负荷开关-熔断器组合电器在中压终端变压器的应用探讨

负荷开关—熔断器组合电器在中压终端变压器保护的应用探讨漳州电业局，福建漳州王建忠363009摘要：本文从技术性能和经济性方面对优先采用组合电器作为中压终端用户变压器的保护电器进行论述，解决了变压器保护开关电器选择认识上误区。文中还对组合电器作为中压终端用户变压器保护电器应注意的问题、组合电器的发展现状和典型运用实例进行探讨，进一步论证了组合电器应用于中压变压器全面保护的可行性和发展前景。关键词：中压终端变压器断路器负荷开关—熔断器组合电器变压器全面保护1、前言中压终端用户变压器一般不大于1600kVA其自我保护、过载能力较差，在运行过程中依赖于开关电器的保护，目前采用较多的开关电器有断路器和负荷开关—熔断器组合电器（以下简称组合电器）两种类型。对于如何正确地使用断路器或组合电器作为变压器保护的开关电器，人们在认识上存在一定的误区，如果不能很好地解决此问题，中压终端用户变压器的保护就达不到最理想的效果。本文从几个方面就此问题进行探讨。2、断路器和组合电器在中压终端用户变压器保护各方面性能对比2.1技术性能方面首先，大量的试验证明，当变压器内发生短路故障时，必须在20mS内切除故障才能保证变压器的安全。采用断路器保护时，因有继电保护加上燃弧和自身动作时间，一般全开断时间不少于60mS这就不能有效地保护变压器。组合电器用限流熔断器来开断短路障，具有速断功能，可在10mS内熔断而切除故障，从而有效地保护变压器。熔断器往往是单相断开，断开的同时其撞针启动负荷开关的脱扣板，负荷开关三相同时断开，防止变压器缺相运行，由于动作时间短，转移电流远小于故障电流的峰值，完全达到保护变压器的目的。欧洲一些电力公司的实践更加说明这点。联邦德国RWE电力公司报告，该电力公司在市区和城乡供电中，有4100台中压／低压变压器采用高压熔断器保护，1987年，变压器发生8起故障，故障率为0.19%，长年故障率为0.15%~0.2%，只出现一次箱体炸开。法国电力公司曾作了一次取消熔断器的尝试，结果如下：1960年~1970年7500台变压器发生500起故障。50起箱体炸开且造成一次人身事故。该次尝试发现取消熔断器是错误的。其次，熔断路器开断短路故障时，电压扰动十分小，而断路器在分断短路电流期间的电压扰动几乎达到100%，并给用电设备带来相应的干扰。2.2经济性能方面在中压终端用户变电所，开关的投入和切断负荷是经常的，而短路故障是非常少的，断路器按很少发生的短路电流设计，灭弧能力要求高，开关造价昂贵；组合电器则把控制和保护两功能分开，大量的经常发生的投切负荷由负荷开关完成，而极少发生的短路保护由熔断路器来完成，充分发挥设备能力，达到经济、合理的目的。在电缆选用方面，采用组合电器可以节约投资。在发生短路故障时，短路电流释放的能量（正比于I2t）通过熔断器的限流作用以及相关的极短的断开时间大大衰减，最小截面的中压聚氯乙烯电缆截面电缆（10kV、20kV时为25mm2）即可满足要求，因此在电缆选用时只需考虑满足经济电流密度。而在使用断路器时，一般按短路强度来确定电缆截面，如Ik=20kA和tk=5%时聚氯乙烯电缆截面最小应达到95mm2。。从以上几个方面分析可以说明，组合电器作为中压终端用户变压器保护开关电器具有诸多优点和广泛的使用前景。3、采用组合电器作为中压终端用户变压器保护电器应注意的问题虽然采用组合电器作为中压终端用户变压器保护电器比断路器有诸多优点，但仍需要注意以下几个问题，否则事与愿违。a图1(b)交接电流特性图（定时限）时间　S电流A12图1(a)交接电流特性图（反时限）时间　S电流Aa213.1负荷开关与限流熔断器的配合通常认为，负荷开关开断工作电流，熔断器承担短路保护，但在中间存在一个过电流的区域，负荷开关与熔断器的如能恰当配合，可以顺利地完成该区域电流的开断。3.1.1限流熔断器撞击器操作的转移电流在短路故障的情况下，其中一相的熔断器熔断，为避免造成二相供电的情况的发生，组合电器中的负荷开关要求任一相熔断器熔断时，熔断器撞击器动作操作负荷开关三相同时分闸。因此存在着熔断器将开断故障电流的职能转移给负荷开关的问题，这就产生了所谓的转移电流。其电流值取决于负荷开关的分闸时间和熔断器的时间－电流特性，同样的负荷开关，选用不同的熔断器额定电流就具有不同的转移电流。组合电器标准规定，在熔断器的最小弧前时间－电流特性(基于电流偏差－6.5%)对应于0.9倍熔断器触发的负荷开关分闸时间，所对应的电流值就是三相转移电流值。3.1.2负荷开关脱扣器操作与交接电流组合电器脱扣器操作，是指在发生过载或故障的情况下，继电保护装置动作触发负荷开关的过流脱扣器或并联脱扣器使负荷开关分闸，由负荷开关开断故障电流。组合电器标准规定，脱扣器操作时的负荷开关交接电流是两种电流特性曲线(负荷开关与熔断器)的时间－电流特性交点所对应的电流值。如图一所示。图中1－熔断器特性曲线；2－负荷开关过电流特性曲线；a－交接电流。图1（a）示出负荷开关反时限特性曲线。图1（b）为定时限特性。对脱扣器操作的负荷开关，要求其开断能力高于最大交接电流。3.1.3负荷开关与限流熔断器的配合选用原则从上面的分析可知，对于限流熔断器撞击器操作的负荷开关主要考核其额定转移电流的开断能力，对于负荷开关脱扣器操作的应考核其最大交接电流的开断能力。因此在负荷开关与限流熔断器的配合选用应注意负荷开关的转移电流和交接电流的开断能力，继而选用熔断时间－电流特性曲线合适的限流熔断器。3.2中压限流熔断器与变压器低压侧主开关保护的选择性从运行成本的角度而言，中压限流熔断器的造价较为昂贵，因此在发生变压器低压侧短路故障时应采用低压侧主开关来分断故障电流，而中压熔断器不动作，这就是熔断器与变压器低压侧主开关保护的选择性要求。为满足保护的选择性，中压熔断器的熔断时间－电流特性曲线必须位于低压主开关动作时间－电流特性曲线的右侧；为保证中压熔断器不发生误动作，熔断器最小预燃弧曲线必须位于低压主开关动作时间－电流特性的右侧且乘以≥1.35的系数，熔断器的曲线还必须位于低压主开关动作时间－电流特性的上侧且乘以≥2的系数。系数1.35和2是以中压熔断器和低压断路器产的最大允许误差值为基础的。3.3如何实现中压变压器的过载保护通过对造成变压器发生故障的原因进行分析，大致有以下几种：变压器短路、放电故障、分接开关故障及绝缘系统损坏故障等，其中绝缘系统损坏形成的事故约占全部变压器事故的85%以上。造成或加快绝缘系统损坏的主要原因是变压器过载运行，因此变压器的过载保护是至关重要的。采用组合电器作为中压变压器的保护电器时，其熔断器一般选用全范围保护用限流熔断器，这是一种新型的限流熔断器，可以可靠开断引起熔体熔化的电流至额定开断电流之间的任何故障电流，保护范围非常广。这里全范围保护不是指变压器过载的全范围保护，而是指熔断器的保护动作范围较大而已。如熔体电流为50A，开断50kA，不是指电流从50A至50kA范围均可保护，而是超过熔体电流的数倍后才开始熔断。可见中压变压器的过载保护不能依赖熔断器，应采用变压器低压侧出口主开关设置过载保护的方式或采用高压侧加装继电过载保护装置方式。根据经验，由于传统的低压断路器过载保护元件制造允许误差较大，易受运行环境温度影响使过载保护的准确性不高（新型智能化断路器可解决此问题但造价是普通型的4-5倍），同时低压侧过载保护不能对变压器内部绕组匝间短路和绝缘损坏等引起的过电流进行保护；而采用高压侧加装继电过载保护装置方式在保护精度和选择性方面更容易满足上述的各种要求。4、组合电器的发展现状组合电器经过多年的发展，日渐成熟，在多个领域得到广泛使用。其重要组成元件—负荷开关主要有压气式、SF6、真空负荷开关等多种型式。压气式负荷开关：利用外力推动空气灭弧的外能灭弧开关，开断能力较低，开断转移电流约在1000A左右，而且只有50%的成功率。最有代表性的压气式负荷开关是意大利VEI开关以及仿制、组装改制的产品。SF6负荷开关：具有优良的电气强度和灭弧性能，但存在环保问题，SF6是一种温室效应明的气体，一旦泄露，带来污染环境的严重影响，应当减少使用。国内目前使用的产品多依赖进口，主要有ABB、西门子、施耐德、GE等品牌。真空负荷开关：目前真空灭弧室的制造工艺已相当成熟，真空负荷开关具有关合、开断短路电流能力强，截流非常小，不会造成操作过电压的危害，封闭性能好，免维护，无污染和爆炸危险，电气寿命长，是替代上述几种灭弧介质开关的理想产品。目前国内已开发出VHL（R）-12等型号的手车式真空负荷开关，除普通真空负荷开关特点外还具以下优点：采用固封真空灭弧室，绝缘水平高；操作机构简洁、可靠性高、操作功率小，机械寿命长；手车式结构检修维护方便。该型负荷开关的开发成功，使真空负荷开关－熔断器组合电器整体水平上了一个台阶。5、组合电器作为中压终端用户变压器保护电器的典型应用实例在漳州地区从2002年开始大范围地推广使用真空负荷开关－熔断器组合电器作为10kV终端用户变压器保护电器。运行结果表明其技术、经济效益显著，采用组合电器作为保护电器的变压器未发生短路烧损、喷油事故，同时运行成本较低。下面以一台容量500kVA，电压等级10/0.4kV的配电变压器采用真空负荷开关－熔断器组合电器作为保护电器并在高压侧加装变压器过载继电保护装置作为典型应用实例进行分析。为达到对变压器进行全面保护并解决系统保护选择性的要求，电业部门规定：变压器容量过载1.2-1.3倍时，保护装置延时0.5秒动作；低压侧主开关10倍于额定电流时零秒动作，即要求速动；变压器出口短路时由熔断器零秒开断。主回路元件选用：主开关选用VHL(R)-12组合电器,额定电流630A，额定交接电流3150A，配额定电流50A、开断电流50kA的带撞击器的限流式熔断器；电流互感器选用LFS-12型，变比30/5A。高压侧过载继电保护装置选用DL-13/10型过流继电器，整定值为取6.6A，时间继电器选用DS-123型，延时整定0.5秒动作；保护出口选用DZ-52中间继电器。低压侧主开关选用额定电流In=800A的DW15空气开关。现核算如下：1)变压器的额定电流In=500×103/103×103＝28.9A2)假定允许短时过载为130%，并在变压器的-5%分接处，过载电流可近似为28.9×1.05×1.3＝39.45A换算到电流互感器二次侧电流为39.45÷30/5=6.57A3)低压侧主开关10倍额定电流换算到高压侧的是流值为800×10×10÷0.4=320A4)系统最大短路电路为20kA。5)冲击励磁涌流（按12倍额定电流最大持续时间为0.1秒）为28.9×12＝346.80A6)查50A限流熔断器（如西安熔断器厂的BDG、BFG、AKG型熔断器）时间－电流特性曲线346.8A的弧前时间0.70秒大于励磁涌流的持续时间0.1秒,可以躲过变压器冲击励磁涌流。7）过载继电保护动作时间0.5秒，大于励磁涌流的持续时间0.1秒，过载保护可以躲过变压器冲击励磁涌流。8)考虑到开关柜的散热条件以及周围温度等因素、选用额定电流50A的熔断器已有足够的裕度。9)根据文中3.1.2所用的计算方法，真空负荷开关配用50A的熔断器时其交接电流为500A。10)当达到或大于1.3倍额定电流时，过载保护动作负荷开关跳闸，一次电流为28.9×1.3×1.05＝39.45A，达不到熔断器熔断电流，因此熔断器不会烧损。11)当低压侧主开关10倍额定电流时高压侧一次电流为320A，熔断器的弧前时间为1.2秒，低压断路器的分闸时间为0.06秒，远小于弧前时间，且同时小于交接电流值，因此熔断器不会烧损。12)当变压器二次端头直接短路时，在变压器一次侧最大短路电流为Ik＝In/Z%=28.9/0.04=722.5A(相当于熔断器额定电流的14.45倍)Z－变压器的短路阻抗，按S7、S9等系列节能变压器其阻抗为4%。该值大于交接电流，由熔断器开断此短路电流，动作时间0秒。通过以上核算分析可知，该典型应用实例是成功的。采用该