朱 麟，王 鵬，曾磊磊，童 超

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司景德鎮(zhèn)供電分公司，江西景德鎮(zhèn) 333000；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西南昌330096）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，當(dāng)變壓器遭受近區(qū)短路時(shí)，流經(jīng)變壓器的短路電流可激增到額定電流的幾倍至幾十倍，對(duì)變壓器繞組形成額定負(fù)載時(shí)幾百倍的電動(dòng)力、熱沖擊，嚴(yán)重考驗(yàn)變壓器的動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定能力，是造成變壓器故障的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近5年來(lái)國(guó)家電網(wǎng)公司變壓器故障中，因外部短路引起的變壓器損壞故障占30%以上[1]。

為防范外部短路引起變壓器損壞故障，國(guó)網(wǎng)公司正在大力推行加強(qiáng)66kV及以上電壓等級(jí)變壓器抗短路能力校核工作。變壓器抗短路能力是反映變壓器繞組經(jīng)受短路電流作用時(shí)保持動(dòng)、熱穩(wěn)定的關(guān)鍵指標(biāo)[2]。開(kāi)展抗短路能力不足變壓器實(shí)地運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，有序有效地開(kāi)展治理工作，是保障變壓器安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，也是確保設(shè)備本質(zhì)安全，鑄造堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。

1 考慮實(shí)際運(yùn)行方式的計(jì)算模型

目前，變壓器抗短路能力計(jì)算主要依據(jù)文獻(xiàn)[3]，但其中所介紹的短路電流計(jì)算方法，并沒(méi)有考慮主變的運(yùn)行方式，計(jì)算得到的短路電流只是根據(jù)系統(tǒng)短路阻抗與主變自身短路阻抗計(jì)算直接計(jì)算得到。在實(shí)際運(yùn)行中，大部分變電站都存在多臺(tái)主變并列運(yùn)行情況。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路點(diǎn)的故障電流以及流經(jīng)變壓器繞組的短路電流，也因運(yùn)行方式不同而存在差異。那么，計(jì)算短路點(diǎn)的故障電流以及流經(jīng)變壓器的短路電流則需要具體問(wèn)題具體分析。

因此，本文以不同并列方式的三臺(tái)相同參數(shù)的變壓器為例，對(duì)故障點(diǎn)的短路電流及流經(jīng)變壓器繞組的電流進(jìn)行建模分析。需要特別說(shuō)明的是，本文計(jì)算過(guò)程中，只考慮變壓器高壓側(cè)供電，中、低壓側(cè)均無(wú)電源。事實(shí)上，根據(jù)目前系統(tǒng)中降壓變壓器實(shí)際運(yùn)行情況，該假設(shè)是可行的。

1.1 高、中壓并列，低壓分列運(yùn)行，低壓短路

三臺(tái)主變高、中壓并列運(yùn)行，低壓分列運(yùn)行，其中1號(hào)主變低壓側(cè)發(fā)生三相短路，如圖1，其等值電路圖如圖2。

圖1 高、中壓并列，低壓分列運(yùn)行，低壓短路

圖2 高、中壓并列，低壓分列運(yùn)行，低壓短路等值電路

由圖2可知，由于三臺(tái)主變中壓側(cè)并列運(yùn)行，當(dāng)其中1號(hào)主變低壓側(cè)發(fā)生三相短路時(shí)，2號(hào)、3號(hào)主變均通過(guò)并列運(yùn)行的中壓繞組，向短路點(diǎn)提供短路電流。那么，此時(shí)短路阻抗ZS為：

根據(jù)約定，三臺(tái)主變參數(shù)相同，進(jìn)一步計(jì)算得到：

1.2 高、中、低壓并列運(yùn)行，低壓短路

三臺(tái)主變高、中、低壓并列運(yùn)行，其中1號(hào)主變低壓側(cè)發(fā)生三相短路，其等值電路圖如圖3。

圖3 高、中、低壓運(yùn)行，低壓短路等值電路

由圖3可知，由于三臺(tái)主變高、中、低壓側(cè)均并列運(yùn)行，當(dāng)主變低壓側(cè)母線發(fā)生三相短路時(shí)，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)主變均向短路點(diǎn)提供短路電流。那么，此時(shí)短路點(diǎn)等效短路阻抗ZS為：

進(jìn)一步計(jì)算得到：

1.3 高、中壓并列，低壓分列運(yùn)行，中壓短路

三臺(tái)主變高壓并列，中、低壓側(cè)分列運(yùn)行，其中1號(hào)主變中壓側(cè)發(fā)生三相短路，等值電路圖如圖4。

圖4 高、中壓并列，低壓分列運(yùn)行，中壓短路等值電路

由圖4可知，由于中壓側(cè)分列運(yùn)行，當(dāng)1號(hào)主變中壓側(cè)發(fā)生三相短路時(shí)，2號(hào)和3號(hào)主變均可向短路點(diǎn)提供短路電流，此時(shí)短路點(diǎn)等效短路阻抗ZS為：

進(jìn)一步計(jì)算得到：

2 實(shí)地運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

目前，國(guó)網(wǎng)變壓器抗短路中心開(kāi)展變壓器抗短路能力校核是依據(jù)GB1094.5—2008計(jì)算方法確定變壓器可能發(fā)生最大短路電流，即考慮單臺(tái)主變運(yùn)行下高-中、高-低、中-低三種運(yùn)行工況，然后依據(jù)最大短路電流及變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)復(fù)核變壓器動(dòng)、熱穩(wěn)定性。變壓器實(shí)地運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要是依據(jù)變壓器廠家或國(guó)網(wǎng)變壓器抗短路中心提供的變壓器允許承受最大短路電流與可能發(fā)生最大短路電流進(jìn)行判斷，評(píng)估過(guò)程見(jiàn)圖5。

1）依據(jù)GB1094.5—2008計(jì)算重點(diǎn)管控變壓器中壓側(cè)可能發(fā)生的最大短路電流IMG，若未超過(guò)中壓側(cè)允許承受短路電流IM允，則判斷中壓側(cè)無(wú)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；若超過(guò)中壓側(cè)允許承受短路電流IM允，則需進(jìn)一步核實(shí)該主變中壓側(cè)是否存在電源上網(wǎng)；

2）若變壓器中壓側(cè)有電源上網(wǎng)，則可直接進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)；若中壓側(cè)無(wú)電源上網(wǎng)，則僅考慮高-中運(yùn)行、中壓短路工況計(jì)算中壓側(cè)可能發(fā)生的最大短路電流IM可，若未超過(guò)中壓側(cè)允許承受短路電流IM允，則判斷中壓側(cè)無(wú)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；若超過(guò)中壓側(cè)允許承受短路電流IM允，則進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)；

3）中壓側(cè)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，分級(jí)方法如下：以允許承受最大短路電流IM允與可能發(fā)生最大短路電流IMG之比作為目標(biāo)參數(shù)，并依據(jù)該目標(biāo)參數(shù)將變壓器實(shí)地運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分為A、B、C、D、E、F六類，見(jiàn)表1。

表1 變壓器分級(jí)方法

4）依據(jù)報(bào)告第2部分提供的計(jì)算模型，即考慮重點(diǎn)管控變壓器實(shí)際運(yùn)行方式（高中壓側(cè)并列、低壓側(cè)分列運(yùn)行最為常見(jiàn)），計(jì)算低壓側(cè)可能發(fā)生最大短路電流IL可，若未超過(guò)低壓側(cè)允許承受短路電流IL允，則判斷低壓側(cè)無(wú)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；若超過(guò)低壓側(cè)允許承受短路電流IL允，則需進(jìn)一步核實(shí)該主變低壓側(cè)是否加裝限流電抗器；

5）若低壓側(cè)未加裝限流電抗器，則直接進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)；若低壓側(cè)加裝限流電抗器，則應(yīng)考慮限流電抗器的影響，重新計(jì)算低壓側(cè)可能發(fā)生最大短路電流IL限，若未超過(guò)低壓側(cè)允許承受短路電流IL允，則判斷低壓側(cè)無(wú)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；若超過(guò)低壓側(cè)允許承受短路電流IL允，則進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)；

6）低壓側(cè)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，分級(jí)方法如下：以允許承受最大短路電流IL允與可能發(fā)生最大短路電流IL可之比作為目標(biāo)參數(shù)，并依據(jù)該目標(biāo)參數(shù)將變壓器實(shí)地運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分為A、B、C、D、E、F六類，見(jiàn)表1。

7）確定重點(diǎn)管控變壓器風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：綜合考慮中、低壓側(cè)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，選取風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高者作為重點(diǎn)管控變壓器風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

圖5 變壓器實(shí)地運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

3 實(shí)地運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估案例分析

3.1 主變參數(shù)

主變型號(hào)：SFPSZ9-150000/220；

容量比：100/100/50；

電壓分接頭：（220±8×1.25%）/115/10.5 kV；

阻 抗 電 壓 ：Uk（H-M）=14.6%，Uk（H-L）=24%，Uk（M-L）=7.43%；

聯(lián)接組別：YNyn0d11；

廠家提供主變?nèi)齻?cè)允許承受短路電流：高壓側(cè)3.26 kA、中壓側(cè)3.93 kA、低壓側(cè)21.8 kA。

3.2 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估

3.2.1 GB1094.5算法

依據(jù)GB1094.5-2008：220 kV系統(tǒng)短路容量為18 000 MVA，10 kV系統(tǒng)短路容量為9 000 MVA。

高壓側(cè)線路阻抗UkH=100×150/18 000=0.83

中壓側(cè)線路阻抗UkM=100×150/9 000=1.67

短路工況1：高壓側(cè)供電、中壓側(cè)三相短路

高壓側(cè)最大短路電流：

中壓側(cè)最大短路電流：

短路工況2：中壓側(cè)供電、低壓側(cè)三相短路

中壓側(cè)最大短路電流：

短路工況3：高壓側(cè)供電、低側(cè)三相短路

低壓側(cè)短路電流：

即高壓側(cè)最大短路電流為2.55kA、中壓側(cè)最大短路電流為8.28kA、低壓側(cè)最大短路電流為33.18kA。

評(píng)估結(jié)果：高壓側(cè)滿足運(yùn)行要求，中、低壓側(cè)不滿足運(yùn)行要求。

3.2.2 考慮實(shí)際運(yùn)行方式的算法

基準(zhǔn)容量為：Sj=100MVA，基準(zhǔn)電壓為Uj=220kV。

系統(tǒng)遠(yuǎn)景2030年最大方式下，220 kV母線三相短路正序阻抗標(biāo)幺值為XC=0.00 686。

計(jì)算變壓器各繞組等值電抗：

主變各側(cè)繞組電抗折算至標(biāo)幺值為：

實(shí)際運(yùn)行方式：該站2臺(tái)主變運(yùn)行，運(yùn)行方式采用高中壓并列、低壓分列運(yùn)行方式，高壓側(cè)單側(cè)供電，等值電路如圖6所示。

圖6 短路點(diǎn)設(shè)置情況

短路工況1：中壓側(cè)三相短路

兩臺(tái)主變等值阻抗：

短路回路阻抗：

短路容量：

流經(jīng)每臺(tái)主變中壓側(cè)的短路電流IscM=1/2×Istotal-k2=4.5 kA；

高壓側(cè)短路電流IscH=4.5×115/220=2.35 kA；

短路工況2：低壓側(cè)三相短路

兩臺(tái)主變等值阻抗：

Xs=0.1039//（0.1039-0.00657×2）+0.0561=0.105；

短路回路阻抗：

流經(jīng)主變低壓側(cè)短路電流IscL=Itotal-k3=49.36 kA；

短路容量：

即高壓側(cè)最大短路電流為2.35 kA、中壓側(cè)最大短路電流為4.5kA、低壓側(cè)最大短路電流為49.36kA。

評(píng)估結(jié)果：即使主變中壓測(cè)無(wú)電源供電，中壓側(cè)仍不滿足運(yùn)行要求；主變低壓側(cè)短路電流大于單臺(tái)主變運(yùn)行工況，不滿足運(yùn)行要求。

3.2.3 低壓側(cè)短路電流考慮限流電抗器的影響

為了限制主變低壓側(cè)短路電流，在主變低壓側(cè)加裝限流電抗器，電抗器型號(hào)XKSCKL-10-3500-6、電抗XL=0.1 023 Ω。

短路回路阻抗：

流經(jīng)主變低壓側(cè)短路電流I'scL=I'total-k3=25.73 kA；

短路容量：

即低壓側(cè)最大短路電流為25.73 kA。

評(píng)估結(jié)果：主變低壓側(cè)增加0.1 023Ω限流電抗器后，仍不滿足運(yùn)行要求。

綜上所述，該站1號(hào)主變與2號(hào)主變采用高中壓并列、低壓分列運(yùn)行方式，高壓側(cè)單側(cè)供電，低壓側(cè)串聯(lián)0.1 023 Ω限流電抗器，中、低壓側(cè)短路電流均大于廠家提供的允許值，均存在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.4 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

中壓側(cè)短路電流百分比F1=3.93/8.28=46.2%，風(fēng)險(xiǎn)為E級(jí)；低壓側(cè)短路電流百分比F2=21.8/49.36=44.2%，風(fēng)險(xiǎn)為E級(jí)。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估結(jié)果：該主變運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)為E級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了考慮實(shí)際運(yùn)行方式的變壓器短路電流計(jì)算模型，并與GB1094.5計(jì)算模型進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種計(jì)算模型得出的流經(jīng)變壓器中、低壓側(cè)短路電流存在一定差異，而考慮實(shí)際運(yùn)行方式的變壓器短路電流計(jì)算模型更適用于變壓器實(shí)地運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；基于變壓器實(shí)際運(yùn)行方式、中壓側(cè)電源上網(wǎng)情況及低壓側(cè)限流電抗器加裝情況，提出了實(shí)地運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，并給出了評(píng)估案例，評(píng)估結(jié)果可直接指導(dǎo)變壓器檢測(cè)決策。