配电变压器烧毁原因及防护措施

孙 博, 方成炜, 周和平(.长春研奥电器有限公司, 吉林 长春 303;.华立仪表集团股份有限公司, 浙江 杭州 3003)

配电变压器烧毁原因及防护措施

孙 博1, 方成炜2, 周和平2
(1.长春研奥电器有限公司, 吉林 长春 130113;2.华立仪表集团股份有限公司, 浙江 杭州 310023)

分析了100 kVA配电变压器在正常运行时产生故障的原因,得出零序电流和3次谐波电流过大是造成变压器外壳局部温度急剧升高的直接原因。提出增加四磁柱变压器,可避免变压器外壳产生的涡流和磁滞损耗,提高变压器安全运行的可靠性。

100 kVA配电变压器; 零序电流; 谐波电流; 防护措施

0 引 言

我国居民用电采用的是三相四线制供电方式,在电气设计和安装中每户负荷均匀分布在三相电源上,但在实际运行中受用电负荷容量、用电时间等因素的影响,造成三相用电负荷不平衡。从实测数据看,每个时间段出现的最大电流不是在同一相上,无法通过相与相之间进行负荷调整。目前,尚无有效办法来解决三相负荷电流不平衡的问题。

三相用电负荷不平衡不仅增加低压线路及变压器的有功损耗,同时也给电器设备运行带来事故隐患。三相用电负荷不平衡会产生零序电流,同时用电负荷,如变频空调、电磁炉、节能热水器和照明灯、电视机等设备产生大量的高次谐波电流,通过三相变压器绕组与中性线形成回路,在其铁心中产生零序磁通和3次谐波磁通。由于磁通方向相同,在铁心中无法形成回路,势必通过固定铁心的附件和绝缘油与变压器壳体形成闭合回路,在壳体上产生磁滞及涡流损耗,导致变压器局部温度急剧上升,绝缘物体遭到破坏,甚至被烧毁。

1 运行现状

某居民住宅区供电电压为10/0.4 kV,变压器容量为100 kVA,接线组别为Y/yo-12点。三相四线制供电方式如图1所示。

图1 三相四线制供电方式

由图1可见,2#线路所带的住户较多。自变压器投入运行后,三相负荷电流一直处在不平衡状态。主变压器参数如表1所示。17:30～19:30时间段的用电参数如表2所示。

表1 主变压器参数

表2 17:30～19:30时间段的用电参数

根据国家配电网规程规定,0.4 kV三相四线制供电系统的三相负荷电流不平衡率Ibp%≤15%,同时中性线电流不大于变压器额定电流的25%。1#、2#线路三相负荷电流不平衡率及中性线电流与变压器额定电流之比的百分数分别为

Ibp1%=[(45-35)/45]×100%=22%

Ibp2%=[(76-46)/76]×100%=39%

Iob%=[(10+29)/150]×100%=26%

从上述计算结果看,指标均超出配电网规程规定要求,但无有效办法进行负荷调整。

2 故障分析

在低压380/220 V三相四线制供电系统中,因三相负荷电流不平衡,通过中性线流回到电源的电流为Io=IA+IB+IC,称为零序电流。零序电流特征如图2 所示。 图2(a)中,通过三相负荷电流的向量和,求解出的零序电流Io实质上是三相零序电流的向量和或代数和,即Io=IoA+IoB+IoC,故三相零序电流大小相等,方向相同。为清晰表明零序电流Io并将其放大,如图2(b)所示。零序电流IoA+IoB+IoC=IA+IB+IC,每相零序电流计算表达式为

图2 零序电流特征

(1)

在用电负荷方面,如变频空调、节能热水器、微波炉或电磁炉等电器设备,产生大量谐波电流,并注入系统。在变压器满载或趋向于满载运行时,大量谐波电流产生的磁通易造成铁心磁饱和,导致正弦波磁通的峰顶被削掉,近似为梯形波,经傅里叶级数分解,含有各阶次奇数谐波分量,其中主要是3次谐波分量,通常为负荷电流的(20%～30%)Ifh,三相3次谐波电流计算表达式为

Ia3=Iamaxsin3ωt

Ib3=Ibmaxsin3(ωt-120°)=Ibmaxsin3ωt

Ic3=Icmaxsin3(ωt-240°)=Icmaxsin3ωt

从上述计算表达式看出,三相3次谐波电流的相位完全相同,与零序电流一起通过变压器二次侧绕组与中性线构成回路,并在铁心中产生3次谐波磁通和零序磁通。零序和3次谐波磁通分布如图3所示。

图3 零序和3次谐波磁通分布

由图3可见,三相零序磁通大小相等,方向相同,三相3次谐波磁通方向相同,它们在铁心中无法形成回路。因此,只能通过固定铁心的支架和绝缘油与变压器壳体构成回路,在壳体上产生涡流和磁滞损耗,引起局部温度急剧升高,夏季阳光直射在外壳上的温度可达70 ℃以上,造成变压器内的绝缘油体积膨胀,甚至通过油箱与上盖之间的密封橡胶圈向外大量渗油。这种现象加速了绝缘物体的老化,导致绕组间或层间形成短路。这就是变压器被烧毁的直接原因。

3 技术措施

为防止类似事故发生,变压器铁心结构进行了改造,在原有的基础上增加了一个磁柱,为零序磁通和3次谐波磁通提供了一个通路,使其磁通重新进行分布。四磁柱变压器磁通分布如图4所示。

图4 四磁柱变压器磁通分布

根据零序磁通和3次谐波磁通的特征,磁通沿新增加的磁柱自行构成闭合回路,仅有极少量的漏磁通与外壳形成回路,这部分磁通所产生的热量完全可以忽略。这样基本避免变压器外壳产生的涡流和磁滞损耗,提高了变压器运行的可靠性。

4 结 语

100 kVA配电变压器运行中,三相用电负荷电流不平衡率超出国家配电网规程规定要求时,产生的零序磁通和3次谐波磁通将导致变压器局部温度升高。在变压器上层油温度超过85 ℃且有上升趋势的情况下,最好换成四磁柱变压器,以避免外壳产生的涡流和磁滞损耗。

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Burning Causes and Protective Measures of Distribution Transformer

SUN Bo1, FANG Chengwei2, ZHOU Heping2

(1.Changchun Yan Ao Electric Co., Ltd., Changchun 130113, China;2 Holley Metering Group Co., Ltd., Hangzhou 310023, China)

This paper analyzed the fault causes of a 100 kVA power distribution transformer during normal operation. The results show that the larger zero sequence current and the third harmonic current are the direct causes which cause a sharp increase of the local temperature of the transformer shell. By using of four-magnetic column transformer,the eddy current and hysteresis loss of transformer shell are avoided,which improves the operation reliability of transformer.

10 kV distribution transformer; zero sequence current; harmonic current; protective measures

孙 博(1983—),男,从事照明系统节能项目及电气控制和结构外形设计工作。

TU 852

B

1674-8417(2015)05-0026-03

2015-01-13

方成炜(1979—),男,从事IC卡电能表的开发、应用及运行维护工作。

周和平(1954—),男,高级工程师,从事电能计量及电器设备自动化保护方面的研究。