安徽省皖北煤電集團有限責(zé)任公司朱集西分公司 張樂樂

電能資源已成為人們生產(chǎn)生活中不可或缺的能源，其支撐著社會生活的正常運轉(zhuǎn)，在用電需求不斷提高的背景下，變壓器的供電壓力也逐漸提高[1]。為有效緩解這種壓力，以滿足用電需求為前提，變壓器擴容處理成為了一種被廣泛應(yīng)用的變壓器改進措施[2]。擴容處理主要是通過以主變壓器為基礎(chǔ)安裝一定數(shù)量的擴容裝置，提供其供電能力，并取得了良好的使用效果。但在實施過程中需要注意的是，短路電流的校核要具備較高精度，這樣才能切實確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，確保供電安全[3]。

為了提高擴容主變壓器短路電流校核的可靠性，羅鵬飛等人研究了在334MVA/500kV 條件下，自耦變抗供電系統(tǒng)的短路能力，以電路電力流校核的方式確定其運行極值[4]，取得了良好的研究成果，但主要是針對自耦變抗，應(yīng)用范圍存在一定局限性；陳鶴沖等人對發(fā)電機保護用斷路器的動穩(wěn)定電流值進行校核研究，并通過仿真測試驗證了所提方法的有效性[5]，但其同樣存在目標定位局限性較強的問題，對于大多數(shù)擴容變壓器并不適用。

基于此，本文提出了關(guān)于擴容主變壓器短路電流校核方法及安裝要點的研究。通過研究主變壓器繞組的受力情況，實現(xiàn)對短路電流的校核，并通過實驗驗證了所提方法的有效性。通過本文的研究，以期為實際擴容變壓器的維護提供有價值的參考。

1 擴容主變壓器短路電流校核方法

1.1 主變壓器繞組作用力分析

要實現(xiàn)對擴容變壓器電流的準確校核，首先要明確主變壓器上受到的繞組作用[6]，綜合其對供電系統(tǒng)電流的影響，提高對短路電流計算的準確性。

本文通過微分形式的Blot Savart 定律對主變壓器在電流產(chǎn)生的磁場環(huán)境中受到的電磁力進行表觀處理，其表示為f=(Bi)V。其中，V 表示主變的體積大小，Bi表示在i 電流條件下主變所收到的磁通密度，f 表示主變受到電磁力作用大小。加強對電容主變體積變化的范圍，構(gòu)建完整的磁力作用結(jié)構(gòu)。觀測此時電路中的電流是否處于額定狀態(tài)，如果超出范圍需要增加電阻進行管控，確保主變壓器的正常運行。

按照左手定則，主變裝置三者之間是以相互垂直的方式存在的、互相關(guān)聯(lián)，在目標執(zhí)行過程中，電壓會發(fā)生反復(fù)地變化。此時主變與擴容裝置之間的電動力可表示為F=λdf/(4πd)，其中，F(xiàn) 表示在i 電流條件下主變與擴容裝置之間的電動力值，λ表示主變與擴容裝置周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率，d 表示主變與擴容裝置之間的距離。

當(dāng)主變與擴容裝置中都有電流流過時，在這兩種裝置間會產(chǎn)生相互作用的力。這種作用力覆蓋范圍是極大的，會對周圍的設(shè)備和裝置在無形中產(chǎn)生不同程度的壓力，造成設(shè)備中電流量增強，電壓無控制增加，嚴重的甚至?xí)霈F(xiàn)嚴重的關(guān)聯(lián)性損壞，出現(xiàn)不可控制的經(jīng)濟損失。但是在特定的電力環(huán)境之下，兩個裝置之間的力也可是相互吸引的，說明裝置中流過的電流為同向，如果排斥，則裝置中流過的電流為相反的方向。需要注意的，在一次繞組和二次繞組之間會產(chǎn)生互相排斥的作用力，對原有的電磁力作用效果產(chǎn)生抵消。

這部分雖然可對電磁力進行有效地控制處理，但在預(yù)設(shè)的管控校核范圍之內(nèi)，還是要定期對電力設(shè)備以及裝置進行維穩(wěn)核驗，每一個繞組單元之間預(yù)設(shè)監(jiān)控設(shè)備，與變壓器形成串聯(lián)的狀態(tài)，與此同時，在擴容電阻的作用之下，進一步控制整體的電力回流狀態(tài)，確保校核結(jié)果的精準性與可靠性。因此，本文以內(nèi)力和外力對變壓器繞組的受力進行描述和分析。

其中，定義內(nèi)力為繞組中單元之間的作用力，外力為不同繞組之間的作用力。兩種力在基礎(chǔ)環(huán)境之上是會發(fā)生排斥的，結(jié)合上面的分析不難看出，一旦出現(xiàn)排斥變壓器短路概率便會增加，電流達到穩(wěn)態(tài)之前，電流在不斷變化的狀態(tài)下會引起變壓器不同部位出現(xiàn)受力變化。作用在變壓器繞組上的力與電流之間的關(guān)系可表示為Fb=Fw-Fn=exp(λdf/4πd-Lf)i2，其中Fb表示主變繞組受力，F(xiàn)w表示主變繞組受到的外力，F(xiàn)n表示主變繞組受到的內(nèi)力，L 表示繞組的直徑。

1.2 短路電流校核

在上述基礎(chǔ)上，可得到擴容主變噪聲狀態(tài)下的主要受力情況，但這種模式并不是固定的，通常會隨著變壓器的執(zhí)行情況以及電容的變化狀態(tài)更改受力的現(xiàn)狀，同時控制電流的單相傳輸量，在合理的范圍之內(nèi)，增設(shè)繞組范圍，以此為基礎(chǔ)，在電壓為零時擴容變壓器會發(fā)生短路的故障問題，短路電流可表示為id=Fb/L2cosωt，其中，ω表示短路是電流在主變繞組中的運行速度，t 表示短路時間，id表示短路電流大小。在這種情況下，變壓器繞組上受到的電磁力將在非周期分量、周期分量以及穩(wěn)態(tài)分量上出現(xiàn)明顯的衰減特征。

以此為基礎(chǔ)，當(dāng)變壓器發(fā)生短路故障時，電路設(shè)備中的實際電壓是極難控制的，并且整體的設(shè)備電路常會出現(xiàn)混電或爆電的狀況，周期分量處于最大狀態(tài)，其幅值達到了穩(wěn)態(tài)分量的4倍，測試電路處于短路的狀態(tài)，需測定電路中的額定電流，控制在合理的范圍之內(nèi)，并形成基礎(chǔ)的主變繞組結(jié)構(gòu)；在短路中間階段，周期分量和穩(wěn)態(tài)分量逐漸衰減，致使短路范圍發(fā)生延伸、擴展，并在5～6個交流周期內(nèi)衰減到極值，這部分表明電路的承壓與電路控制效果存在問題，可采用雙向重疊增壓的方式，來營造更加穩(wěn)定的電路執(zhí)行情況。

同時，在變壓器的安裝區(qū)域增設(shè)雙向控制電源，與主控電源形成并聯(lián)控制的模式，隨即在電路中還需安裝監(jiān)控裝置，用來對電流的變化現(xiàn)狀進行掌握，獲取實時的變化數(shù)據(jù)，降低短路發(fā)生的整體概率。當(dāng)短路即將完成時電流逐漸接近固定值，表明其短路的問題雖未擴散，但存在可控的途徑，此時的主變受力（電磁力）也逐漸趨于穩(wěn)定，并且在非周期分量、周期分量以及穩(wěn)態(tài)分量也均處于穩(wěn)定狀態(tài)。在此過程中，變壓器繞組受力的動態(tài)過程可表示為：(F～Fb)=F(λdf/(4πd)-Lf)id2/L2cosωt。在F 之間趨近于Fb的過程中主要受限于ib的變化，當(dāng)其達到Fb時，則此時的ib則為擴容變壓器的短路電流。雖然并不在額定的電流規(guī)范之內(nèi)，但是由于主變?nèi)萜鞯南拗?，可在電路中增加預(yù)設(shè)容量的電阻，分別設(shè)定在電路5個控制節(jié)點之中，每一個電阻的內(nèi)置容量均是不同的，所限制的電路區(qū)域也是不同的。在校核之前，可先依據(jù)需求進行區(qū)域性的劃定，增設(shè)核心點，并將每一個擴容電阻依據(jù)特殊的形式關(guān)聯(lián)在一起，形成校核結(jié)構(gòu)，避免短路問題的進一步延伸。

2 擴容安裝要點分析

通過上文的計算不難看出，出現(xiàn)短路時電路的安全性主要是由主變的繞組決定的，因此為了提高電力系統(tǒng)的安全性，在對其進行擴容安裝時，需要重點關(guān)注以下問題：

由于變壓器受力的作用變化范圍以低壓側(cè)容量為極值，但是在實際校核的過程中，仍然會出現(xiàn)高壓側(cè)容量極限側(cè)繞的狀況，需要設(shè)定限制的電阻，擴大變壓器的作用覆蓋面積，增強額定電流的傳輸途徑，形成更加穩(wěn)定、安全的校核環(huán)境。因此對于額定運行狀態(tài)電流的選取，要以低壓側(cè)繞組為準。

擴容裝置的阻抗選擇要以電力系統(tǒng)短路的額定容量為準，為了降低短路問題出現(xiàn)的概率，需要設(shè)定層級性的電容阻抗模式，依據(jù)擴展的校核范圍設(shè)定相對應(yīng)的阻抗目標，對于額定電流的控制會更加穩(wěn)定一些。但是需要注意的是，由于不同地點出現(xiàn)短路時造成的容量差異不同，導(dǎo)致擴容裝置的阻抗也不同，所以在執(zhí)行管控的過程中也要注意差異化選擇。

3 試驗測試

為了對本文提出的短路電流校核方法的實際應(yīng)用效果進行測試，將其應(yīng)用在實際的測試環(huán)境中，并將文獻[4]和文獻[5]提出的方法作為對照組。

3.1 測試環(huán)境

本文以某選煤廠為本次的試驗對象，其地面110/10.5kV 主變電原安裝兩臺容量為25000kVA的主變，主變電所需要的兩回110kV 電源分別引自兩座220kV 國網(wǎng)變電站，主變電主要為整個礦井及選煤廠提供生產(chǎn)用電電源。為了滿足礦井的預(yù)計達量需求，主變負荷率難以適應(yīng)其使用需求，根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)定對主變壓器實施處理。選擇2臺容量為40000kVA 主變作為擴容裝置，技術(shù)參數(shù)分別為：SFZ11-40000/110kV，110±8×1.25/10.5，40000kV，詳情如表1所示。

表1 擴容主變壓器容量設(shè)置

在上述基礎(chǔ)上，分別采用三種方法計算110kV和10kV 條件下擴容變壓器的短路電流。

3.2 校核結(jié)果

在上述環(huán)境下，三種方法的校驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法的短路電流校核結(jié)果

為了驗證三種方法校核結(jié)果的可靠性，將其各自的計算結(jié)果作為輸出電流值，觀察電力體系的穩(wěn)定性，其結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可看出，對比三種方法的校核結(jié)果，本文方法的結(jié)果更加接近電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的極值，文獻[4]和文獻[5]方法的計算結(jié)果狀態(tài)下，電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，表明其已經(jīng)處于波動狀態(tài)。表明本文核驗的擴容變壓器短路電流結(jié)果更加可靠。

圖1 不同短路電流值對應(yīng)電力系統(tǒng)狀態(tài)

4 結(jié)語

隨著對用電需求不斷提高，原有的主變壓器極有可能會出現(xiàn)無法滿足使用需求的情況，以最小成本提高變壓器的使用價值成為了現(xiàn)階段的研究重點，其中擴容處理是主要手段之一。在實施擴容階段，準確地短路電流校核是確保其穩(wěn)定安全供電的重要基礎(chǔ)。本文提出擴容主變壓器短路電流校核方法及安裝要點研究，校核的擴容主變壓器短路電流具有較高的可靠性，并指出了在具體的擴容處理階段的安裝要點，以期為現(xiàn)實施工提供有價值的參考。