主變壓器低壓側(cè)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(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 阿拉善盟 750306)

在氯堿企業(yè)中，供電系統(tǒng)發(fā)生的短路故障主要以電纜終端頭及過電壓保護(hù)器絕緣擊穿短路故障為主。

中鹽吉蘭泰鹽化集團(tuán)有限公司(以下簡稱“吉蘭泰鹽化”)近兩年發(fā)生多起10 kV系統(tǒng)短路故障。在10 kV配電室內(nèi)發(fā)生的短路故障因距離主變較近，短路電流較大，導(dǎo)致10 kV系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)受到大電流沖擊后，電壓大幅波動，給公司電氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大的威脅。因此，分析吉蘭泰鹽化主變低壓側(cè)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(dǎo)致220 kV變電站7#主變電抗器B相絕緣擊穿起火，引起B(yǎng)、C相相間弧光短路，造成7#主變高、低壓側(cè)斷路器過流一段保護(hù)動作跳閘，導(dǎo)致7#主變10 kV側(cè)繞組燒毀。

(2)2018年3月17日，220 kV變電站將送化工區(qū)糊樹脂變電站5#主變高壓側(cè)35 kV進(jìn)線398線路A、B相接反，化工區(qū)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(yàn)的情況下合閘，導(dǎo)致1#、2#主變并列運(yùn)行時兩路35 kV電源發(fā)生A，B相短路故障。事故造成高分子公司A，B線系統(tǒng)停車及2#主變線圈絕緣擊穿、燒毀。

(3)2019年5月4日，化工區(qū)精餾變電站單體壓縮機(jī)高壓柜內(nèi)過電壓保護(hù)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(tǒng)電壓大幅波動，導(dǎo)致化工區(qū)全部裝置停車，電石廠部分機(jī)爐跳停。

1.2 事故原因分析

由以上3起事故可見：當(dāng)10 kV系統(tǒng)發(fā)生變壓器近區(qū)相間短路故障時，最終都會因遭受較大短路電流沖擊而導(dǎo)致變壓器燒毀事故。隨著氯堿企業(yè)電力系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量的增多和容量的增大，電力系統(tǒng)的短路電流也呈直線上升，而常規(guī)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(fā)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?jǐn)鄷r間較長(60～100 ms)，無法在故障后首半波10 ms以內(nèi)，即短路電流尚未上升到峰值之前將故障電流完全分?jǐn)?。變壓器多因?jīng)受不住首個半波短路電流的電動力沖擊而發(fā)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(shè)備短路電流的方法有很多，可采用變壓器分列運(yùn)行、饋出線裝設(shè)限流電抗器、采用高阻抗變壓器、在變壓器低壓側(cè)母線裝設(shè)限流電抗器、變壓器低壓側(cè)母線直接串聯(lián)快速開關(guān)，或者將限流電抗器和快速開關(guān)并聯(lián)后串聯(lián)接入變壓器低壓側(cè)母線。然而，眾多饋出線都裝設(shè)限流電抗器或者采用高阻抗變壓器，這兩種方案都不經(jīng)濟(jì)。目前，國內(nèi)制短路電流已經(jīng)積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，主要采用以下3種方式設(shè)限。

2.1 變壓器低壓側(cè)母線裝設(shè)限流電抗器[1]

采用在變壓器低壓側(cè)串聯(lián)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(fā)生三相或兩相短路時變壓器能夠安全運(yùn)行。由于電抗器自身的特性，系統(tǒng)必將存在以下不可避免的問題。

(1)由于限流電抗器串聯(lián)在變壓器的低壓側(cè)，系統(tǒng)正常運(yùn)行時電抗器流過負(fù)荷電流，必然會產(chǎn)生巨大的電能損耗，給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，按照1303 變電站主變低壓側(cè)加裝UKR為12%電抗器的損耗計(jì)算，投入運(yùn)行后，損失電費(fèi)高達(dá)27 萬元/a。

(2)由于系統(tǒng)正常運(yùn)行時在電抗器上會產(chǎn)生電壓降，而這個電壓降會隨負(fù)荷變化，影響供電電壓的質(zhì)量，特別是在較大功率電動機(jī)啟動時，電抗器上的電壓降會加劇，從而影響其他負(fù)荷的正常運(yùn)行，甚至造成有低電壓保護(hù)的設(shè)備跳閘。

(3)空心電抗器強(qiáng)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(chǔ)混凝土中的鋼筋在強(qiáng)大的漏磁場作用下產(chǎn)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(chǔ)和廠房的壽命；另一方面，強(qiáng)大的漏磁場將使通信系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾，甚至無法正常工作。

2.2 電抗器和快速開關(guān)并聯(lián)后接入變壓器母線

限流電抗器和快速開關(guān)并聯(lián)后，串聯(lián)接入變壓器低壓側(cè)母線。在變壓器正常運(yùn)行時，電流幾乎全部流過快速開關(guān)，避免了變壓器低壓側(cè)回路中裝設(shè)限流電抗器出現(xiàn)的諸多問題。當(dāng)10 kV母線或10 kV 出線發(fā)生短路時，快速開關(guān)會快速斷開，投入限流電抗器限制短路電流，使故障點(diǎn)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(tǒng)的安全運(yùn)行。通過在電抗器兩端并聯(lián)快速開關(guān)，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(zhì)量。

2.3 變壓器母線直接串聯(lián)快速開關(guān)

在變壓器低壓側(cè)母線直接串聯(lián)快速開關(guān)，當(dāng)變壓器低壓側(cè)饋線發(fā)生三相或兩相短路時，快速開關(guān)第一時間快速動作，使變壓器快速退出運(yùn)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(guān)并聯(lián)后接入變壓器母線來說，變壓器母線直接串聯(lián)快速開關(guān)這項(xiàng)方案的供電可靠性降低，無須加蓋電抗器室，并且快速開關(guān)可以采用組件方式安裝在主變室內(nèi)，既節(jié)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(cè)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(jù)公司電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)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(cè)短路電流，以保護(hù)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(cè)母線串聯(lián)接入快速開關(guān)。

(2)將限流電抗器和快速開關(guān)并聯(lián)后串聯(lián)接入變壓器低壓側(cè)母線。

3.2 化工區(qū)主變低壓側(cè)短路電流抑制方案

220 kV變電站5#主變和6#主變低壓側(cè)短路電流抑制方案是將限流電抗器和快速開關(guān)并聯(lián)后串聯(lián)接入變壓器低壓側(cè)母線。正常運(yùn)行時電抗器被短路，電流只從快速開關(guān)中流過，當(dāng)10 kV出線上發(fā)生短路故障時，快速開關(guān)快速斷開將限流電抗器投入，進(jìn)行限流，以減小短路電流對主變的沖擊，既保護(hù)了主變，又不會造成供電中斷?？紤]到快速開關(guān)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(guān)誤動作也只是將電抗器投入系統(tǒng)，不會造成主變低壓側(cè)母線開路而導(dǎo)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(cè)母線上串聯(lián)接入高速開關(guān)即可。當(dāng)10 kV出線上發(fā)生短路故障時，快速開關(guān)在預(yù)期短路電流尚未達(dá)到峰值之前快速開斷，將短路電流快速切斷，保護(hù)變壓器免受損壞。