10kV 油浸式内置高压保护变压器技术研究

徐东伟，刘振雷，周永亮

（许继变压器有限公司，河南 许昌461000）

1 引言

我国柱上10kV 油浸式配电变压器一次侧广泛采用高压跌落式熔断器保护，从运行效果看，用熔断器保护配电变压器结构简单、成本低。但从短路试验结果表明，当变压器内部发生故障时，为避免油箱爆炸，必须在20ms 内切除短路故障。限流熔断器可在10ms 内切除短路故障，而柱上断路器一般需要三周波（60ms）切除短路故障。柱上断路器全开断时间由3 部分组成：继电保护动作时间、断路器固有动作时间和燃弧时间，从原理上暴露其保护性能缺点。

2 内置高压保护变压器设计原理

10kV 油浸式内置高压保护全密封配电变压器由后备限流熔断器、电流和温度双因素保护负荷开关、变压器器身等主要部件组成（如图1 所示）；双因素负荷开关具有类似喷射式熔断器的保护特性，保护特性受温度和负荷2 种因素影响。当变压器二次侧过载或短路时，双因素保护负荷开关会瞬间脱扣，并能有效熄灭开断时产生的电弧，顺利断开变压器电源。也可用操作手柄对双因素保护负荷开关进行分合，从而实现负荷开关的功能，熔断器结构满足三相联动方式要求，相比传统跌落式熔断器避免变压器缺相运行[1]。

图摘要kV 油浸式内置高压保护的全密封变压器原理图

3 变压器高低压分级保护配置及保护原理

变压器运行时，其绕组和铁芯产生的损耗转变成热量，一部分被变压器各部件吸收使之温度升高，另一部分则散发到其他介质中。当散发的热量与产生的热量相等时，变压器各部件的温度达到稳定，不再升高。变压器运行时各部件的温度是不同的，绕组温度最高，铁芯次之，变压器油的温度最低。为了便于监视运行中变压器各部件的温度，规定以上层油温为允许温度。

变压器的允许温度主要决定于绕组的绝缘材料。我国电力变压器大部分采用A 级绝缘材料，即浸渍处理过的有机材料，如纸、棉纱、木材等。对于A 级绝缘材料，其允许最高温度为105℃，由于绕组的平均温度一般比油温高100℃，同时为了防止油质劣化，所以规定变压器上层油温最高不超过95℃。而在正常状态下，为了使变压器油不致过速氧化，上层油温应不超过85℃。当变压器绝缘材料的工作温度超过允许值时，其使用寿命将缩短。

4 熔断器的动作特性及保护原理

目前，国内很多地区10kV 美式箱变及35kV 风力发电场使用全范围高压限流熔断器一般由2种形式组成，用户可根据各自情况按以下保护方案来选用。

1）由后备限流式和喷射式两者独立串联组合而成的全范围保护，后备限流式熔断器因石英砂具有熄灭电弧和限流作用，开断大故障电流能力强，而开断小过载电流很困难。喷射式熔断器对小过载电流开断能力强，而大故障电流开断却很困难。喷射管由一种产气材料制成，当熔体熔化时出现电弧产气管在高温作用下产气将电弧喷出在油箱内熄灭。2）后备限流式和喷射式组合为一体的熔断器，当大故障电流由后备限流式开断，当小过载电流出现时由喷射式将电弧喷出由石英砂吸收灭弧，从而将两者的优点结合起来组成全范围保护熔断器[2]。

5 双因素保护负荷开关的动作特性及保护原理

双因素保护负荷开关对温度和电流因素反应敏感，当过载时，大电流通过双因素保护负荷开关的传感器使传感器内高感材料的温度迅速升高，当温度过高致使传感器高感材料失磁，双因素保护负荷开关瞬间脱扣，双因素保护负荷开关通过操作机构与变压器进线端相连的动触头分闸，及时断开变压器电源，实现过流和油温保护功能。

当双因素保护负荷开关的温度恢复到磁性时，可重新对双因素保护负荷开关进行闭合操作，双因素保护负荷开关可重复使用。用双因素保护负荷开关操作手柄就地远端对三相双因素保护负荷开关进行就地操作，也可作为负荷开关使用。双因素保护负荷开关的操作手柄具有分合位置指示和夜间反光功能，也可作为隔离开关使用。

通过如图2 曲线可以得到以下结论：

1）温度越高，双因素开关动作越快；

2）在试验电流（20A～60A）范围内，开关动作快于后备熔断器；

3）在1.5～3 倍额定电流范围内，电流的增加会明显缩短双因素开关的开断时间。

图2 双因素保护负荷开关开断曲线

双因素保护负荷开关与双敏熔丝一样，都是从电流和温度2 方面对变压器低压侧故障或过载进行保护，可以防止由于过载或环境温度所导致的变压器长期温升。双因素保护负荷开关需满足以下技术要求：

1）三相双因素保护负荷开关具有感应变压器油温及负载电流，具有双敏感性。当变压器油温叠加负载电流流经双因素保护负荷开关所产生的温度达到145℃时，双因素保护负荷开关的传感器感应触发机构分闸。

2）油位过低时，三相双因素保护负荷开关闭锁手动合闸功能。

3）过载保护（双因素保护负荷开关）时，不需更换设备，可重复使用，排除非正常状态负荷或故障后，可直接重新闭合。

4）三相双因素保护负荷开关动作为单相感应和三相脱扣，避免了变压器缺相运行，降低变压器故障率，提高供电可靠性。

6 双因素保护负荷开关与后备限流熔断器的配合保护

后备限流熔断器和双因素保护负荷开关的配合，需要考虑以下5 个主要因素：

1）将后备限流熔断器的最小熔化曲线同双因素保护负荷开关的最大开断曲线进行比较，注意这2 条曲线交叉的地方，这就是所谓的“交叉点”。确保该交叉点对应的电流值大于最大短路输出电流值，这将保证后备限流熔断器仅在故障电流大于二次侧最大故障电流的情况下才开始动作，如变压器内部故障引起的故障电流。

2）所选ELSP 熔断器的最小额定开断电流应小于交叉点电流值。这可以确保后备限流熔断器只会被要求开断大于其最小额定开断电流的故障电流值。

3）确保双因素保护负荷开关最大开断曲线和后备限流熔断器最小熔化曲线之间在长期区域没有交叉是很重要的，因为这可能引起ELSP 熔断器会试图开断电流——低于其最小熔化电流值的电流或是在BON 熔断器动作前ELSP 熔断器受到破坏。要想确保这一点，在300s 时对应的双因素保护负荷开关的最大开断电流值必须小于或等于90%的对应的后备限流熔断器的最低熔化电流值。当达到合适的匹配时，低电流系列保护装置应率先动作。后备限流熔断器应当只有在变压器内部故障、绕组（匝间绝缘）故障，以及其他类似的需要将变压器移出运行现场的故障时才允许动作[3]。

4）理想情况下，这将提供额外的裕度确保双因素保护负荷开关和ELSP 熔断器的重叠保护区域。

5）在特殊情况下，即使上述所列条件并没有完全得到满足，仍然有可能成功地使用双因素保护负荷开关及后备限流熔断器。配合时间电流特性曲线（以容量为315kV·A 内置高压保护变压器为例）如图3 所示。

图3 配合时间电流特性曲线图

7 提高内置高压保护变压器抗短路能力的措施

变压器短路时的短路电流一般要达到额定电流的几十倍，而此时的电磁力则为正常运行时电磁力的几百倍，如此大的电磁力致使铁芯、线圈、紧固件等遭受重大的损伤，如果配电变压器的质量有缺陷，有可能损坏整台配电变压器，最终导致供电中断。铜导线的膨胀系数比绝缘材料大很多，随着电力增大，导线温度升高，绝缘层受到张力和压力，导致导线绝缘受损。另外，导体线匝因留有相同的电流产生挤压力，使线匝间绝缘受压，同时，线圈轴向方面产生压缩力。当线圈中流有短路电与线圈的漏磁场相互作用时，便会产生非常大的机械应力。同时因一、二次绕组高度不相等，会造成绕组安匝不平衡，也会产生轴向分力。变压器生产企业工艺水平是造成配电变压器抗短路能力高低的主要原因。在产品制造过程中应提高配电变压器绕组垫块加工、绕组生产、绕组预套装、内绕组撑紧及总装中的紧固5 个方面的工艺水平。

配电变压器的设计及研制主要依据GB 1094.1 《电力变压器 第1 部分：总则》、GB 1094.2《电力变压器 第2 部分：液浸式变压器的温升》、GB 1094.3《电力变压器 第3 部分：绝缘水平绝缘试验和外绝缘空气间隙》、GB 1094.5《电力变压器 第5 部分：承受短路的能力》、GB/T 6451《三相油浸电力变压器技术参数和要求》。变压器试验检测方面主要依据GB 1094.2《电力变压器 第2 部分：温升》、GB 1094.3《电力变压器 第3 部分：绝缘水平 绝缘试验和外绝缘空气间隙》、GB 1094.5《电力变压器 第5 部分：承受短路的能力》、GB 1094.3《电力变压器 第10 部分声级测定》、GB 1094.4《电力变压器第4 部分：电力变压器和电抗器的雷电冲击和操作冲击试验导则》和JBT 501—2006《电力变压器试验导则》。

配电线路带电作业已经成为提高供电可靠性的重要手段，目前，在配电专业可开展的带电作业达到33 种（2013 年国家电网公司共计开展配电带电作业摘要 次），其中与变台相关的带电作业有带负荷更换跌落式熔断器、断接电缆终端引线、更换柱上变压器、更换避雷器。

8 结语

通过对10kV 油浸式内置高压保护变压器进行研究，在油浸式变压器的基础上，采用自身具有保护功能过电流、过温双因素保护原理的双因素保护负荷开关，通过与后备限流熔断器的配合，实现全范围的优化保护配置，具有人工分合闸、过负荷保护、出口短路保护以及变压器内部短路保护等功能。