大电流限流开断器未正确动作导致的变压器跳闸故障分析

张志刚，孟立会，贾志辉，甄 利，张树亮

(1.国网河北省电力公司，石家庄 050021； 2.国网沧州供电公司，河北 沧州 061000)

大电流限流开断器未正确动作导致的变压器跳闸故障分析

张志刚1，孟立会1，贾志辉1，甄 利1，张树亮2

(1.国网河北省电力公司，石家庄 050021； 2.国网沧州供电公司，河北 沧州 061000)

针对一起大电流限流开断器爆开引起变压器跳闸故障进行分析，通过对故障设备解体检查、对启动定值进行核算、对控制器进行试验，认为该故障由串联电抗器发生匝间短路并发展成相间故障，限流开断器未完全切断故障回路，引起主变低压侧跳闸。最后，对故障反映出的问题提出一些改进建议。

变压器；大电流开短器；故障；跳闸

当大容量主变压器低压侧发生近区故障时，短路电流大多超过31.5～40 kA，部分达到60 kA以上。目前变电站通用断路器的开断能力不超过63 kA，全开断时间为100 ms以上，在开断之前，变压器常因经受不住短路电流第一个周波的电动力冲击而发生损坏，对付大短路电流已经无能为力。

大电流限流开断器采用限流器和快速断路器、熔断器等组合，为实现大容量变压器低压侧快速短路保护提供了一种新的解决方案。但由于变压器低压侧电网运行情况复杂，大电流限流开断器实际挂网运行时间不长，实际运行经验有待积累。以下通过对一起大电流限流开断器未正确动作导致的变压器跳闸故障进行分析，为该技术的推广应用提供经验[1-2]。

1 故障情况

2016年7月4日4时27分43秒，某220 kV变电站电容器组串联电抗器发生VW相间短路故障，该变压器低压侧大电流限流开断器(简称“开断器”)W相开断，随后串联电抗器转换成UV相间故障，电容器过流Ⅰ段保护动作，切除故障。4分9秒后，主变压器低压侧开断器V相封口爆开，导致主变压器低压侧相间短路，主变压器差动保护动作跳开三侧开关。

故障时当地天气晴，气温18 ℃，湿度78%。故障前该站处于正常运行方式，无检修，无操作。故障示意如图1。

故障发展顺序为04∶27∶43 625,电容器发生VW相间故障；04∶27∶43 639，主变压器低压侧大电流限流开断器W相熔断；04∶27∶43 644，电容器转换为UV相间故障；04∶27∶43 715，电容器保护过流Ⅰ段动作出口；04∶27∶43 746，电容器保护过流Ⅰ段跳开电容器组开关；04∶31∶52 878，主变压器低压侧大电流限流开断器发生VW相间故障；04∶31∶52 900，主变压器差动保护动作出口，跳三侧开关。

图1 故障示意

2 现场检查试验情况

2.1 现场检查情况

故障发生后，35 kV低压侧大电流限流开断器V相端部炸开、V相隔离变压器表面闪络，支柱绝缘子表面有放电痕迹，V相限流熔断器掉落于地，控制器三相运行灯亮。3322电抗器2根撑条掉落，表面有放电痕迹。

V相电抗器3、4层间绝缘包封有贯穿性电弧痕迹。U相底部有放电痕迹、W相顶部汇流排及绝缘子底部法兰有放电痕迹及吊架有多处电弧放电痕迹。

2.2 电容器间隔试验情况

电容器间隔其他设备检测无异常，故障电抗器V相绕组直阻较U、W相偏大，互差为3.6%，超过2%的警示值[3]，说明电抗器内部有断线。

2.3 大电流限流开断器试验情况

测量开断器通断，V、W相不导通，U相完好。

3 故障设备解体情况

3.1 电抗器解体情况

3.1.1 电抗器V相厂内测试情况

直流电阻75 ℃测试结果见表1，由表1可以说明V相电抗器内部有断线，与现场测试结果吻合。

表1 电抗器V相直流电阻测试结果(75 ℃)

标准值U相V相W相出厂值/Ω0.42250.40890.4200返厂测量值/Ω0.41800.43430.4164实测值与出厂值偏差比-1.07%6.21%-0.86%

3.1.2 设备具体解体情况

故障电抗器第3绕包层外侧有上下贯彻过火烟熏痕迹，距离电抗器下端12 cm处有明显外绝缘碳化损伤痕迹。对第3绕包层导线进行剥离。第3绕包层共3层导线，拨开外绝缘层，在距离下端12 cm处，与外绝缘碳化损伤处对应位置最外层导线电弧灼伤痕迹，其中1根导线熔断，2根导线外侧灼伤。第3绕包中间层导线表面有烟熏痕迹，导线表面绝缘膜仍存在，第3绕包最内层导线表面无异常现象，导线表面绝缘膜完好无损。

3.2 大电流限流开断器解体情况

3.2.1 大电流限流开断器原理

开断器包括3个分相安装的本体部分和1个共用的低压信号控制箱。每相本体部分由快速隔离器、限流熔断器、高压侧电子控制器、隔离变压器等部件构成，见图2。

图2 大电流限流开断器原理结构

正常运行情况下快速隔离器1和限流熔断器2并联，因后者电阻大，故负荷电流几乎全部流过快速隔离器2。

短路情况：当短路电流小于电子控制器3整定值时，由串联的真空断路器切断短路电流；当短路电流超过电子控制器3的整定值时由开断器开断短路电流。过程：短路后电子控制器先发出点火信号，对快速隔离器1断口爆破切割，高速断开(120 μs)；短路电流转移至限流熔断器2中，熔断器经1～2 ms燃弧时间之后，熔断器熄灭电弧，短路电流被完全开断，低压信号控制箱上动作相红灯变为绿灯，见图3。

开断器正常动作后，快速隔离器5个断口爆破切割，铜排断口上翻形成较大断口，电流被切断，空气绝缘恢复。短路电流转移至限流熔断器，熔断器的多个串联切口熔断，通过石英砂灭弧，根据释放能量大小，石英砂将烧融成不同直径的球形，能量越大，球形越大。

3.2.2 设备解体情况

3.2.2.1 快速隔离器解体情况

U、W相快速隔离器外观完好，V相快速隔离器一端的罐装封口喷开，导体断裂。对V相快速隔离器进行了观察和分析。发现第一断口已经完全断开，其它4个断口完好，第3、4、5断口导爆索未动作。

图3 大电流限流开断器动作过程示意

3.2.2.2 熔断器解体情况

三相熔断器外观没有明显变化。解体发现，W相熔断器银带上石英砂球形明显(直径约12 mm)，判断W相快速隔离器断开后熔断器流过大电流进行灭弧。V相熔断器银带上石英砂球相对较小(直径约6 mm)，判断V相熔断器经受了一个小于W相的故障电流，但远大于正常电流的故障电流。U相熔断器银带光亮，没有石英砂球凝结。

3.2.2.3 电子控制器测试情况

现场对三只电子控制器进行模拟试验，U、W相控制装置良好，在模拟定值达到启动值时能够准确发出跳闸信号。V相电弧灼伤明显，不能正常工作，无法验证其运行状况。

3.2.2.4 低压信号控制箱测试情况

现场测试各原件状态良好，正常电压下准确动作。对控制箱低电压下动作情况进行验证发现，125 V为控制箱工作电源电压临界值，低于125 V时控制箱不能发跳闸信号。

4 故障原因分析

4.1 电抗器故障

4.1.1 放电起始点分析

故障电抗器解体发现，第3绕包层外层导线距离下端12 cm处，一根导线烧断，2根导线外侧灼伤，同时发现外绝缘存在个别位置空洞和气腔。分析认为，故障点处绝缘存在气腔等薄弱环节，随运行时间增加，持续放电导致绝缘劣化，最终引发匝间绝缘击穿短路。

4.1.2 相间故障分析

电抗器外绝缘采用浸渍玻璃砂的环氧树脂，燃点300 ℃左右，燃烧时产生大量黑烟。分析认为，匝间绝缘击穿导致匝间短路烧损，含大量炭黑的烟尘导致首先引起V、W相短路，V相撑条掉落过程中引起U、V相间短路。

4.2 大电流限流开断器故障

4.2.1 W相大电流限流开断器在录波电流有效值为6.9 kA下动作的原因分析

按照设计，大电流限流开断器整定启动值包含短路电流变化率di/dt和i2个判据，di/dt为14，i为10.5 kA，当2个判据均满足时大电流限流开断器动作。该短路电流整定值i为标准正弦波换算的有效值10.5 kA。实际故障时，短路电流被切断后波形畸变，故障录波电流有效值实际为畸变波形积分值，瞬时故障电流达到14.2 kA时，其有效值为6.9 kA，按标准正弦波换算有效值为10.1 kA，满足整定值±5%的范围，符合启动条件，见图4、图5。

图4 整定值i按正弦电流整定

图5 动作电流值为黄色部分积分值

4.2.2 V相快速隔离器罐封端头爆开原因分析

首先对三相熔断器进行解体分析。熔断器的灭弧原理为，故障大电流通过银带熔丝时，银带熔丝上的多个串联切口熔断，通过石英砂灭弧。当熔断器经受短时大电流熔断时，会释放大量能量，将石英砂烧融成球形，释放能量越大，球形越大。反之，当其经受长时、小电流熔断时，不会熔解石英砂，形成球形。解体发现，W相熔断器银带上石英砂球形明显，每个直径约12 mm，判断W相快速隔离器断开后，熔断器流过大电流进行灭弧。V相熔断器银带上石英砂球相对较小，每个直径约6 mm，判断V相熔断器经受了一个小于W相故障电流，但远大于正常电流的故障电流。由于系统首先出现VW相间短路，VW相经受的短路电流应为一致，分析认为，V相快速隔离器在炸药爆炸后断口仍有拉弧，与熔断器形成分流作用，熔丝熔断，但经受电流明显小于W相电流。熔断器熔断后，V相快速隔离器仍有拉弧，没有完全断开，不断在密闭绝缘筒内积聚热量，约4 min后，绝缘筒内压力过大将罐装封口爆开，金属蒸汽和烟尘混合物喷出，造成系统VW相间短路。而没有经受故障电流的U相熔断器银带光亮，没有石英砂球凝结，石英砂颜色略浅于VW两相。

4.2.3 大电流限流开断器未联动低压主进开关原因分析

模拟试验表明U、W相控制装置良好，能够准确发出跳闸信号，V相电弧灼伤明显，不能正常工作。低压信号控制箱试验验证，原件状态良好。分析认为，低压信号控制箱工作电源取自站内低压母线所带站变W相，相间短路时该相母线电压降低，导致低压信号控制箱不能正确动作。控制箱低电压下动作情况验证发现，低于165 V时控制箱无法发出跳闸信号，低于125 V时信号指示灯不变位。继电器固有动作时间为12 ms，通过录波数据折算，VW相间短路时站用W相电源电压下降至110 V左右，控制箱无法联动跳开低压主进开关，见图6。

图6 大电流限流开断器工作时电压明显降低

5 处理措施及建议

综合分析认为，故障相串联电抗器存在制造工艺缺陷导致的绝缘薄弱点，长期运行后绝缘劣化击穿，导致匝间短路烧损，引起V、W相短路(电流峰值14.2 kA)，V、W相限流开断器启动，W相正常断开，V相快速隔离器导爆索未完全动作，仅断开1个断口(共5个)，同时由于短路造成站用电W相电压异常降低至110 V，低压控制箱无法正常发出313联跳信号，致使V相开断器在其后U、V相间短路电流和负荷电流下长时间燃弧，V相快速隔离器热量积聚、压力增大，导致快速隔离器沿罐装封口爆开，金属蒸汽和烟尘混合物喷出，造成主变压器低压侧V、W相间短路，主变压器差动保护动作出口，跳开三侧开关。

6 结论及建议

a.故障相限流开断器可靠性较差，易发生断爆故障。生产厂家应进一步优化配比，消除断爆问题。

b.故障大电流限流开断器低压信号控制箱存在设计缺陷，工作电源电压波动或低于限值时不能准确发出跳闸命令。建议将产品工作电源改为直流逆变器供电，采用变电站220 V直流电压作为设备唯一供电电源，消除交流电压波动影响。

c.故障暴露出串联电抗器布置形式存在问题，叠装结构极易引发相间故障，应对电容器组串联电抗器布置形式开展研究，进一步优化工程设计和设备选型方案。

d.大电流限流开断器在快速切除短路故障方面优势较为明显，但应对控制工作电源、电子控制器、开断方式等进行改进完善后增加运行经验。

[1] 王中龙.限流器在变压器低压侧的应用研究[D].济南：山东大学，2013.

[2] 戴 超,庄劲武,杨 锋,等.大电流电弧触发式混合限流熔断器分析与设计[J].电力自动化设备,2011,31(10):14-18.

[3] Q/GDW 168-2008,输变电设备状态检修试验规程[S].

本文责任编辑：丁 力

Fault Analysis on Transformer Tripping Caused by Large CurrentLimiting Open Circuit Device with Incorrect Actions

Zhang Zhigang1,Meng Lihui1,Jia Zhihui1,Zhen Li1,Zhang Shuliang2

(1.State Grid Hebei Electric Power Company,Shijiazhuang 050021,China；2.State Grid Cangzhou Electric Power Supply Company,Cangzhou 061000,China)

This paper analyzes the large current limiting open circuit device with incorrect actions lead to transformer tripping.Based on the fault equipment strip inspection,start setting value calculation and comparison,control device test analysis,draws a conclusion that the capacitor series reactor caused turn-to-turn short circuit and developed into interphase short circuit fault.And the fault was not disconnected by breaking device，caused transformer low-voltage side tripped.Finally,puts forward some suggestions for improvement to the fault.

transformer;current limiting open circuit device;fault;trip

2016-09-20

张志刚(1977-)，男，高级工程师，主要从事变压器及四小器运检管理工作。

TM761

B

1001-9898(2016)06-0042-04