保护低压隔离变压器所用的断路器及其参数设置

厦门ABB低压电器设备有限公司 张白帆

一.变压器的参数、断路器参数与故障分析

在某工程中低压成套开关设备的输出回路之一是一台低压的隔离变压器，其参数是：

工程师为这台隔离变压器选择了ABB的塑壳开关S5H400R400，其额定电流是400A，分断能力是65kA，脱扣器采用L-I两段保护，即过载长延时反时限L参数保护和短路瞬时I参数保护。那么使用的情况怎样呢？

当把S5H400R400合闸后，该断路器就立即跳闸。经检查，此断路器没有任何问题，其它设备也没有任何故障。显然，问题出在断路器与变压器的配合上，是断路器不能承载变压器的起动励磁电流而采取的保护动作。

二.变压器的励磁涌流

变压器的容量有如下关系存在：

式中：

SN — —变压器的容量

UN1— —变压器一次侧额定电压

IN1 — —变压器一次侧额定电流

UN2— —变压器二次侧额定电压

IN2 — —变压器二次侧额定电流

当变压器空载运行时，一次侧产生了空载磁势i0W1，在空载磁势的作用下产生了空载磁通和空载电流，即空载电流即励磁电流。

空载磁通分为两个部分：其一是同时环链一次绕组和二次绕组的主磁通，用Φ表示；其二是只环链一次绕组本身而不环链二次绕组的的漏磁通，用ΦS1表示。主磁通的路径为主磁路，磁阻相对较小；漏磁通的路径是变压器外壳和其它铁磁材料和非铁磁材料，其磁阻相当大。因此主磁通比漏磁通的数值上要大数百倍，故本处忽略漏磁通而主要讨论主磁通。

励磁电流中的磁化电流I0R为励磁电流的无功分量，而变压器的磁滞损耗和涡流损耗代表着励磁电流的有功分量，即I0A。所以，变压器励磁电流由无功分量和有功分量组成：

变压器空载运行时的等值电路如下：

式中：

r1 — —漏磁通电阻

jx1 — —漏磁通电抗

rm — —励磁电阻

jxm — —励磁电抗

E1 — —一次绕组感应电势

所以变压器一次侧电压方程为：

通常电网电压近似为恒压，变压器运行时，rm和xm近似为常数，且rm远远小于xm，因此变压器在空载运行时无功功率很大，而有功功率很小。

变压器在工作状态下的励磁电流仅为额定电流的3~6%,由其建立的稳态磁通ФW与电源电压的关系是：

图1：α＝0°，ФΣ=0.9Фm时空载投入变压器时的磁通变化情况

降空载的变压器投运时，其磁通Ф为：

其中ФΣ为：

根据空载投入时变压器铁芯内磁通的变化及铁芯磁化曲线，可以求出相应的励磁涌流曲线，其值为：

式中：

XL=ωL为合闸回路的基波阻抗。

由上式中可见，当Um一定时，稳态磁通峰值就一定，而总磁通的最大值是随暂态磁通的变化而变化的。当α＝0时，暂态磁通最大，则励磁涌流的峰值也最大。

下图为典型的单相变压器中的励磁涌流波形图：

我们从图中可以看出，单相变压器空载励磁涌流的波形中最初几个波形衰减迅速，然后就缓慢衰减。一般地，衰减的速率取决于主回路的时间常数τ，τ＝L/R。在实际状态下，由于随着变压器铁芯的饱和状态变化，L也相应地改变。因此在开始的几个周波内，因为变压器铁芯饱和程度高，所以L较小，随着回路中的损耗阻尼作用使饱和程度降低，L也随之增大，使得时间常数τ逐渐变大。另外，电源到变压器的线路电阻也影响到励磁涌流的衰减速率。

一般地，涌流时间的变换范围从小变压器的10个周波到大变压器的1分钟左右。

三相变压器的励磁涌流于单相变压器的励磁涌流相同，其大小和波形与变压器空载合闸时的初相角、剩磁的大小和方向、铁芯材料、系统阻抗等条件相关。可见三相变压器的空载励磁涌流的分析是比较复杂的。

为了在实际工程中简化分析方法，也可采用类似变压器短路电流的方法来简化励磁涌流的计算。

我们来看右图：

当T2送电时，T2中还未建立励磁电流，母线电压加载在变压器的初级绕组阻抗上，因此将会产生很大的励磁涌流，随着时间的推移，空载励磁电流将迅速衰减。

因为T2是隔离变压器，因此变压器的励磁涌流接近于短路电流。

以下对变压器的短路电流进行分析：

上图中，ip为短路时的冲击短路电流，而ik为短路的周期分量。

当发生短路时，因为短路前后的电源电压不变，而短路前后的阻抗却由负载阻抗变换为线路阻抗和变压器的绕组阻抗，因此短路电流非常大。

变压器的短路电流中经历了短路的衰减过程，从冲击短路电流ip衰减到稳定短路电流或短路电流的周期分量iK。

据此，可得出冲击电流ip的表达式如下：

式中：

ip— —冲击短路电流

SN— —变压器容量

UN— —变压器一次侧额定容量

USR— —变压器阻抗电压

IN— —变压器额定工作电流

类似地，我们也定义变压器的励磁涌流为：

考虑到通用情况，电力变压器的阻抗电压USR的取值一般为4%、6%、8%等等，而控制变压器的阻抗电压则大多为4%、6%，所以变压器的起动励磁涌流不超过变压器额定电流的30倍，起动励磁涌流的维持时间不小于20毫秒，但一般不会大于150毫秒。因此，对变压器实施保护的断路器在此范围内不能实施保护脱扣操作。

对于前述的隔离变压器，其参数是：容量SN=250kVA，一次侧额定电压UN1=400V，二次侧额定电压UN2=230V，阻抗电压USR=4%。

将阻抗电压为4%代入上式，可得：

由此看出，250kVA低压系统隔离变压器的起动冲击电流大约为25倍的额定电流。

再以T2的一次侧额定电压代入，可得如下具体参数：

由此可知，原先采用的S5H400R400开关就是因为I短路参数不能实现延迟脱扣，因而对变压器产生的励磁涌流执行短路保护脱扣而跳闸的。

三.如何配置变压器的保护断路器

从上文中我们可以知道，该变压器额定电流为361A，而起动电流为9kA。那么如何来选择保护断路器呢？

低压断路器不象中压继保装置可以实现各种保护方式，低压断路器的保护方式只有过载长延时、短路短延时和短路瞬时等三种反时限保护参数。在这里，我们必须用断路器的短路短延时S参数保护来实现断路器对变压器的起动闭锁和短路保护。

我们来看断路器的保护特性：

上图为断路器的L-S保护特性曲线。其中【过载保护】用于变压器的常态过载保护，而【起动屏蔽】则用于变压器对起动冲击电流实施脱扣屏蔽，而【短路保护】则用于变压器的短路保护脱扣。

显见，为变压器执行保护的断路器必须具备L-S保护类型，即使用类别为B的断路器。最重要的是：短延时的时间延迟必须大于20毫秒，不妨取为0.1秒。这样，当发生了短路后，断路器能在延迟0.1秒后跳闸，而此前的参数则可用于对变压器励磁涌流实施保护屏蔽。

四.选择断路器举例

我们来看ABB的塑壳S开关的有关参数。ABB的塑壳开关最大规格是S7开关，S7开关的电流选择表如下：

?

因为断路器的短延时S一般为额定电流的1~10倍，所以对于T2变压器来说，只能采用S7断路器，其额定电流为1000A，而短延时电流为10kA满足T1变压器起动励磁涌流9kA的要求。

再看S7断路器的短延时脱扣时间的整定值：

从表格中看到，当S7开关的S脱扣在t2=0.1秒的延时下脱扣电流倍数为8倍In，不满足250kVA变压器的起动励磁涌流的屏蔽要求。

我们再看Emax短路器的参数：

我们不妨选择E1B1000开关。我们再看E开关的保护参数：

从表中可以看出，当S反时限保护参数在10In的电流下其脱扣时间可调整到0.1秒。

因此，对于T2断路器来说，最合适的断路器就是E1B1000断路器，且脱扣采用PR121/P L-S-I，其中I参数关闭。

所以工程师在实际操作中应该根据参数设置选择符合需要且最具备安全系数的断路器系统。