變高、低壓側斷路器過流一段保護動作跳閘，導致7#主變10 kV側繞組燒毀。

(2)2018年3月17日，220 kV變電站將送化工區糊樹脂變電站5#主變高壓側35 kV進線398線路A、B相接反，化工區糊樹脂變電站電氣人員在未對5#主變低后備900帶電核相試驗的情況下合閘，導致1#、2#主變并列運行時兩路35 kV電源發生A，B相短路故障。事故造成高分子公司A，B線系統停車及2#主變線圈絕緣擊穿、燒毀。

(3)2019年5月4日，化工區精餾變電站單體壓縮機高壓柜內過電壓保護器B、C相絕緣擊穿短路后，短路電流沖擊造成6#主變繞組燒毀。同時，引起35 kV系統電壓大幅波動，導致化工區全部裝置停車，電石廠部分機爐跳停。

1.2 事故原因分析

由以上3起事故可見：當10 kV系統發生變壓器近區相間短路故障時，最終都會因遭受較大短路電流沖擊而導致變壓器燒毀事故。隨著氯堿企業電力系統設備數量的增多和容量的增大，電力系統的短路電流也呈直線上升，而常規斷路器切除短路電流的水平以及非周期能力有限。雖然在短路故障發生后變壓器高、低壓的斷路器均能可靠動作跳閘，但是由于分斷時間較長(60～100 ms)，無法在故障后首半波10 ms以內，即短路電流尚未上升到峰值之前將故障電流完全分斷。變壓器多因經受不住首個半波短路電流的電動力沖擊而發生繞組位移、變形和電弧放電，最終被損毀。

2 抑制短路電流的措施

限制電氣設備短路電流的方法有很多，可采用變壓器分列運行、饋出線裝設限流電抗器、采用高阻抗變壓器、在變壓器低壓側母線裝設限流電抗器、變壓器低壓側母線直接串聯快速開關，或者將限流電抗器和快速開關并聯后串聯接入變壓器低壓側母線。然而，眾多饋出線都裝設限流電抗器或者采用高阻抗變壓器，這兩種方案都不經濟。目前，國內制短路電流已經積累了豐富的運行經驗，主要采用以下3種方式設限。

2.1 變壓器低壓側母線裝設限流電抗器[1]

采用在變壓器低壓側串聯電抗器限流的方法，可以將其短路電流限制在一定水平，從而保證在10 kV饋線發生三相或兩相短路時變壓器能夠安全運行。由于電抗器自身的特性，系統必將存在以下不可避免的問題。

(1)由于限流電抗器串聯在變壓器的低壓側，系統正常運行時電抗器流過負荷電流，必然會產生巨大的電能損耗，給企業造成一定的經濟損失，按照1303 變電站主變低壓側加裝UKR為12%電抗器的損耗計算，投入運行后，損失電費高達27 萬元/a。

(2)由于系統正常運行時在電抗器上會產生電壓降，而這個電壓降會隨負荷變化，影響供電電壓的質量，特別是在較大功率電動機啟動時，電抗器上的電壓降會加劇，從而影響其他負荷的正常運行，甚至造成有低電壓保護的設備跳閘。

(3)空心電抗器強大的漏磁場會使混凝土和通信受到影響和干擾。一方面，樓板或基礎混凝土中的鋼筋在強大的漏磁場作用下產生附加損耗，而且在長期的振動下，將使混凝土松軟，影響混凝土基礎和廠房的壽命；另一方面，強大的漏磁場將使通信系統及計算機監控系統受到嚴重干擾，甚至無法正常工作。

2.2 電抗器和快速開關并聯后接入變壓器母線

限流電抗器和快速開關并聯后，串聯接入變壓器低壓側母線。在變壓器正常運行時，電流幾乎全部流過快速開關，避免了變壓器低壓側回路中裝設限流電抗器出現的諸多問題。當10 kV母線或10 kV 出線發生短路時，快速開關會快速斷開，投入限流電抗器限制短路電流，使故障點的短路電流降低到主變可以承受的短路電流，從而保障主變和系統的安全運行。通過在電抗器兩端并聯快速開關，不但解決了10 kV 出線短路引起的主變穿越性故障外，而且從根本上避免了長時間使用電抗器帶來的電壓波動、電能損耗和漏磁場等問題，大大提高了供電質量。

2.3 變壓器母線直接串聯快速開關

在變壓器低壓側母線直接串聯快速開關，當變壓器低壓側饋線發生三相或兩相短路時，快速開關第一時間快速動作，使變壓器快速退出運行而免受短路電流的沖擊，確保變壓器自身不會燒毀。相比電抗器和快速開關并聯后接入變壓器母線來說，變壓器母線直接串聯快速開關這項方案的供電可靠性降低，無須加蓋電抗器室，并且快速開關可以采用組件方式安裝在主變室內，既節省了投入成本，又能避免變壓器被燒毀。

3 改造方案

3.1 35 kV/10 kV變壓器低壓側短路電流抑制方案

通過對各類限流措施的分析對比，并根據公司電力系統的實際運行情況，吉蘭泰鹽化選擇了兩種較為可靠的方式來抑制變壓器低壓側短路電流，以保護變壓器不受短路電流的沖擊。

(1)直接在35 kV/10 kV變壓器低壓10 kV側母線串聯接入快速開關。

(2)將限流電抗器和快速開關并聯后串聯接入變壓器低壓側母線。

3.2 化工區主變低壓側短路電流抑制方案

220 kV變電站5#主變和6#主變低壓側短路電流抑制方案是將限流電抗器和快速開關并聯后串聯接入變壓器低壓側母線。正常運行時電抗器被短路，電流只從快速開關中流過，當10 kV出線上發生短路故障時，快速開關快速斷開將限流電抗器投入，進行限流，以減小短路電流對主變的沖擊，既保護了主變，又不會造成供電中斷。考慮到快速開關誤動作的可能性和這兩臺變壓器做為國電備用電源變壓器的重要性，采用此方案，即使快速開關誤動作也只是將電抗器投入系統，不會造成主變低壓側母線開路而導致國電電源無法投入的情況。對于其他變電站主變的限流措施，考慮到投入成本的問題，只需要在吉蘭泰鹽化主變的低壓側母線上串聯接入高速開關即可。當10 kV出線上發生短路故障時，快速開關在預期短路電流尚未達到峰值之前快速開斷，將短路電流快速切斷，保護變壓器免受損壞。