10kV配電變壓器保護配置方式的合理選擇

無論是在環網供電單元、箱式變電站或是終端用戶的高壓室結線方式中, 如配電變壓器發生短路故障時，保護配置能快速可靠地切除故障，對保護10 kV高壓開關設備和變壓器都非常重要。保護方式的配置一般有兩種：一種利用斷路器；另一種則利用負荷開關加高遮斷容量的后備式限流熔斷器組合。這兩種配置方式在技術和經濟上各有優缺點，以下對這兩種方式進行綜合比較分析。

1環網供電單元接線形式
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1.1環網供電單元的組成
    環網供電單元（RMU）由間隔組成, 一般至少有3個間隔，包括2個環纜進出間隔和1個變壓器回路間隔。

1.2環網供電單元保護方式的配置
    環纜饋線與變壓器饋線間隔均采用負荷開關, 通常為具有接通、隔斷和接地功能的三工位負荷開關。變壓器饋線間隔還增加高遮斷容量后備式限流熔斷器來提供保護。實際運行證明，這是一種簡單、可靠而又經濟的配電方式。
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1.3環網供電單元保護配置的特點
    負荷開關用于分合額定負荷電流, 具有結構簡單、價格便宜等特點, 但不能開斷短路電流，高遮斷容量后備式限流熔斷器為保護元件, 可開斷短路電流，如將兩者有機地結合起來,可滿足配電系統各種正常和故障運行方式下操作保護的要求。斷路器參數的確定和結構的設計制造均嚴格按標準要求進行，兼具操作和保護兩種功能，所以其結構復雜，造價昂貴，大量使用不現實。環網柜中大量使用負荷開關加高遮斷容量后備式熔斷器組合裝置，把對電器不盡相同的操作與保護功能分別由兩種簡單、便宜的元件來實現，即用負荷開關來完成大量發生的負荷合分操作，而采用高遮斷容量后備式限流熔斷器對極少發生短路的設備起保護作用，很好地解決問題，既可避免使用操作復雜、價格昂貴的斷路器，又可滿足實際運行的需要。表1列出3種保護配置方式的技術-經濟比較。
    10 kV配電變壓器保護配置方式的合理選擇從此可以看出：
    a） 斷路器具備所有保護功能與操作功能，但價格昂貴；
    b） 負荷開關與斷路器性能基本相同，但它不能開斷短路電流；
    c） 負荷開關加高遮斷容量后備式限流熔斷器組合，可斷開短路電流，部分熔斷器的分斷容量比斷路器還高，因此，使用負荷開關加高遮斷容量后備式限流熔斷器組合不比斷路器效果差，可費用卻可以大大降低。

1.4負荷開關加高遮斷容量后備式熔斷器組合的優點
    采用負荷開關加高遮容量熔斷器組合，具有如下優點：
    a） 開合空載變壓器的性能好。環網柜的負荷種類，絕大部分為配電變壓器，一般容量不大于1 250 kVA，極少情況達1 600 kVA，配電變壓器空載電流一般為額定電流的2%左右，較大的配電變壓器空載電流較小。環網柜開合空載變壓器小電流時，性能良好，不會產生較高過電壓。
    b） 有效保護配電變壓器，特別是對于油浸變壓器，采用負荷開關加高遮斷容量后備式限流熔斷器比采用斷路器更為有效，有時后者甚至并不能起到有效的保護作用。有關資料表明，當油浸變壓器發生短路故障時，電弧產生的壓力升高和油氣化形成的氣泡會占據原屬于油的空間，油會將壓力傳給變壓器油箱體，隨短路狀態的繼續，壓力進一步上升，致使油箱體變形和開裂。為了不破壞油箱體，必須在20 ms內切除故障。如采用斷路器，因有繼電保護再加上自身動作時間和熄弧時間，其全開斷時間一般不會少于60 ms，這就不能有效地保護變壓器。而高遮斷容量后備式限流熔斷器具有速斷功能，加上其具有限流作用，可在10 ms之內切除故障并限制短路電流，能夠有效地保護變壓器。因此，應采用高遮斷容量后備式限流熔斷器而盡量不用斷路器來保護電器，即便負荷為干式變壓器，因熔斷器保護動作快，也比用斷路器好。
    c） 從繼電保護的配合來講，在大多數情況下，也沒有必要在環網柜中采用斷路器，這是因為環網配電網絡的首端斷路器（即110 kV或220 kV變電站的10 kV饋出線斷路器）的保護設置一般為：速斷保護的時間為0 s，過流保護的時間為0.5 s，零序保護的時間為0.5 s。若環網柜中采用斷路器，即使整定時間為0 s動作，由于斷路器固有動作時間分散，也很難保證環網柜中的斷路器而不是上一級斷路器首先動作。
    d） 高遮斷容量后備式限流熔斷器可對其后所接設備，如電流互感器、電纜等都可提供保護。高遮斷容量后備式限流熔斷器的保護范圍可在zui小熔化電流（通常為熔斷器額定電流的2～3倍）到zui大開斷容量之間。限流熔斷器的電流-時間特性，一般為陡峭的反時限曲線，短路發生后，可在很短的時間內熔斷，切除故障。如果采用斷路器作保護。必定使其它電器如電纜、電流互感器、變壓器套管等元件的熱穩定要求大幅度提高，加大了電器設備的造價，增大工程費用。
    在這里，有必要指出在采用負荷開關加高遮斷容量后備式熔斷器組合時，兩者之間要很好地配合，當熔斷器非三相熔斷時，熔斷器的撞針要使負荷開關立即聯跳，防止缺相運行。

2終端用戶高壓室接線形式
    標準GB 14285—1993《繼電保護和安全自動裝置技術規程》規定，選擇配電變壓器的保護開關設備時，當容量等于或大于800 kVA，應選用帶繼電保護裝置的斷路器。對于這個規定，可以理解為基于以下兩方面的需要：
    a） 配電變壓器容量達到800 kVA及以上時，過去多數使用油浸變壓器，并配備有瓦斯繼電器，使用斷路器可與瓦斯繼電器相配合，從而對變壓器進行有效地保護。
    b） 對于裝置容量大于800 kVA的用戶，因種種原因引起單相接地故障導致零序保護動作，從而使斷路器跳閘，分隔故障，不至于引起主變電站的饋線斷路器動作，影響其他用戶的正常供電。
    此外，標準還明確規定，即使單臺變壓器未達到此容量，但如果用戶的配電變壓器的總容量達到800 kVA時，亦要符合此要求。
    目前，多數用戶的高壓配電室的接線方案此所示，這是基本的結線方式，在此基礎上可以派生出一主一備進線或雙進線加母線分段等方式。
　　從此可知，一般在A處裝設斷路器，在B處也裝設斷路器，這樣，視繼電保護的配置情況，可以用A或B達到GB 14285—1993《繼電保護和安全自動裝置技術規程》的兩個要求，在其中1臺變壓器需要退出運行時，操作B處的斷路器即可實現。
    根據有關的理論及現場試驗，在B處裝設熔斷器作為保護裝置更為合理、有效。筆者認為，在采用此的接線方式時，在B處應當裝設負荷開關加高遮斷容量后備式熔斷器的組合，在A處裝設斷路器，既達到GB 14285—1993《繼電保護和安全自動裝置技術規程》的要求，而在B處裝設熔斷器作為每臺變壓器的相間短路保護，且利用負荷開關又可進行每臺變壓器的投切操作，這樣，在B處裝設的就不是常用的開關柜而是環網負荷開關柜，其造價較低，體積較小，能夠有效節省配電投資。此外，如果處理好負荷開關轉移電流以及與熔斷器交接電流的選擇，也不排除在B處用每臺負荷開關進行對應變壓器零序保護的可能性。

3結束語
    10 kV配電變壓器的保護配置主要有斷路器、負荷開關或負荷開關加熔斷器，綜合技術-經濟性能和運行管理因素，無論在10 kV環網供電單元還是在終端用戶高壓配電單元中，采用負荷開關加高遮斷容量后備式限流熔斷器組合的保護配置，既可提供額定負荷電流，又可斷開短路電流，并具備開合空載變壓器的性能，能有效保護配電變壓器，為此，推薦采用負荷開關加高遮斷容量后備式限流熔斷器組合的配置作為配電變壓器保護的保護方式。