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低压变压器一次侧断路器为何无法合闸

2025年02月05日 15:40:21 来源：云南昌晖仪表制造有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：80

工作中常会遇到0.4kV/0.4kV或0.23kV/0.23kV低压变压器一次侧的断路器在合闸瞬间误动作的情况，大量的文献也已经提到故障的原因是由于变压器在合闸瞬间产生的励磁涌流超过了断路器磁脱扣或瞬时脱扣设定值，造成断路器误动作。

一般情况下会选择大一级的断路器或提高瞬时脱扣整定值，上述措施虽然可以避免断路器误动作，但同时也带来弊端：断路器额定电流偏大，无法为变压器提供合适的过载保护，磁保护或瞬时保护整定值太高，导致保护灵敏度降低。

本文主要基于低压变压器的特性，结合施耐德断路器产品为元器件选型和故障分析提供一些思路和参考。

1、变压器励磁涌流
变压器合闸瞬间，由于铁芯中的磁通不能突变，主磁通中除了稳态分量外，通常会有一个随着时间而衰减的自由分量，因此瞬态过程中铁芯内的主磁通可以比稳态时大很多，从而使铁芯达到高度饱和，导致合闸瞬间励磁涌流达到正常值的几十倍。

如果合闸瞬间，主磁通稳态分量的瞬时值∅m sinθ恰好等于剩磁磁通∅r，则合闸时磁通的自由分量为0，合闸后变压器直接进入稳态运行，没有任何电流冲击；如果合闸瞬间的相位角恰好等于90°(如下图所示)，铁芯内的磁通量将达到2倍磁通稳态分量∅m加上剩磁磁通∅r，这么大的磁通量将使铁芯达到高度饱和并产生励磁涌流。

合闸瞬间的相位角与铁芯磁通量的关系

励磁涌流的大小取决于：通电时的电压值，变压器铁芯的剩余磁通大小和变压器的负荷特性。电流峰值会达到全负荷均方根电流的10~15倍，对于小型变压器(小于50kVA)可能会达到额定全负荷电流值的20~25倍甚至更高，该瞬变电流值会迅速减小，其时间常数为几毫秒到几十毫秒(如下图所示)。

励磁涌流的大小取决于：通电时的电压值，变压器铁芯的剩余磁通大小和变压器的负荷特性

表1为日本三菱电气有限公司实测的低压变压器励磁涌流峰值与额定电流峰值关系数据，可以看出容量越小，励磁涌流与额定电流的比值越大，衰减时间常数与变压器容量成正比。

变压器励磁电涌电流

2、如何选择合适的断路器
在断路器选型过程时既要满足变压器过载和短路保护的要求，又要避免变压器通电瞬间断路器误动作。对于热磁式断路器，磁脱扣电流须大于励磁涌流的有效值(下图)；对于具有三段保护的电子式断路器，瞬时脱扣电流须大于励磁涌流的有效值，或通过短延时保护设定延时时间躲过励磁涌流(见下图)。

热磁断路器

以0.4/0.4kV、容量5kVA的三相变压器为例，励磁涌流与额定电流的倍数为26倍，衰减时间常数为2周波(40ms)。计算变压器一次侧额定电流：In=5/0.4/1.732=7.2A，励磁涌流大小为Iru=26×7.2=187A。普通的塑壳配电断路器，其磁脱扣或瞬时保护整定值与额定电流的倍数一般为10，即使是D型微断(磁脱扣范围10~14In)，都无法满足躲过励磁涌流又满足过电流保护的要求。

施耐德专门有一款用于小容量低压变压器保护的热磁式断路器GV2RT，其特点是磁保护脱扣电流与额定电流的倍数为20倍，额定电流范围0.25~18A。对于5kVA变压器可以选择GV2RT14，其磁脱扣电流为200A(大于励磁涌流187A)，热脱扣电流范围为6~10A，可以满足过载保护要求，如下图所示。

热磁式断路器GV2RT

如果是0.4/0.4kV、容量10kVA的三相变压器(额定电流为14.4A，励磁涌流为374A)，既可以选择GV2RT20(热调范围13~18A，磁脱扣电流400A)，还可选择施耐德的另一款热磁塑壳断路器NSXm63TMD16，其壳架电流为63A，热磁式脱扣器额定电流为16A，热调范围0.7~1倍(11.2~16A)，磁脱扣电流500A，可以满足10kVA低压变压器保护要求。

如果是0.4/0.4kV、容量50kVA的三相变压器(额定电流为72.2A，励磁涌流为1660.6A，衰减时间100ms)。GV2RT型断路器电流等级太小(18A)，NSX160/NSXm160热磁式断路器磁脱扣电流为1250A，无法躲过变压器励磁涌流，NSX200/250热磁式断路器虽然可以躲过励磁涌流，但热保护整定范围为0.7~1.0，最小整定电流为140A已经远远超过了变压器额定电流，不满足过载保护要求。

这时候可以选择具有三段保护功能的电子脱扣器断路NSX160-Micrologic5.0A-160A，长延时保护Ir整定0.5倍额定电流In(即80A)满足过载保护要求，将短延时保护设定为10Ir(即800A),短延时时间设定为200ms(大于励磁电流衰减时间100ms)，再将瞬时保护设定为11In(即1760A)，躲过励磁涌流。

电子脱扣器断路NSX160-Micrologic5.0A-160A

将表1中各种容量变压器的额定电流与励磁涌流参数计算之后，选择施耐德断路器的型号和保护整定如下表所示：

3、关于D型微断的讨论
对于额定电流低于63A的0.4/0.4kV低压变压器，一次侧能否选用D型微断？以10kVA变压器为例，额定电流为14.4A，励磁涌流为374.4A，选用D16微断可以满足过载保护要求，但是因为D型微断的瞬时脱扣范围为10~14倍额定电流，远远小于励磁涌流374.4A，断路器会误动作。
如果将额定电流等级放大4档选D40，瞬时脱扣电流最小为400A，大于励磁涌流374.4A，断路器误动作故障消除，但由于40/14.4=2.7，意味着即使变压器过载2.7倍运行，断路器也不会有任何反应，造成变压器绕组温升升高损伤绝缘，会大大缩短变压器的使用寿命。综上所述，选用放大电流等级的D型断路器，虽然可以避免断路器误动作，但变压器没有过载保护。

4、总结
对于低压/低压变压器一次侧断路器选型和保护整定，既要满足过载和短路保护灵敏度的要求，又要避免变压器励磁涌流超过磁保护或瞬时保护设定值，造成断路器误动作。

选择类似GV2RT这样的低压变压器专用断路器，其磁脱扣电流与额定电流比值为20，在满足过载保护的同时还可以避免断路器误动作；也选择选择具有三段保护功能的电子式脱扣器塑壳断路器，通过设定短路短延时整定电流和短延时时间或瞬时保护电流躲过变压器励磁涌流。

断路器选型是基于变压器励磁涌流参数已知或制造商可以提供的情况下，如果上述信息都没有，现场发生断路器误动作故障，可用示波器实测变压器励磁涌流参数，再比较其与变压器额定电流的关系，最后选择合适的断路器，切不可盲目放大断路器电流等级，这样虽然可以避免断路器误动作，但变压器的过载保护几乎没有，失去了保护的意义。

作者：宾昭平

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