限流器在大容量變壓器低壓側的研究和應用

王中龍 ，張 營 ，高 慧 ，戴嘉彤 ，史 楠 ，史 琳

（1.山東電力集團泰安供電公司，山東 泰安 271000；2.山東科技大學，山東 泰安 266510；3.肥城市供電公司，山東 肥城 271600）

0 引言

隨著電源容量增長和電網的擴大，地區電網的網際互聯日趨緊密，中壓電網變壓器容量增大，小容量電源也不斷并入大電網，在電網輸電能力提高的同時，系統短路電流水平快速上升，很多地方短路電流超過了100 kA，要求輸配電系統開關電器的開斷能力進一步提高，同時采取有效的短路電流限制措施。 否則，可導致電力系統主設備損毀，造成大面積停電。

在大容量主變低壓側常接有并補電抗器、并補電容器或直配線路，當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以上水平。目前變電站通用斷路器的開斷能力不超過40 kA，全開斷時間為100 ms以上，對付更大短路電流已經無能為力；而特制的可開斷63～100 kA短路電流的發電機斷路器則造價驚人，每臺售價數百萬元人民幣。從而造成設計單位在設計時無合適的通用斷路器可選，有時選擇高一級電壓等級的斷路器，或不得已取消該斷路器，但運行中仍然發生該斷路器爆炸或主變損毀的事故。

由于變壓器廠沒有能力對變壓器進行抗短路沖擊試驗，以及設計、工藝和運行維護等問題，造成部分廠家變壓器抗短路能力先天不足。各地均有案例，即短路電流僅10～15 kA、斷路器正常跳閘情況下，由于斷路器開斷時間長，即使開斷了短路電流，但變壓器在短路后第一半波到第二個半波（20 ms）時間內，因繞組經受不住短路電流電動力的沖擊，發生變形移位和內部電弧放電，仍使變壓器損毀，給企業和社會造成重大損失。 國網公司關于變壓器事故的文件指出：“有的新投運變壓器外部短路一、二次即遭損毀，……對電力系統的安全運行造成威脅，運行部門應加強管理，降低變壓器的出口短路電流”。

近年來，限流器技術的飛速發展為大容量變壓器低壓側快速短路保護提供了新的途徑。限流器是一種具有很強開斷短路電流能力的超高速開關，能夠在發生短路故障后、在短路電流瞬時值還遠未上升到峰值之前的約1/4個工頻半波前后開始動作限流、在一個半波的時間內將短路電流完全開斷，從而起到限制短路電流、保護主電力設備的作用。將具有超高速開斷和超強短路開斷能力的新型DDXK1型大電流限流開斷器（限流器）和通用真空斷路器相串聯，用作大容量變壓器10 kV側的快速短路保護，對電力系統具有重要的現實意義。

1 DDXK1大電流限流開斷器（限流器）原理和結構

DDXK1大電流限流開斷器（簡稱限流器）是一種具有很強開斷短路電流能力的超高速開關，能夠在發生短路故障后、在短路電流瞬時值還遠未上升到峰值之前的約1/4個工頻半波前后開始動作限流、在一個半波的時間內將短路電流完全開斷，從而起到限制短路電流、保護主電力設備的作用。

它由3個分相安裝的本體部分和1個共用的低壓信號控制箱構成。每相本體部分由快速隔離器、特種限流熔斷器、高壓側電子控制器、隔離變壓器、支柱絕緣子和槽鋼底座等部件構成，如圖1所示。部件及其信號控制線連接示意圖如圖2所示。

圖1 單相產品外觀及原理接線圖

圖2 DDXK1部件及其信號控制線連接示意圖

工作原理如圖3所示。

1）快速隔離器導流銅排斷口6的下面，放置有微型炸藥5，羅果夫導流傳感器4的輸出信號送到電子控制器3，電子控制器3的輸出信號送到炸藥5。

2）正常運行情況下，快速隔離器1和特種高壓限流熔斷器2并聯，負荷電流主要由快速隔離器1中流過。

3）發生短路時由羅果夫電流傳感器4檢測短路電流信號（t1≤1 ms）后，電子控制器3輸出點火信號，引爆炸藥5，快速隔離器1的斷口6被火藥炸斷，斷口 6 高速斷開（t2≈200 μs）。

4）短路電流轉移到特種高壓限流熔斷器2中，熔斷器開始熔化（t3≈1 ms）；

5）經過t4≈2～4 ms之后，熔斷器2熄滅電弧，將短路電流開斷。

6）快速隔離器由高強度玻璃鋼構成，為密封結構，動作時無噪聲和煙塵外泄。

此時的短路電流波形如圖4所示。i1為預期短路電流波形，i2為DDXK1動作后短路電流波形。實際出現的短路電流的峰值Ic在第一個半波被限制到預期短路電流峰值的（20～45）%，i2的持續時間僅約3～6 ms，保護了主設備免受損壞。

圖3 DDXK動作過程示意圖

動作后，低壓信號控制箱上動作相紅燈變為綠燈。

圖4 短路電流波形圖

2 部件連接

DDXK1限流器部件及其信號控制線連接示意圖見圖2、圖5，包括以下部分。

1）快速隔離器1和特種高壓限流熔斷器2。兩者在電氣上是并聯的，通過兩側的母排串接在電路中。

2）電子控制器3。固定在母排之上，處于高電位運行。電子控制器3上有兩個多芯電纜插座，一個為標有“CH-1電源”的銀色插座，和來自隔離變壓器4高壓側繞組的銀色電纜插頭相連；另一個為標有“CH-2信號”的棕色插座，和來自快速隔離器1（羅果夫斯基線圈式電流傳感器密封在其中）的信號電纜插頭相連。

圖5 隔離變壓器接線示意圖

3）低壓信號控制箱。總電源為來自變電站220 V交流電源和直流系統的220 V直流電源。 電源入口裝有雙極220 V直流開關和單極220 V交流進線開關，另有單極220 V交流負載開關。當變電站220 V交流電源異常時，220 V直流電源通過內部UPS提供后備電源。低壓信號控制箱內部部件的配置見圖6。

4）低壓信號控制箱內部的印刷電路板。子排上有三對12 V交流電源輸出端子，從其上分別引三根低壓電纜接到A、B、C相三個隔離變壓器4的低壓側輸入端，隔離變壓器4的高壓側輸出24 V和45 V兩組電壓，用于高壓側電子控制器3的電源及動作信號傳輸。

圖6 低壓信號控制箱內部結構示意圖

5）低壓信號控制箱的面板。其上有A、B、C三組紅/綠燈，當DDXK1投運時三相紅燈亮，當某相動作時，該相對應的紅燈熄滅、綠燈亮，同時，動作記數器會記錄一次動作。

3 低壓信號控制箱的內部結構

內部部件配置示意圖見圖6，電源控制接線如圖7所示，印刷電路板元件布置見圖8，其中：K1為雙極直流空開，為220 V直流電源進線開關；K2為單極交流空開，為220 V交流電源進線開關；K3為單極交流空開，為220 V交流負載開關。端子排上的P1、P2端子是將220 V交流電壓引到印刷電路板及BY1變壓器的接口。

圖7 低壓信號控制箱電源控制接線圖

圖8 中CH1為變壓器BY1的兩路12 V電壓輸出到印刷電路板的插件，CH2為端子排，CH3為220 VAC過度插件，R1、R2、R3為信號取樣電阻，B1、B2、B3 為整流模塊，C1、C2、C3 為濾波電容，LED-A、LED-B、LED-C 為 A、B、C 相信號指示燈或信號指示燈插件，RL1、RL2、RL3為中間信號繼電器，Ja、Jb、Jc 為 A、B、C 相動作信號繼電器，Jz為總信號繼電器（A、B、C任意相動作，此繼電器都動作），Jy為失電信號繼電器。

圖8 低壓信號控制箱印刷電路板元件布置示意圖

4 現場實施方案

為便于施工，將DDXK1本體部分安裝在10kV戶外母線橋上。為此，將原有母線橋截斷，將DDXK1本體安裝在母線橋的鋼架上，再將導流排兩端分別和原有母排聯連接，使之串入母線橋之中。安裝示意圖如圖9所示。

將DDXK1的二次部件低壓信號控制箱安裝在10 kV配電室的內墻上，由其引出3根Φ10 mm雙芯屏蔽電纜，通過配電室電纜溝，分別引出到三相隔離變壓器，為隔離變壓器提供12 V/1 A交流電壓；另外，由配電室電源盤分別接引一根AC220V/1 A鎧裝電源電纜線和一根DC220 V/1 A鎧裝電源電纜線到低壓信號控制箱，作為DDXK1的220V交流電源（工作電源）和220 V直流電源（后備電源）。

圖9 DDXK1在母線橋上安裝示意圖

另外，將低壓信號控制箱內的第一對常開接點（ZO1-ZG1）連接到斷路器DL1的跳閘回路，使DDXK1動作后聯動DL1跳閘，避免DDXK1兩相動作時引起的非全相運行。將第二對常開接點（ZO2-ZG2）接到信號回路，作為DDXK1動作信號遠傳；將另一對常開接點（YO1-YG1）接到信號回路作為DDXK1失電信號（失去220 V工作電源）遠傳。

5 運行維護

5.1 投運前的檢查和試驗

DDXK1安裝就位后，清除各部件及母線支柱絕緣子上的灰塵雜物。

檢查全部緊固螺絲有無松動，低壓控制箱內部及其它二次線有無脫落。

檢查隔離變壓器高壓及低壓側接線是否正確、完好。

由廠家人員安裝高壓側電子控制器。

用萬用表歐姆檔檢查高壓側電子控制器外殼與高壓母線連接是否可靠。

投運前的試驗項目如表1所示。

表1 投運前的試驗項目

5.2 DDXK1投運步驟

打開低壓信號控制箱的箱門，按順序合直流電源開關K1及交流電源開關K2，UPS啟動。此時，UPS面板會出現正常顯示，且不會發出異常報警聲。

合上交流電源開關K3，低壓信號控制箱投入工作，DDXK1投入運行。

此時低壓信號控制箱面板上三相紅燈均應點亮，而三相綠燈均應處于熄滅狀態。 用數字萬用表交流電壓檔測量P1、P2端子之間電壓在220 V附近。

關閉低壓信號控制箱的箱門并鎖緊。

5.3 DDXK1退出運行步驟

打開低壓信號控制箱的箱門，依次斷開交流電源開關K3、K2、K1，控制箱面板上三相紅/綠燈全部熄滅，DDXK1即退出運行，此時DDXK1的一次主回路相當于短接的銅母線，對短路電流信號不會產生任何反應。

5.4 DDXK1運行狀態監測

定期巡視DDXK1的所有部件。隔離變壓器和支柱絕緣子表面有無污染或異物，母排的螺栓連接處有無發熱和變色痕跡，限流熔斷器的撞擊器是否動作（打出撞針），快速隔離器絕緣筒表面有無動作（變色）痕跡等。

定期巡視低壓信號控制箱上的運行狀態指示燈，三相紅燈亮時，表示正常運行。

當出現以下情況時表示該相已經動作：某相紅燈熄滅而綠燈點亮；某相限流熔斷器的撞擊器已經動作（打出撞針）；低壓信號控制箱內動作記數器顯示的數字比起始數增加了1個數字。此時應及時向生產及調度報告，并通知廠家；檢查并記錄與之串聯的斷路器的跳閘情況；調查了解發電廠/變電站內以及線路上的情況；DDXK1動作后，動作相的綠燈持續保持點亮狀態，應盡快安排，將DDXK1停運（依次斷開低壓信號控制箱中的交流電源開關K3、K2、K1），同時斷開DDXK1兩側的隔離開關，在DDXK1停電的狀態下，更換DDXK1的動作過的部件——特種限流器熔斷器及快速隔離器。

對低壓信號控制箱內的繼電器接點進行監測，可用于進行遙信、斷路器聯動或遠方報警。

5.5 更換動作部件的程序

更換動作部件的程序如圖10所示（在斷開低壓信號控制箱內 K3、K2、K1電源開關情況下進行）。

1）從電子控制器3的標有“CH-2信號”的棕色插座上拔下棕色信號電纜插頭。

2）拆下快速隔離器1兩端的各4個M20（或M16）螺栓，同時取下快速隔離器1和特種限流熔斷器2。

3）拆下特種限流熔斷器2兩端的“Z”字形紫銅支撐彎頭，并將其用M8螺栓分別固定到待換的新特種限流熔斷器2的兩端。

圖10 更換動作部件示意圖

4）拆下快速隔離器1兩端的正方形紫銅墊塊，將其鑲入待換的快速隔離器1兩端的雙銅排之間，將安裝孔對齊。

5）整體裝入新快速隔離器1（其上帶信號電纜插頭）及特種限流熔斷器2，將母排的安裝孔和快速隔離器的安裝孔對齊。

6）緊固快速隔離器1兩端的各4個M20（或M16）螺栓。

7）將棕色信號電纜插頭插到電子控制器3的標有“CH-2信號”的棕色插座上。

8）更換完畢。

6 結語

DDXK1大電流限流開斷器技術先進，功能齊備，安全可靠，可以降低變壓器出口短路電流，提高變壓器保護水平，解決大容量變壓器短路損毀的難題，是一種具有可行性、實用性和經濟性的新措施。