华东某高校10kV线路断电分析与解决——学校变压器的失压保护问题

杨 勇 赵星熠

华东某高校10kV线路断电分析与解决——学校变压器的失压保护问题

杨 勇 赵星熠

[华东师范大学]

随着高校规模的不断扩大和教学科研活动的不断增加，高校用电需求也随之日益增加。高校内部建设有众多10kV变电站，市政高压供电进入学校后，经10kV站变配电输送至各用电设备，市政供电电网的波动也随之影响学校供电稳定性，市政电网波动造成学校供电线路断电情况时有发生。本文通过对学校10kV线路断电情况进行研究分析，介绍了变压器低压开关失压保护装置的不同形式，提出要选择变压器合适的保护装置，以确保学校供电线路的稳定性。

10kV站；线路断电；变压器；失压保护

伴随着教育改革的不断推进，大学的招生规模逐年扩大，教学科研用能设备逐年增加，供电网络的任何波动，都会对学校精密科研仪器以及数据产生影响，电力供应的安全性和稳定性尤为重要。

作为国家重点知名高校，华东某高校由市政高压环网供电，供电环网分三路分别进入学校教学区、本科生公寓区以及研究生公寓区。其中学校教学区供电网络由一个35kV高压站和13个10kV高压站（共计32台变压器）以及低压供电网组成。本科生公寓区供电网络由10个10kV箱变（共计20台变压器）以及低压供电电网组成。研究生公寓区供电网路由5个10kV高压站（共计9台变压器）以及低压供电电网组成。为方便供电网路检修及确保学校供电稳定，市政三路高压进线均分为Ⅰ段和Ⅱ段供电线路，各高压站及箱变的变压器均按其负荷平均分配在Ⅰ段和Ⅱ段供电线路上。

2019年10月某日晚，学校出现大面积断电情况，学校教学区部分10kV线路断电。经现场调查，本次教学区断电共计影响教学区的7个10kV站。初步调查原因为上级电网波动造成35kV站Ⅱ段进线电压波动，进而造成7个10kV变电站内Ⅱ段变压器低压侧开关断路器失压保护装置启动造成停电。

为确定学校大面积断电的具体原因，保障学校电力供应的安全，对本次停电情况进行了详细的调查分析。

一、停电情况分析

（一）学校供电网络35kV高压变配电系统结构

供电流程：35kV外线电网——高压断路器——高压变压器——10kV断路器——10kV母线——10kV断路器——各10kV变压器——低压开关断路器（带失压保护装置）——400V用电设备，详见图1。

图1 校区35kV高压变配电系统

失压保护装置作用：在遇到市政供电高压环网瞬间失压时，变压器低压侧开关断路器的失压保护装置瞬间启动，断路器跳闸。根据GB14148.1-2000《低压开关设备和控制设备总则》规定欠压脱扣动作的的范围为额定电压的35%-70%，失压脱扣的动作的的范围为额定电压的10%-35%。[1]

（二）市政高压供电环网波动原因分析

从供电局了解到，10月某日夜间，学校附近一处工厂的一台变压器发生故障。故障发生后，为防止损失进一步扩大，市政高压供电保护装置启动，高压供电设备在0.2秒内跳闸一次，切除故障线路供电，因此造成市政供电线路0.2秒的瞬时失压，进而引起市政35kV高压供电环网产生波动。本次市政高压电网波动影响周围（包括学校在内）的多个厂区、园区。

（三）学校停电情况分析

在本次市政供电环网波动造成的学校大面积停电中，本科生公寓以及研究生公寓区供电未受到影响，部分10kV站Ⅱ段变压器及新建楼宇10kV站Ⅱ段变压器也未出现停电现象。其中本科生公寓以及研究生公寓区由其他两路市政高压供电网络供电，不受本次供电网络波动影响。对其余未停电10kV站Ⅱ段变压器调查分析，原因主要有以下两种。

一是变压器退出了低压开关失压（欠压）保护功能。调查发现，实验楼Ⅱ段变压器低压断路器失压（欠压）保护装置因失效已被拆除，并且未加装新的保护装置，因此本次事故中未受到影响。

二是变压器低压开关失压（欠压）保护增加了延时装置。变压器低压侧失压保护装置并联有延时保护装置，延时装置内部能够存储电能。当供电电网瞬时失压，变压器低压开关将不会跳闸，若电网长时失压或欠压（小于电网额定电压的70%），供电电压不能由延时装置内部存储的电能维持时，低压开关才会断开[2]。学校新建10kV站内安装的变压器均采用延时保护功能，因此本次未发生停电现象。

二、原因分析及解决

本次教学区7个10kV变电站内Ⅱ段变压器断电，均是由高压供电电网波动造成变压器低压开关失压（欠压）保护启动引起。为保障学校供电网络的安全稳定，对学校目前变压器低压开关失压（欠压）保护现状进行调查分析。

（一）低压开关失压（欠压）保护

变压器低压开关失压（欠压）保护的主要作用是，在维持供电电网稳定的同时，保护供电线路上的用电设备不受电网波动的损害。失压（欠压）保护装置启动，断路器断开，供电电网恢复后，供电线路上所载负荷不会同时启动，避免了高压供电线路负载过高造成电网瞬间过载；同时能够避免低压端用电设备瞬间启停造成的操作过电压和电流的冲击。

但是，低压开关失压（欠压）保护装置启动后，用电线路断电，需要电力抢修人员到10kV站内对各断电变压器手动合闸进行送电，这种情况不仅供电速度很慢，而且电力抢修人员工作量大，学校断电时间较长，承担的风险系数较高。由于学校数据中心、重点实验室对供电网络稳定性的要求越来越高，学校内变压器必须选取合适的失压（欠压）保护方式，以解决市政高压电网波动产生的变压器失压脱扣保护与学校快速恢复供电之间的矛盾。

（二）学校变压器低压开关失压（欠压）保护情况

目前学校10kV站变压器针对电网波动有三种应对方式：低压开关退出失压（欠压）保护、低压开关瞬时失压（欠压）保护、低压开关延时失压（欠压）保护。下面对三种方式进行分析。

方式一：低压开关退出失压（欠压）保护。在市政高压电网失压或者欠压时，由于变压器退出了失压（欠压）保护，其低压侧开关始终保持闭合，当市政高压电网恢复供电后，变压器直接恢复供电。对于学校现有变压器，只需将低压开关失压保护装置拆除即可。这种方式原理简单，改造起来也较为简单同时成本较低。但是，这种方式会对市政电网的安全稳定运行、学校的高精密实验设备等带来损害。一是由于操作过电压会对市政供电电网产生冲击，造成高压电网瞬间的电压质量劣化，对学校众多用电设备造成严重损害。二是则当供电电压欠压较严重（如小于电网额定电压的70%）时，供电电压严重不足，低压侧用电设备欠压运行，轻则造成学校实验设备断电，数据丢失，实验中断；重则造成设备电机电流过大，烧毁用电设备，引发安全隐患。

方式二：低压开关瞬时失压（欠压）保护。在市政高压电网失压或者欠压情况下，变压器低压开关启动保护断开线路，市政高压电网恢复后，电力抢修人员到现场逐一手动合闸送电，速度比较慢，且人员工作量很大。同时由于电网波动较为频繁，容易造成学校频繁无预警停电，针对学校众多的用电设备、实验设备以及数据中心会造成设备损坏、数据丢失等严重影响教学科研活动的情况。

方式三：低压开关延时失压（欠压）保护。在供电电网正常供电时，对变压器低压侧失压延时装置充电。当市政高压电网瞬时失压，欠压延时装置释放其内部储备的电能，从而维持电网供电。安装了延时装置，对于市政高压电网的瞬时失压，变压器低压开关将不会跳闸，只有当市政高压电网长时间失压或欠压（小于电网额定电压的70%），供电电压不能由延时装置内部存储的电能维持，变压器失压（欠压）保护启动，开关才会跳闸。总体来说，延时保护能够很好的应对电网波动，减少停电风险，保护用电设备正常运行，保障学校供电安全。

此次市政供电电网波动造成的停电事故中，受到影响的均是按照方式二进行的低压开关瞬时失压（欠压）保护的10kV线路变压器。

（三）解决方案

通过分析发现，10kV站变压器低压开关选择退出失压（欠压）保护或低压开关瞬时失压（欠压）保护均不能很好的应对供电电网波动。目前，学校已对现有变压器低压侧出线开关进行全面调查，在条件允许情况下，全部选择低压开关延时保护方案保证学校供电网络安全。

三、结论及展望

通过本次学校停电情况的调查，分析了变压器低压开关失压（欠压）保护的各种方式，进而保障学校供电网络的安全性和稳定性。建议各高校根据自身实际情况，就是否有利于供电稳定性、是否有利于学校用电设备安全性、是否有利于学校变压器跳闸后快速恢复供电等多方面进行详细比较，综合考虑用电需求和改造成本选择适当的保护方式。

随着科技的发展，供电网络也越来越智能化，目前已有低压自动开关失压保护自恢复技术，通过AI技术自动判断开关分闸是由失压引起还是正常分闸（人工断开），并根据判定结果来确定开关是否重新合闸并自动进行动作。利用此类科技手段可大大减少电力抢修人员恢复供电时间和劳动强度，更好地保证电力的供应和稳定。

[1]GB14148.1-2000，低压开关设备和控制设备，[S].

[2]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2002.

（责任编辑：赵鹏程）