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【摘 要】电能在电网传输配送过程中，变压器是电能转换和传输的重点，是电网设备中最重要的核心，本文针对10kV油浸变压器的保护方式的发展过程进行论述，并提出几种可行的变压器保护的断路器方案，以进一步提高油浸变压器的可靠性，实现与未来智能电网的对接。
【关键词】柱上油浸变压器保护；跌落式熔断器开关；断路器；可靠性
引言
随着社会经济的快速发展，电力需求不断增加，配电网络发展很快。从线路形式来看，尽管城市配网系统的电缆化程度不断提高，但是由于高压电缆网的造价较大，配套开关设备投入也较大，所以架空线路不论在城市还是乡镇仍然占很大部分。据统计，就算在经济发达的珠三角地区，10kV电缆线路也只占到25%左右，内陆地区10kV配电网的架空线路比例则更高。而相应的柱上配电变压器在架空线路中得到大量使用。
长期以来，户外柱上变压器的保护一直以跌落式熔断器为主。虽然跌落式熔断器开关其具有投资少、施工快速等优点，但却由于跌落式熔断器天生存在的诸多不足，而不能适应未来智能配网对变压器精确保护及智能化的需求。
在新的电网发展规划中，都将构建高可靠性的电网作为发展纲要，这要求从配电网的薄弱环节着手，寻求技术的进步，提高配电网的供电可靠性，保证在发生扰动和故障时，仍能保持对用户的供电能力，而不发生大面积停电事故，保证在自然灾害、极端气候条件下或外力破坏下仍能保证电网的安全运行。
对于配网系统数目庞大的户外柱上变压器及其保护装置而言，要研究其进行改造提高的可能性，探讨适用于柱上变压器保护的断路器方案，以提升10kV架空线路柱上变压器的安全性、可靠性和可控性，以满足配电网的需求。
1 采用跌落式熔断器的优缺点分析
跌落式熔断器开关，一直以来为柱上变压器提供短路和过流保护，其主要原因有：
1.1 跌落式熔断器开关优点
（1）结构简单，易于杆上安装，适应性强的特点。图1所示
（2）跌落式熔断器开关有明显断口，为现场维护提供安全隔离
（3）维护方便，维护人员只需要在地面就可以完成熔断器的更换操作
（4）成本低廉
然而，随着经济的发展，社会对供电质量提出更高的要求，跌落式熔断器开关的缺点就无法忽视了。
图1 跌落式熔断器开关图
1.2 跌落式熔断器开关缺点
（1）关于过流保护，跌落式熔断器其是反时限特性，很难与馈线出口断路器的定时限过流保护配合，还由于跌落式熔断器特性本身的离散性（<±10%），长时间运行的发热问题，已经导致过流开断时间不稳定，都会导致用户端故障的上传，导致全馈线跳闸停电；速断保护的情况跟过流保护类似，造成上级变电站动作的可能性更高。
（2）由于熔断器保护动作时熔体熔断时间不完全同步，很可能出现缺相运行的情况。而变压器高压侧缺相运行有如下危害：A、导致变压器低压侧电压欠压，欠压长时间运行的话，会引致低压负载如电机、洗衣机、冰箱、空调等设备烧毁，给用户造成不应有的财产损失；B、会导致高压谐波增大，严重会引起谐波共振，还会引致变压器发热，烧毁变压器设备。
（3）受周围环境影响，以及众多厂家质量参差不齐等原因，跌落式熔断器开关时有发生诸如触头发热、误动、异常脱落、熔断器炸毁等故障。影响到线路的供电可靠性。
（4）柱上变压器大多安装在郊外偏僻地区，柱上变压器故障后定位困难，查障时间长，现场维护条件恶劣，更换熔断器也不容易，导致恢复供电时间长。
据以上分析可知，如果柱上变压器的保护方式采用熔断器实现，有较大的机会出现不能快速的、就地切除故障的情况，进而造成停电范围扩大的后果。很多的运行数据记录也说明了这一点。因此，有必要就柱上变压器的保护方式开展进一步的研究探讨。
2 柱上变压器应用断路器保护的可行性研究
2.1 可行性研究措施分析
2.1.1 断路器开关的优点分析：
（1）具有完善的保护功能。如3段式电流保护，接地故障保护，支持反时限长延时，保护精度高等；
（2）具有很好的选择性，容易与上级保护配合，实现故障就地隔离；
（3）故障排除后，可以快速恢复供电。
（4）支持遥测遥信遥控
（5）支持故障记录
所以断路器开关作变压器的保护开关无论保护范围、保护能力，还是保护质量及可靠性都是最好的。
2.1.2 存在不足的问题
（1）成本高昂；
（2）设备相对复杂、安装维护要求较高；
（3）体积较大；
要解决以上问题，要把应用断路器开关在柱上变压器上作为其保护，目前普通柱上断路器明显不太合适。只有针对上述断路器开关应用存在的问题，研究新的合适的小型断路器开关，才能推进断路器开关在柱上变压器保护上的应用。
随着电力科技的发展，各种新技术新材料的应用，使得进一步降低断路器开关的成本、进一步小型化、设备更可靠更人性化等等，都变得可能。下面我们就这几方面提出几个思路，供大家一起探讨。
2.2 新断路器方案处理措施
通过对变压器的优缺点进行分析，总结2种解决问题的思路。一是在油浸变压器内部加装断路器，特点是断路器置于油箱内部的绝缘油中，与变压器完全是一体化，外形结构紧凑。二是在变压器高压进线端外面加装小型断路器，开关在油箱外的高压进线位置。
下面本文将详细介绍2种处理方案：
2.2.1 处理方案一
本文将参考美式箱变压器的方式，将断路器开关安装在变压器油箱内部，实现结构的优化，进一步减少现场的安装和调试： （1）断路器灭弧采用可在绝缘油中使用的真空灭弧室，这样灭弧环境不与绝缘油接触，避免传统油开关的不足和危险。
（2）可以利用绝缘油减少相间距离，有利于减少体积
（3）结构要紧凑，重量要更轻；具体结构如图2、图3所示
图2
图3
这种一体化带断路器保护的变压器方案，是全新的变压器方案。其特点和性能指标为：
（1）一体化结构，整体性强，
（2）保护能力强，可以具有最高达20kA的分断能力
（3）为了提高断路器的分断速度，操作机构可采用永磁机构，其简单可靠，开断时间短，<60ms。而且适于配网自动化升级。
（4）操作机构采用永磁机构，适于远程控制，也设计后备手动机械分合机构
（5）配合保护CT采样，保护稳定可靠
（6）预留完备的设备状态检测端口，为其它智能化测控终端提供升级改造的支持。
（7）面向智能电网
这种方案适于新增变压器的情况，如果需要对旧变压器改造在，这种布局方案就不合适。
2.2.2 处理方案二
为了考虑到通用性，能够安装在已有的变压器上，就要考虑外装式方案。
外装式方案要考虑与变压器整合连接，不是简单的将一个柱上变压器+一个柱上断路器开关。而是需要与变压器做一体化的考虑。
方案的示意图4如下：
图4
此方案的思路是直接在变压器的高压端头处安装断路器。所以适合对已运行的变压器的改造升级，也方便与不同厂家的变压器的配合安装。
方案主要特点：
（1）利用现有的固封绝缘技术，尽量减少断路器开关的体积，已达到小型化；
（2）跟不同的变压器配套，只需选配不同的安装底座则可；
（3）控制系统集成在开关上，功能简单实用，预留通讯接口；
（4）高压的接线全部实现密闭，提高安全性；
（5）开关支持电动操作、机械手动分合；
（6）安装简单灵活
方案二存在的缺点主要是一体化整体稍差。
2.3 方案总述 通过上述提出的2种方案处理措施来说，各有优缺点。
内置于油箱的一体化方案，结构紧凑、外形整洁，顺应未来的一体化趋势，但无法用于解决旧变压器的改造；所以建议新增变压器宜采取此方案。
方案二的外置式结构，尽量考虑到与变压器的紧凑化配合，但总体结构上未实现一体化。但由于可以在现有变压器上加装，所以可以考虑用于对老变压器的智能化改造升级。
通过研究分析以上2种方案的优缺点可互补，对以后的发展前景都有一定的研究意义。
所以本文笔者建议针对上述方案进一步进行研究，并制造相应的样机，验证断路器保护方案的可行性及效果，然后进一步完善结构，减少成本，可以尽快应用于电网智能化的需求，逐步替代传统跌落式熔断器，提高对变压器设备的保护，以及进一步实现柱上油浸变压器的自我诊断和自我保护，研究和探索配电变压器的智能化之路。
3 结语
通过以上本文对当前的10kV油浸变压器的保护现状进行了分析，探讨跌落式熔断器存在的不足，并提出面向未来智能电网的新的断路器保护方案。为电网进一步提高可靠性，逐步改造淘汰落后设备，在应用断路器对油浸变压器进行保护方面提出新思路新方案。
作者简介：
杨启洪（1973—），男、汉族、广东省佛山市、广东电网公司佛山高明供电局、高级工程师、长期从事配电运行和管理工作。
孔令生（1978—），男、汉族、广东省佛山市高明区、广东电网公司佛山高明供电局、高级工程师、工程硕士，长期从事配电网运行管理工作。
张乔琳（1984—），女、汉族、广东省佛山市、广东电网公司佛山供电局、工程师、学士，从事电力生产管理工作。
【关键词】柱上油浸变压器保护；跌落式熔断器开关；断路器；可靠性
引言
随着社会经济的快速发展，电力需求不断增加，配电网络发展很快。从线路形式来看，尽管城市配网系统的电缆化程度不断提高，但是由于高压电缆网的造价较大，配套开关设备投入也较大，所以架空线路不论在城市还是乡镇仍然占很大部分。据统计，就算在经济发达的珠三角地区，10kV电缆线路也只占到25%左右，内陆地区10kV配电网的架空线路比例则更高。而相应的柱上配电变压器在架空线路中得到大量使用。
长期以来，户外柱上变压器的保护一直以跌落式熔断器为主。虽然跌落式熔断器开关其具有投资少、施工快速等优点，但却由于跌落式熔断器天生存在的诸多不足，而不能适应未来智能配网对变压器精确保护及智能化的需求。
在新的电网发展规划中，都将构建高可靠性的电网作为发展纲要，这要求从配电网的薄弱环节着手，寻求技术的进步，提高配电网的供电可靠性，保证在发生扰动和故障时，仍能保持对用户的供电能力，而不发生大面积停电事故，保证在自然灾害、极端气候条件下或外力破坏下仍能保证电网的安全运行。
对于配网系统数目庞大的户外柱上变压器及其保护装置而言，要研究其进行改造提高的可能性，探讨适用于柱上变压器保护的断路器方案，以提升10kV架空线路柱上变压器的安全性、可靠性和可控性，以满足配电网的需求。
1 采用跌落式熔断器的优缺点分析
跌落式熔断器开关，一直以来为柱上变压器提供短路和过流保护，其主要原因有：
1.1 跌落式熔断器开关优点
（1）结构简单，易于杆上安装，适应性强的特点。图1所示
（2）跌落式熔断器开关有明显断口，为现场维护提供安全隔离
（3）维护方便，维护人员只需要在地面就可以完成熔断器的更换操作
（4）成本低廉
然而，随着经济的发展，社会对供电质量提出更高的要求，跌落式熔断器开关的缺点就无法忽视了。
图1 跌落式熔断器开关图
1.2 跌落式熔断器开关缺点
（1）关于过流保护，跌落式熔断器其是反时限特性，很难与馈线出口断路器的定时限过流保护配合，还由于跌落式熔断器特性本身的离散性（<±10%），长时间运行的发热问题，已经导致过流开断时间不稳定，都会导致用户端故障的上传，导致全馈线跳闸停电；速断保护的情况跟过流保护类似，造成上级变电站动作的可能性更高。
（2）由于熔断器保护动作时熔体熔断时间不完全同步，很可能出现缺相运行的情况。而变压器高压侧缺相运行有如下危害：A、导致变压器低压侧电压欠压，欠压长时间运行的话，会引致低压负载如电机、洗衣机、冰箱、空调等设备烧毁，给用户造成不应有的财产损失；B、会导致高压谐波增大，严重会引起谐波共振，还会引致变压器发热，烧毁变压器设备。
（3）受周围环境影响，以及众多厂家质量参差不齐等原因，跌落式熔断器开关时有发生诸如触头发热、误动、异常脱落、熔断器炸毁等故障。影响到线路的供电可靠性。
（4）柱上变压器大多安装在郊外偏僻地区，柱上变压器故障后定位困难，查障时间长，现场维护条件恶劣，更换熔断器也不容易，导致恢复供电时间长。
据以上分析可知，如果柱上变压器的保护方式采用熔断器实现，有较大的机会出现不能快速的、就地切除故障的情况，进而造成停电范围扩大的后果。很多的运行数据记录也说明了这一点。因此，有必要就柱上变压器的保护方式开展进一步的研究探讨。
2 柱上变压器应用断路器保护的可行性研究
2.1 可行性研究措施分析
2.1.1 断路器开关的优点分析：
（1）具有完善的保护功能。如3段式电流保护，接地故障保护，支持反时限长延时，保护精度高等；
（2）具有很好的选择性，容易与上级保护配合，实现故障就地隔离；
（3）故障排除后，可以快速恢复供电。
（4）支持遥测遥信遥控
（5）支持故障记录
所以断路器开关作变压器的保护开关无论保护范围、保护能力，还是保护质量及可靠性都是最好的。
2.1.2 存在不足的问题
（1）成本高昂；
（2）设备相对复杂、安装维护要求较高；
（3）体积较大；
要解决以上问题，要把应用断路器开关在柱上变压器上作为其保护，目前普通柱上断路器明显不太合适。只有针对上述断路器开关应用存在的问题，研究新的合适的小型断路器开关，才能推进断路器开关在柱上变压器保护上的应用。
随着电力科技的发展，各种新技术新材料的应用，使得进一步降低断路器开关的成本、进一步小型化、设备更可靠更人性化等等，都变得可能。下面我们就这几方面提出几个思路，供大家一起探讨。
2.2 新断路器方案处理措施
通过对变压器的优缺点进行分析，总结2种解决问题的思路。一是在油浸变压器内部加装断路器，特点是断路器置于油箱内部的绝缘油中，与变压器完全是一体化，外形结构紧凑。二是在变压器高压进线端外面加装小型断路器，开关在油箱外的高压进线位置。
下面本文将详细介绍2种处理方案：
2.2.1 处理方案一
本文将参考美式箱变压器的方式，将断路器开关安装在变压器油箱内部，实现结构的优化，进一步减少现场的安装和调试： （1）断路器灭弧采用可在绝缘油中使用的真空灭弧室，这样灭弧环境不与绝缘油接触，避免传统油开关的不足和危险。
（2）可以利用绝缘油减少相间距离，有利于减少体积
（3）结构要紧凑，重量要更轻；具体结构如图2、图3所示
图2
图3
这种一体化带断路器保护的变压器方案，是全新的变压器方案。其特点和性能指标为：
（1）一体化结构，整体性强，
（2）保护能力强，可以具有最高达20kA的分断能力
（3）为了提高断路器的分断速度，操作机构可采用永磁机构，其简单可靠，开断时间短，<60ms。而且适于配网自动化升级。
（4）操作机构采用永磁机构，适于远程控制，也设计后备手动机械分合机构
（5）配合保护CT采样，保护稳定可靠
（6）预留完备的设备状态检测端口，为其它智能化测控终端提供升级改造的支持。
（7）面向智能电网
这种方案适于新增变压器的情况，如果需要对旧变压器改造在，这种布局方案就不合适。
2.2.2 处理方案二
为了考虑到通用性，能够安装在已有的变压器上，就要考虑外装式方案。
外装式方案要考虑与变压器整合连接，不是简单的将一个柱上变压器+一个柱上断路器开关。而是需要与变压器做一体化的考虑。
方案的示意图4如下：
图4
此方案的思路是直接在变压器的高压端头处安装断路器。所以适合对已运行的变压器的改造升级，也方便与不同厂家的变压器的配合安装。
方案主要特点：
（1）利用现有的固封绝缘技术，尽量减少断路器开关的体积，已达到小型化；
（2）跟不同的变压器配套，只需选配不同的安装底座则可；
（3）控制系统集成在开关上，功能简单实用，预留通讯接口；
（4）高压的接线全部实现密闭，提高安全性；
（5）开关支持电动操作、机械手动分合；
（6）安装简单灵活
方案二存在的缺点主要是一体化整体稍差。
2.3 方案总述 通过上述提出的2种方案处理措施来说，各有优缺点。
内置于油箱的一体化方案，结构紧凑、外形整洁，顺应未来的一体化趋势，但无法用于解决旧变压器的改造；所以建议新增变压器宜采取此方案。
方案二的外置式结构，尽量考虑到与变压器的紧凑化配合，但总体结构上未实现一体化。但由于可以在现有变压器上加装，所以可以考虑用于对老变压器的智能化改造升级。
通过研究分析以上2种方案的优缺点可互补，对以后的发展前景都有一定的研究意义。
所以本文笔者建议针对上述方案进一步进行研究，并制造相应的样机，验证断路器保护方案的可行性及效果，然后进一步完善结构，减少成本，可以尽快应用于电网智能化的需求，逐步替代传统跌落式熔断器，提高对变压器设备的保护，以及进一步实现柱上油浸变压器的自我诊断和自我保护，研究和探索配电变压器的智能化之路。
3 结语
通过以上本文对当前的10kV油浸变压器的保护现状进行了分析，探讨跌落式熔断器存在的不足，并提出面向未来智能电网的新的断路器保护方案。为电网进一步提高可靠性，逐步改造淘汰落后设备，在应用断路器对油浸变压器进行保护方面提出新思路新方案。
作者简介：
杨启洪（1973—），男、汉族、广东省佛山市、广东电网公司佛山高明供电局、高级工程师、长期从事配电运行和管理工作。
孔令生（1978—），男、汉族、广东省佛山市高明区、广东电网公司佛山高明供电局、高级工程师、工程硕士，长期从事配电网运行管理工作。
张乔琳（1984—），女、汉族、广东省佛山市、广东电网公司佛山供电局、工程师、学士，从事电力生产管理工作。