站用变压器电气火灾预警系统

肖立军，莫 凡

(广东电网有限责任公司 珠海供电局，广东 珠海 519000)

在电力系统中，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路被输送并分配给用电设备。变电站是连接这些输电线路的枢纽，变电站火灾可能中断电能输送，对人身、设备和电网安全造成极大的危害。

变电站火灾中，变压器火灾比较常见。变压器起燃原因主要有：变压器温升异常造成局部或整体过热，外部或内部短路以及绝缘击穿所产生的电火花和电弧。为防范于未然，应采取措施降低着火的危险性，首先是防止带电起燃，其次是万一起燃，应将火势的蔓延降到最小程度或限制在变压器壳体之内，以免诱发火灾[1-2]。

站用变压器一般配置速断、过流、380 V零序电流保护。电流速断保护按照躲避站用变低压侧故障整定；过流保护按照躲避站用变额定电流整定；380 V侧零序电流定值按照躲避不平衡电流整定。这些保护主要针对变压器绕组及其引出线的相间短路、中性点直接接地侧的单相接地短路、外部相间短路引起的过电流和中性点直接接地侧外部接地短路引起的过电流。目前，站用变压器的继电保护装置不能反映站用变压器绕组及其出线电缆对地绝缘下降引起的泄漏电流[3-5]。

本文提出一种新的站用变压器电气火灾预警系统及策略，主动探测电气火灾，及早发现火灾隐患，将火灾消除于萌芽状态。

1 电力变压器灭火系统概述

电力变压器的灭火系统，常见有水喷雾灭火系统、细水雾灭火系统、气体灭火系统和排油注氮防爆型灭火系统[6-7]。

水喷雾灭火系统由水源、供水设备、管道、雨淋阀组、过滤器和水雾喷头等组成，利用水以细小的雾状水滴喷射到正在燃烧的物质表面，产生表面冷却、窒息、乳化和稀释的综合效应，实现灭火[8]。

细水雾灭火系统由供水装置、过滤装置、控制阀、细水雾喷头等组件和供水管道组成，能自动或人工启动并喷放细水雾进行灭火[9]。

气体灭火系统应用于不能用水扑救的场所，避免火灾损失，一般由灭火剂贮瓶、控制启动阀门组、输送管道、喷嘴和火灾探测控制系统等组成，采用在室温和大气压力下为气体状的灭火剂扑灭火灾，按使用的气体灭火剂分为七氟丙烷、混合气体IG541、二氧化碳、惰性气体等灭火系统。

排油注氮防爆型灭火系统由控制柜、消防柜、断流阀、排油管道、注氮管道及火灾探测器等装置组成，用于油浸式变压器。

上述灭火系统均是被动探测灭火，报警时间晚，不能及时发现电气火灾隐患，不能将火灾消灭于萌芽状态[10]。

2 电气火灾预警系统设计

站用变压器电气火灾预警系统由剩余电流传感器、剩余电流合成器1、剩余电流合成器2、差电流合成单元和信号处理单元构成(见图1)。

图1 站用变压器火灾预警系统构成图

信号处理单元接收差电流合成单元输出的剩余电流差值，并对数据进行分析处理。

差电流合成单元接收剩余电流传感器和剩余电流合成器输出的剩余电流，自动形成剩余电流差值并输送给信号处理单元。

剩余电流合成器1装设于站用变压器低压侧出线端，剩余电流合成器2装设于380 V母线进线端，剩余电流传感器装设于站用变压器中性点接地线的N点和P点之间。

2.1 剩余电流合成器

剩余电流合成器包括剩余电流合成器1和剩余电流合成器2(见图2)。

图2 剩余电流合成器构成图

剩余电流合成器1由4个电流互感器CT1、CT2、CT3和CT4构成，站用变压器低压侧出线回路的A相、B相、C相电缆和中性线电缆分别穿过互感器CT1、CT2、CT3和CT4的铁芯，4个电流互感器的二次绕组采用和电流接线，以形成站用变压器低压侧出线端的剩余电流I1：

(1)

式中，Ia1是站用变压器出线电缆的变压器端A相电流；Ib1是站用变压器出线电缆的变压器端B相电流；Ic1是站用变压器出线电缆的变压器端C相电流；In1是站用变压器出线电缆的变压器端中性线电流。

剩余电流合成器2由4个电流互感器CT5、CT6、CT7和CT8组成，站用变压器低压侧出线回路的A相、B相、C相电缆和中性线电缆分别穿过互感器CT5、CT6、CT7和CT8的铁芯，4个电流互感器的二次绕组采用和电流接线，以形成380 V母线进线端的剩余电流I2：

(2)

式中，Ia2是站用变压器出线电缆的母线端A相电流；Ib2是站用变压器出线电缆的母线端B相电流；Ic2是站用变压器出线电缆的母线端C相电流；In2是站用变压器出线电缆的母线端中性线电流。

构成剩余电流合成器的电流互感器全部采用相同参数的计量型低压电流互感器，为保证准确度，选择电流互感器时，应保证正常运行时的一次电流约为其额定值的60%，至少不得低于30%；二次负荷应在额定二次负荷的25%～100%范围内。

2.2 差电流合成单元

差电流合成单元包括变流器T1、变流器T2、变流器T3和变流器T4(见图3)。

图3 差电流合成单元构成图

变流器T1的二次绕组TA12与变流器T2的二次绕组TA22反并联，合成差电流I12：

(3)

式中，k1是变流器T1的一次绕组TA11与二次绕组TA12的匝数比；k2是变流器T2的一次绕组TA21与二次绕组TA22的匝数比。

变流器T2的一次绕组TA21与变流器T3的一次绕组TA31串联，变流器T3的二次绕组TA32与变流器T4的二次绕组TA42反并联，合成差电流I01：

(4)

式中，k3是变流器T3的一次绕组TA31与二次绕组TA32的匝数比；k4是变流器T4的一次绕组TA41与二次绕组TA42的匝数比。

变流器T1的一次绕组TA11与剩余电流合成器2连接，变流器T2的一次绕组TA21与剩余电流合成器1连接，变流器T4的一次绕组TA41与剩余电流传感器的二次绕组连接。

一般情况下，变流器一次绕组的励磁电流很小，处于弱磁场条件下工作，一次绕组匝数应远高于二次绕组匝数。但是，站用变压器运行过程中，低压侧主电路可能会受到几百安至上千安大启动电流或几万安的短路电流冲击。在这种情况下，变流器不能因冲击电流产生的剩磁影响动作特性，为此，变流器的铁芯材料应采用具有高起始磁导率、高的最大磁导率和低矫顽力的铁镍软磁合金材料。

3 电气火灾预警策略

剩余电流探测器配置图如图4所示，在站用变压器中性点接地线的N点和P点之间装设剩余电流传感器，获取站用变压器供电系统的总剩余电流I0。

图4 剩余电流探测器配置图

利用站用变压器中性线的电流互感器CT4和CT8采集站用变压器供电系统的零序电流、A相线路的电流互感器CT1和CT5采集站用变压器低压侧A相电流、B相线路的电流互感器CT2和CT6采集站用变压器低压侧B相电流、C相线路的电流互感器CT3和CT7采集站用变压器低压侧C相电流，再采用和电流接线，合成获取变压器低压侧出线的变压器端剩余电流I1和380 V母线端剩余电流I2。

根据式3和式4，利用差电流合成单元获取I01和I12。I01代表站用变压器低压绕组的剩余电流，I12代表变压器低压侧出线电缆的剩余电流。

由信号处理单元判断I01和I12值是否超过设定阈值，是则报警；当I01达到设定阈值时，站用变压器本体存在火灾隐患；当I12达到设定阈值时，站用变压器低压侧出线电缆存在火灾隐患。

4 结语

站用变压器电气火灾预警系统，将剩余电流传感器连接在站用变压器的中性点与接地点之间，以检测到系统的总剩余电流，而分别连接在变压器的低压绕组处和相关母线处的剩余电流合成器可以测得变压器低压侧出线端和母线端的剩余电流，通过站用变压器供电系统不同位置剩余电流的检测，可以充分把握剩余电流的变化情况，进而准确地探测站用变压器电气火灾隐患，及时报警。该系统结构简单，且灵敏度较高，能够解决现有变压器消防系统报警时间晚、不能及时发现电气火灾隐患的技术问题。