抗短路能力不足變壓器實地運行風險評估方法

朱 麟，王 鵬，曾磊磊，童 超

（1.國網(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)模不斷擴大，當變壓器遭受近區(qū)短路時，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，對變壓器繞組形成額定負載時幾百倍的電動力、熱沖擊，嚴重考驗變壓器的動穩(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，近5年來國家電網(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，國網(wǎng)公司正在大力推行加強66kV及以上電壓等級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)受短路電流作用時保持動、熱穩(wěn)定的關(guān)鍵指標[2]。開展抗短路能力不足變壓器實地運行風險評估，有序有效地開展治理工作，是保障變壓器安全可靠運行的關(guān)鍵，也是確保設(shè)備本質(zhì)安全，鑄造堅強智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。

1 考慮實際運行方式的計算模型

目前，變壓器抗短路能力計算主要依據(jù)文獻[3]，但其中所介紹的短路電流計算方法，并沒有考慮主變的運行方式，計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算直接計算得到。在實際運行中，大部分變電站都存在多臺主變并列運行情況。當發(fā)生短路故障時，短路點的故障電流以及流經(jīng)變壓器繞組的短路電流，也因運行方式不同而存在差異。那么，計算短路點的故障電流以及流經(jīng)變壓器的短路電流則需要具體問題具體分析。

因此，本文以不同并列方式的三臺相同參數(shù)的變壓器為例，對故障點的短路電流及流經(jīng)變壓器繞組的電流進行建模分析。需要特別說明的是，本文計算過程中，只考慮變壓器高壓側(cè)供電，中、低壓側(cè)均無電源。事實上，根據(jù)目前系統(tǒng)中降壓變壓器實際運行情況，該假設(shè)是可行的。

1.1 高、中壓并列，低壓分列運行，低壓短路

三臺主變高、中壓并列運行，低壓分列運行，其中1號主變低壓側(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，低壓分列運行，低壓短路

圖2 高、中壓并列，低壓分列運行，低壓短路等值電路

由圖2可知，由于三臺主變中壓側(cè)并列運行，當其中1號主變低壓側(cè)發(fā)生三相短路時，2號、3號主變均通過并列運行的中壓繞組，向短路點提供短路電流。那么，此時短路阻抗ZS為：

根據(jù)約定，三臺主變參數(shù)相同，進一步計算得到：

1.2 高、中、低壓并列運行，低壓短路

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

圖3 高、中、低壓運行，低壓短路等值電路

由圖3可知，由于三臺主變高、中、低壓側(cè)均并列運行，當主變低壓側(cè)母線發(fā)生三相短路時，1號、2號和3號主變均向短路點提供短路電流。那么，此時短路點等效短路阻抗ZS為：

進一步計算得到：

1.3 高、中壓并列，低壓分列運行，中壓短路

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

圖4 高、中壓并列，低壓分列運行，中壓短路等值電路

由圖4可知，由于中壓側(cè)分列運行，當1號主變中壓側(cè)發(fā)生三相短路時，2號和3號主變均可向短路點提供短路電流，此時短路點等效短路阻抗ZS為：

進一步計算得到：

2 實地運行風險評估方法

目前，國網(wǎng)變壓器抗短路中心開展變壓器抗短路能力校核是依據(jù)GB1094.5—2008計算方法確定變壓器可能發(fā)生最大短路電流，即考慮單臺主變運行下高-中、高-低、中-低三種運行工況，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、熱穩(wěn)定性。變壓器實地運行風險評估主要是依據(jù)變壓器廠家或國網(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)生最大短路電流進行判斷，評估過程見圖5。

1）依據(jù)GB1094.5—2008計算重點管控變壓器中壓側(cè)可能發(fā)生的最大短路電流IMG，若未超過中壓側(cè)允許承受短路電流IM允，則判斷中壓側(cè)無運行風險；若超過中壓側(cè)允許承受短路電流IM允，則需進一步核實該主變中壓側(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)，則可直接進行風險分級；若中壓側(cè)無電源上網(wǎng)，則僅考慮高-中運行、中壓短路工況計算中壓側(cè)可能發(fā)生的最大短路電流IM可，若未超過中壓側(cè)允許承受短路電流IM允，則判斷中壓側(cè)無運行風險；若超過中壓側(cè)允許承受短路電流IM允，則進行風險分級；

3）中壓側(cè)運行風險分級，分級方法如下：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之比作為目標參數(shù)，并依據(jù)該目標參數(shù)將變壓器實地運行風險分為A、B、C、D、E、F六類，見表1。

表1 變壓器分級方法

4）依據(jù)報告第2部分提供的計算模型，即考慮重點管控變壓器實際運行方式（高中壓側(cè)并列、低壓側(cè)分列運行最為常見），計算低壓側(cè)可能發(fā)生最大短路電流IL可，若未超過低壓側(cè)允許承受短路電流IL允，則判斷低壓側(cè)無運行風險；若超過低壓側(cè)允許承受短路電流IL允，則需進一步核實該主變低壓側(cè)是否加裝限流電抗器；

5）若低壓側(cè)未加裝限流電抗器，則直接進行風險分級；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，重新計算低壓側(cè)可能發(fā)生最大短路電流IL限，若未超過低壓側(cè)允許承受短路電流IL允，則判斷低壓側(cè)無運行風險；若超過低壓側(cè)允許承受短路電流IL允，則進行風險分級；

6）低壓側(cè)運行風險分級，分級方法如下：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可之比作為目標參數(shù)，并依據(jù)該目標參數(shù)將變壓器實地運行風險分為A、B、C、D、E、F六類，見表1。

7）確定重點管控變壓器風險等級：綜合考慮中、低壓側(cè)風險分級，選取風險等級最高者作為重點管控變壓器風險等級。

圖5 變壓器實地運行風險評估流程

3 實地運行風險評估案例分析

3.1 主變參數(shù)

主變型號：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 運行風險等級評估

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。

評估結(jié)果：高壓側(cè)滿足運行要求，中、低壓側(cè)不滿足運行要求。

3.2.2 考慮實際運行方式的算法

基準容量為：Sj=100MVA，基準電壓為Uj=220kV。

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

計算變壓器各繞組等值電抗：

主變各側(cè)繞組電抗折算至標幺值為：

實際運行方式：該站2臺主變運行，運行方式采用高中壓并列、低壓分列運行方式，高壓側(cè)單側(cè)供電，等值電路如圖6所示。

圖6 短路點設(shè)置情況

短路工況1：中壓側(cè)三相短路

兩臺主變等值阻抗：

短路回路阻抗：

短路容量：

流經(jīng)每臺主變中壓側(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。

評估結(jié)果：即使主變中壓測無電源供電，中壓側(cè)仍不滿足運行要求；主變低壓側(cè)短路電流大于單臺主變運行工況，不滿足運行要求。

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，仍不滿足運行要求。

綜上所述，該站1號主變與2號主變采用高中壓并列、低壓分列運行方式，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，均存在運行風險。

3.2.4 風險分級

中壓側(cè)短路電流百分比F1=3.93/8.28=46.2%，風險為E級；低壓側(cè)短路電流百分比F2=21.8/49.36=44.2%，風險為E級。

風險等級評估結(jié)果：該主變運行風險為E級。

4 結(jié)語

本文分析了考慮實際運行方式的變壓器短路電流計算模型，并與GB1094.5計算模型進行了對比，對比發(fā)現(xiàn)兩種計算模型得出的流經(jīng)變壓器中、低壓側(cè)短路電流存在一定差異，而考慮實際運行方式的變壓器短路電流計算模型更適用于變壓器實地運行風險評估；基于變壓器實際運行方式、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，提出了實地運行風險評估方法，并給出了評估案例，評估結(jié)果可直接指導(dǎo)變壓器檢測決策。