站用變壓器電氣火災預警系統

肖立軍，莫 凡

(廣東電網有限責任公司 珠海供電局，廣東 珠海 519000)

在電力系統中，電能經過變壓器和不同電壓等級的輸電線路被輸送并分配給用電設備。變電站是連接這些輸電線路的樞紐，變電站火災可能中斷電能輸送，對人身、設備和電網安全造成極大的危害。

變電站火災中，變壓器火災比較常見。變壓器起燃原因主要有：變壓器溫升異常造成局部或整體過熱，外部或內部短路以及絕緣擊穿所產生的電火花和電弧。為防范于未然，應采取措施降低著火的危險性，首先是防止帶電起燃，其次是萬一起燃，應將火勢的蔓延降到最小程度或限制在變壓器殼體之內，以免誘發火災[1-2]。

站用變壓器一般配置速斷、過流、380 V零序電流保護。電流速斷保護按照躲避站用變低壓側故障整定；過流保護按照躲避站用變額定電流整定；380 V側零序電流定值按照躲避不平衡電流整定。這些保護主要針對變壓器繞組及其引出線的相間短路、中性點直接接地側的單相接地短路、外部相間短路引起的過電流和中性點直接接地側外部接地短路引起的過電流。目前，站用變壓器的繼電保護裝置不能反映站用變壓器繞組及其出線電纜對地絕緣下降引起的泄漏電流[3-5]。

本文提出一種新的站用變壓器電氣火災預警系統及策略，主動探測電氣火災，及早發現火災隱患，將火災消除于萌芽狀態。

1 電力變壓器滅火系統概述

電力變壓器的滅火系統，常見有水噴霧滅火系統、細水霧滅火系統、氣體滅火系統和排油注氮防爆型滅火系統[6-7]。

水噴霧滅火系統由水源、供水設備、管道、雨淋閥組、過濾器和水霧噴頭等組成，利用水以細小的霧狀水滴噴射到正在燃燒的物質表面，產生表面冷卻、窒息、乳化和稀釋的綜合效應，實現滅火[8]。

細水霧滅火系統由供水裝置、過濾裝置、控制閥、細水霧噴頭等組件和供水管道組成，能自動或人工啟動并噴放細水霧進行滅火[9]。

氣體滅火系統應用于不能用水撲救的場所，避免火災損失，一般由滅火劑貯瓶、控制啟動閥門組、輸送管道、噴嘴和火災探測控制系統等組成，采用在室溫和大氣壓力下為氣體狀的滅火劑撲滅火災，按使用的氣體滅火劑分為七氟丙烷、混合氣體IG541、二氧化碳、惰性氣體等滅火系統。

排油注氮防爆型滅火系統由控制柜、消防柜、斷流閥、排油管道、注氮管道及火災探測器等裝置組成，用于油浸式變壓器。

上述滅火系統均是被動探測滅火，報警時間晚，不能及時發現電氣火災隱患，不能將火災消滅于萌芽狀態[10]。

2 電氣火災預警系統設計

站用變壓器電氣火災預警系統由剩余電流傳感器、剩余電流合成器1、剩余電流合成器2、差電流合成單元和信號處理單元構成(見圖1)。

圖1 站用變壓器火災預警系統構成圖

信號處理單元接收差電流合成單元輸出的剩余電流差值，并對數據進行分析處理。

差電流合成單元接收剩余電流傳感器和剩余電流合成器輸出的剩余電流，自動形成剩余電流差值并輸送給信號處理單元。

剩余電流合成器1裝設于站用變壓器低壓側出線端，剩余電流合成器2裝設于380 V母線進線端，剩余電流傳感器裝設于站用變壓器中性點接地線的N點和P點之間。

2.1 剩余電流合成器

剩余電流合成器包括剩余電流合成器1和剩余電流合成器2(見圖2)。

圖2 剩余電流合成器構成圖

剩余電流合成器1由4個電流互感器CT1、CT2、CT3和CT4構成，站用變壓器低壓側出線回路的A相、B相、C相電纜和中性線電纜分別穿過互感器CT1、CT2、CT3和CT4的鐵芯，4個電流互感器的二次繞組采用和電流接線，以形成站用變壓器低壓側出線端的剩余電流I1：

(1)

式中，Ia1是站用變壓器出線電纜的變壓器端A相電流；Ib1是站用變壓器出線電纜的變壓器端B相電流；Ic1是站用變壓器出線電纜的變壓器端C相電流；In1是站用變壓器出線電纜的變壓器端中性線電流。

剩余電流合成器2由4個電流互感器CT5、CT6、CT7和CT8組成，站用變壓器低壓側出線回路的A相、B相、C相電纜和中性線電纜分別穿過互感器CT5、CT6、CT7和CT8的鐵芯，4個電流互感器的二次繞組采用和電流接線，以形成380 V母線進線端的剩余電流I2：

(2)

式中，Ia2是站用變壓器出線電纜的母線端A相電流；Ib2是站用變壓器出線電纜的母線端B相電流；Ic2是站用變壓器出線電纜的母線端C相電流；In2是站用變壓器出線電纜的母線端中性線電流。

構成剩余電流合成器的電流互感器全部采用相同參數的計量型低壓電流互感器，為保證準確度，選擇電流互感器時，應保證正常運行時的一次電流約為其額定值的60%，至少不得低于30%；二次負荷應在額定二次負荷的25%～100%范圍內。

2.2 差電流合成單元

差電流合成單元包括變流器T1、變流器T2、變流器T3和變流器T4(見圖3)。

圖3 差電流合成單元構成圖

變流器T1的二次繞組TA12與變流器T2的二次繞組TA22反并聯，合成差電流I12：

(3)

式中，k1是變流器T1的一次繞組TA11與二次繞組TA12的匝數比；k2是變流器T2的一次繞組TA21與二次繞組TA22的匝數比。

變流器T2的一次繞組TA21與變流器T3的一次繞組TA31串聯，變流器T3的二次繞組TA32與變流器T4的二次繞組TA42反并聯，合成差電流I01：

(4)

式中，k3是變流器T3的一次繞組TA31與二次繞組TA32的匝數比；k4是變流器T4的一次繞組TA41與二次繞組TA42的匝數比。

變流器T1的一次繞組TA11與剩余電流合成器2連接，變流器T2的一次繞組TA21與剩余電流合成器1連接，變流器T4的一次繞組TA41與剩余電流傳感器的二次繞組連接。

一般情況下，變流器一次繞組的勵磁電流很小，處于弱磁場條件下工作，一次繞組匝數應遠高于二次繞組匝數。但是，站用變壓器運行過程中，低壓側主電路可能會受到幾百安至上千安大啟動電流或幾萬安的短路電流沖擊。在這種情況下，變流器不能因沖擊電流產生的剩磁影響動作特性，為此，變流器的鐵芯材料應采用具有高起始磁導率、高的最大磁導率和低矯頑力的鐵鎳軟磁合金材料。

3 電氣火災預警策略

剩余電流探測器配置圖如圖4所示，在站用變壓器中性點接地線的N點和P點之間裝設剩余電流傳感器，獲取站用變壓器供電系統的總剩余電流I0。

圖4 剩余電流探測器配置圖

利用站用變壓器中性線的電流互感器CT4和CT8采集站用變壓器供電系統的零序電流、A相線路的電流互感器CT1和CT5采集站用變壓器低壓側A相電流、B相線路的電流互感器CT2和CT6采集站用變壓器低壓側B相電流、C相線路的電流互感器CT3和CT7采集站用變壓器低壓側C相電流，再采用和電流接線，合成獲取變壓器低壓側出線的變壓器端剩余電流I1和380 V母線端剩余電流I2。

根據式3和式4，利用差電流合成單元獲取I01和I12。I01代表站用變壓器低壓繞組的剩余電流，I12代表變壓器低壓側出線電纜的剩余電流。

由信號處理單元判斷I01和I12值是否超過設定閾值，是則報警；當I01達到設定閾值時，站用變壓器本體存在火災隱患；當I12達到設定閾值時，站用變壓器低壓側出線電纜存在火災隱患。

4 結語

站用變壓器電氣火災預警系統，將剩余電流傳感器連接在站用變壓器的中性點與接地點之間，以檢測到系統的總剩余電流，而分別連接在變壓器的低壓繞組處和相關母線處的剩余電流合成器可以測得變壓器低壓側出線端和母線端的剩余電流，通過站用變壓器供電系統不同位置剩余電流的檢測，可以充分把握剩余電流的變化情況，進而準確地探測站用變壓器電氣火災隱患，及時報警。該系統結構簡單，且靈敏度較高，能夠解決現有變壓器消防系統報警時間晚、不能及時發現電氣火災隱患的技術問題。