主变压器低压侧10 kV相间短路故障分析及短路电流抑制

杨立斌

(中盐吉兰泰盐化集团有限公司，内蒙古 阿拉善盟 750306)

在氯碱企业中，供电系统发生的短路故障主要以电缆终端头及过电压保护器绝缘击穿短路故障为主。

中盐吉兰泰盐化集团有限公司(以下简称“吉兰泰盐化”)近两年发生多起10 kV系统短路故障。在10 kV配电室内发生的短路故障因距离主变较近，短路电流较大，导致10 kV系统发生相间短路故障后，引起大面积停电事故和主变烧毁事故。35 kV系统受到大电流冲击后，电压大幅波动，给公司电气系统的安全稳定运行造成了较大的威胁。因此，分析吉兰泰盐化主变低压侧10 kV相间短路故障原因，并制定出合理的短路电流抑制措施尤为重要。

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，吉兰泰盐化氯酸钠分厂10 kV母线电压互感器柜三相短路导致220 kV变电站7#主变电抗器B相绝缘击穿起火，引起B、C相相间弧光短路，造成7#主变高、低压侧断路器过流一段保护动作跳闸，导致7#主变10 kV侧绕组烧毁。

(2)2018年3月17日，220 kV变电站将送化工区糊树脂变电站5#主变高压侧35 kV进线398线路A、B相接反，化工区糊树脂变电站电气人员在未对5#主变低后备900带电核相试验的情况下合闸，导致1#、2#主变并列运行时两路35 kV电源发生A，B相短路故障。事故造成高分子公司A，B线系统停车及2#主变线圈绝缘击穿、烧毁。

(3)2019年5月4日，化工区精馏变电站单体压缩机高压柜内过电压保护器B、C相绝缘击穿短路后，短路电流冲击造成6#主变绕组烧毁。同时，引起35 kV系统电压大幅波动，导致化工区全部装置停车，电石厂部分机炉跳停。

1.2 事故原因分析

由以上3起事故可见：当10 kV系统发生变压器近区相间短路故障时，最终都会因遭受较大短路电流冲击而导致变压器烧毁事故。随着氯碱企业电力系统设备数量的增多和容量的增大，电力系统的短路电流也呈直线上升，而常规断路器切除短路电流的水平以及非周期能力有限。虽然在短路故障发生后变压器高、低压的断路器均能可靠动作跳闸，但是由于分断时间较长(60～100 ms)，无法在故障后首半波10 ms以内，即短路电流尚未上升到峰值之前将故障电流完全分断。变压器多因经受不住首个半波短路电流的电动力冲击而发生绕组位移、变形和电弧放电，最终被损毁。

2 抑制短路电流的措施

限制电气设备短路电流的方法有很多，可采用变压器分列运行、馈出线装设限流电抗器、采用高阻抗变压器、在变压器低压侧母线装设限流电抗器、变压器低压侧母线直接串联快速开关，或者将限流电抗器和快速开关并联后串联接入变压器低压侧母线。然而，众多馈出线都装设限流电抗器或者采用高阻抗变压器，这两种方案都不经济。目前，国内制短路电流已经积累了丰富的运行经验，主要采用以下3种方式设限。

2.1 变压器低压侧母线装设限流电抗器[1]

采用在变压器低压侧串联电抗器限流的方法，可以将其短路电流限制在一定水平，从而保证在10 kV馈线发生三相或两相短路时变压器能够安全运行。由于电抗器自身的特性，系统必将存在以下不可避免的问题。

(1)由于限流电抗器串联在变压器的低压侧，系统正常运行时电抗器流过负荷电流，必然会产生巨大的电能损耗，给企业造成一定的经济损失，按照1303 变电站主变低压侧加装UKR为12%电抗器的损耗计算，投入运行后，损失电费高达27 万元/a。

(2)由于系统正常运行时在电抗器上会产生电压降，而这个电压降会随负荷变化，影响供电电压的质量，特别是在较大功率电动机启动时，电抗器上的电压降会加剧，从而影响其他负荷的正常运行，甚至造成有低电压保护的设备跳闸。

(3)空心电抗器强大的漏磁场会使混凝土和通信受到影响和干扰。一方面，楼板或基础混凝土中的钢筋在强大的漏磁场作用下产生附加损耗，而且在长期的振动下，将使混凝土松软，影响混凝土基础和厂房的寿命；另一方面，强大的漏磁场将使通信系统及计算机监控系统受到严重干扰，甚至无法正常工作。

2.2 电抗器和快速开关并联后接入变压器母线

限流电抗器和快速开关并联后，串联接入变压器低压侧母线。在变压器正常运行时，电流几乎全部流过快速开关，避免了变压器低压侧回路中装设限流电抗器出现的诸多问题。当10 kV母线或10 kV 出线发生短路时，快速开关会快速断开，投入限流电抗器限制短路电流，使故障点的短路电流降低到主变可以承受的短路电流，从而保障主变和系统的安全运行。通过在电抗器两端并联快速开关，不但解决了10 kV 出线短路引起的主变穿越性故障外，而且从根本上避免了长时间使用电抗器带来的电压波动、电能损耗和漏磁场等问题，大大提高了供电质量。

2.3 变压器母线直接串联快速开关

在变压器低压侧母线直接串联快速开关，当变压器低压侧馈线发生三相或两相短路时，快速开关第一时间快速动作，使变压器快速退出运行而免受短路电流的冲击，确保变压器自身不会烧毁。相比电抗器和快速开关并联后接入变压器母线来说，变压器母线直接串联快速开关这项方案的供电可靠性降低，无须加盖电抗器室，并且快速开关可以采用组件方式安装在主变室内，既节省了投入成本，又能避免变压器被烧毁。

3 改造方案

3.1 35 kV/10 kV变压器低压侧短路电流抑制方案

通过对各类限流措施的分析对比，并根据公司电力系统的实际运行情况，吉兰泰盐化选择了两种较为可靠的方式来抑制变压器低压侧短路电流，以保护变压器不受短路电流的冲击。

(1)直接在35 kV/10 kV变压器低压10 kV侧母线串联接入快速开关。

(2)将限流电抗器和快速开关并联后串联接入变压器低压侧母线。

3.2 化工区主变低压侧短路电流抑制方案

220 kV变电站5#主变和6#主变低压侧短路电流抑制方案是将限流电抗器和快速开关并联后串联接入变压器低压侧母线。正常运行时电抗器被短路，电流只从快速开关中流过，当10 kV出线上发生短路故障时，快速开关快速断开将限流电抗器投入，进行限流，以减小短路电流对主变的冲击，既保护了主变，又不会造成供电中断。考虑到快速开关误动作的可能性和这两台变压器做为国电备用电源变压器的重要性，采用此方案，即使快速开关误动作也只是将电抗器投入系统，不会造成主变低压侧母线开路而导致国电电源无法投入的情况。对于其他变电站主变的限流措施，考虑到投入成本的问题，只需要在吉兰泰盐化主变的低压侧母线上串联接入高速开关即可。当10 kV出线上发生短路故障时，快速开关在预期短路电流尚未达到峰值之前快速开断，将短路电流快速切断，保护变压器免受损坏。