220 kV变电站变压器低压侧短路电流控制措施分析

冯任卿，张智远，冯鸣娟，陈 丽

(1.河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031；2.河北省电力公司，石家庄 050021；3.华北电力大学，河北 保定 071000)

1 问题的提出

2009年7月30日，沧州供电公司留古220 kV变电站2号主变压器因低压侧35 kV开关柜内发生三相短路故障，造成主变压器U相低压侧绕组变形和匝间短路，主变压器返厂检修。目前，河北省南部电网(简称“河北南网”)已经发生数次由于35 kV低压侧短路而导致220 kV主变压器故障停运的事故，虽然主要原因在于厂家制造工艺控制不严，但35 kV侧短路电流较高也是原因之一。下面分析变电站中压侧运行方式对220 kV主变压器低压侧短路电流的影响，以及控制短路电流的措施。

2 变压器低压侧等值电路分析

由于220 kV主变压器低压侧为△型接线，因此发生单相短路时只有很小的容性电流，对于大型电力变压器，三相短路是最严重的情况，为此，应首先分析三相短路情况。系统等值接线如图1所示。

图1 主变压器低压侧△型三相等值接线电路示意

图1中，Xd为系统等值阻抗；X1、X2、X3分别为主变压器高、中、低绕组短路阻抗；XL为限流电抗器阻抗；I1为高压侧短路电流；I3为低压侧短路电流。以上参数全部为标幺值，U0=1。

由于河北南网220 kV变电站低压侧普遍没有电源接入，变压器中压侧电源较小，因此影响低压侧短路电流的主要原因为变电站高压侧短路电流。而当主变压器高压侧短路电流为50 kA(目前220 kV断路器最高开断水平)时，其低压侧短路电流最高，为给运行留有一定裕度，可按照50 kA来考虑进行计算和分析。计算式见式(1)、式(2)：

Xd=U0/I1

(1)

I3=U0/(Xd+X1+X3+XL)

(2)

对于2台主变压器并列运行的情况，等值接线图见图2，计算式见式(3)。

I3=U0/{Xd+1/[1/X1+1/(X1+2X2)]+X3+XL}

(3)

对于3台主变压器并列运行的情况依此类推。

中压侧分列运行时，则与仅1台主变压器运行的情况相同。

图2 2台主变压器并列运行时的等值电路示意

由以上分析可知，控制低压侧短路电流可以降低主变压器故障率。而降低短路电流的根本在于增加高压侧至中压侧阻抗值，增加阻抗可以通过分列110 kV母线；装设低压限流电抗器；增加主变压器低压阻抗等方式来实现。

另外，降低35 kV母线侧故障率也可以减少主变压器故障次数，降低主变压器故障率。

3 短路电流控制措施

3.1 分列110 kV母线

3.1.1 运行情况

经过计算得知，由于河北南网容量为240 MVA的主变压器普遍采用高阻抗变压器，因此，容量为240 MVA的主变压器的低压侧短路电流小于180 MVA主变压器低压侧短路电流。变电站主变压器规模为3×180 MVA时，变电站低压侧(35 kV母线或10 kV母线)短路电流水平最高。

变电站35 kV母线低压侧短路电流最高达19.5kA(3×180 MVA)。分列110 kV母线可以使35 kV母线短路电流降低较多，分列后35 kV母线短路电流最高为11.3 kA(3×180 MVA)，最多可降低约42.1%；由于河北南网220 kV变电站10 kV母线侧均装设限流电抗器，110 kV母线侧并列时10 kV母线短路电流最高达23.5 kA(3×180 MVA)，分列后可降低至19.0 kA，最多可降低19.0%。

对于2×180 MVA主变压器，分列110 kV母线可降低35 kV母线短路电流30%左右，即从16 kA左右降低至11.3 kA，折算至低压绕组为6.5 kA，是留古主变压器低压绕组标称短路电流(11.2 kA)的58%，理论上可以满足要求。

河北南网220 kV变电站设计时均考虑为220 kV并列/110 kV并列/低压侧分列运行的方式，造成大部分变电站110 kV侧母线按照双母线或双母线带旁路接线方式设计，无法实现3台主变压器安装后，中压侧完全分列成为3段运行的情况。

据统计，河北南网220 kV变电站具备3台主变压器完全分列运行的110 kV主接线(即双母线单分段和单母线分段)仅占全部主接线的38.4%，而不具备3台主变压器完全分列运行的110 kV主接线(即双母线和双母线带旁路)占全部主接线的61.6%。

对于110 kV主接线形式为双母线接线的220 kV变电站，即使目前将110 kV母线分列运行，降低部分短路电流，但由于110 kV主接线的限制，当变电站扩建为3×180 MVA主变压器时，必然存在有2台180 MVA主变压器在1条母线上运行的情况，与目前运行情况相同。因此，主变压器已经不能满足要求，分列110 kV母线仅能解决短时期的短路电流问题。

3.1.2 运行效果

a. 分列110 kV母线将使供电可靠性降低。由于220 kV变电站向110 kV供电为辐射状，并非环形接线，分列110 kV母线使每台主变压器形成110 kV单母线供电，比并列的双母线接线可靠性低。由于正常运行时2台主变压器分别固定接于高压侧2条母线，当1条220 kV母线突然故障时，将会跳开接于此母线上所有断路器，相应1台主变压器退出运行，由于中压侧分列运行，将会失去1台主变压器所带负荷，最高比例可占到全变电站负荷的2/3左右(针对3台主变压器，其中2台接于故障母线的情况),对110 kV供电可靠性的影响较大。另外，主变压器故障也会造成该主变压器所带负荷全部失去的情况。目前河北南网220 kV变电站以敞开式为主，母线故障率相对较高，因此分列运行对可靠性影响较大。而对于220 kV的GIS设备，由于母线故障率大大降低，分列110 kV母线对可靠性影响相对较小。当发生110 kV母线检修时，需要将检修段负荷和主变压器进线倒至正常运行的母线，同样会形成2台主变压器接于1条母线的并列情况，在这种情况下发生短路，仍然存在烧毁主变压器低压绕组的可能。

b. 从经济性上来说，110 kV母线并列可以使负荷分配最为平均。变电站内多台主变压器负载率均衡，可使变压器损耗达到最小。而分列110 kV母线运行，则很难保证其110 kV出线回路数及负荷达到绝对平均，负荷分配不平衡，必然造成损耗增加。

由此可见，提高主变压器低压绕组短路电流水平是关键。只要设备能够满足低压侧35 kV母线20 kA(低压绕组短路电流11.55 kA)的短路电流通流能力，不论中压侧分列与否，均可满足要求。

对于10 kV母线来说，由于装设了限流电抗器，其低压侧母线短路电流较小，只要满足25 kA即可。但是对主变压器低压绕组短路电流要求较高，限流电抗器前10 kV母线最大短路电流为71.5 kA，折算到主变压器低压绕组短路电流为41.3 kA，即设备满足低压绕组短路电流41.3 kA的通流能力，不论中压侧分列与否，均可满足要求。

3.2 35 kV母线侧装设限流电抗器

对于220 kV变电站的35 kV母线侧，也可以与10 kV母线一样采取装设限流电抗器的方法控制短路电流，在35 kV母线侧装设1.5 kA、12%的限流电抗器后，在110 kV母线并列运行情况下，对于2×180 MVA主变压器，可降低35 kV母线短路电流55.7%，限流电抗器后短路电流仅为7.31 kA，折算至主变压器低压绕组的短路电流仅为4.2 kA；对于3×180 MVA主变压器，可降低35 kV母线短路电流59.8%，装设限流电抗器后短路电流仅为7.84 kA，折算至主变压器低压绕组的短路电流仅为4.5 kA。

110 kV母线分列后，每台180 MVA主变压器35 kV母线侧装设限流电抗器后短路电流为6.07 kA，与110 kV母线并列运行相比降低不多。因此，分列110 kV母线的措施对于装设限流电抗器后短路电流影响较小，装设限流电抗器后，可以不必考虑分列运行。

但装设限流电抗器只能抑制限流电抗器后短路产生的短路电流，限流电抗器前短路产生的短路电流仍与未装设限流电抗器的情况相同，依然需要主变压器低压绕组短路电流满足不装设限流电抗器时的标准。由于装设限流电抗器后，低压侧短路电流较高的区域(即主变压器低压侧出线至限流电抗器段)明显减少，可以降低变压器短路损坏的概率。

3.3 提高主变压器低压绕组阻抗

由于240 MVA主变压器低压绕组U3=30.5%，而普通180 MVA主变压器低压绕组仅为U3=9%，240 MVA主变压器低压侧短路电流非常小，比180 MVA主变压器的低压侧短路电流还要小。因此，在今后的设计中，也可以提高180 MVA和120 MVA主变压器低压绕组的阻抗，以降低变压器低压侧短路电流。当然，这种方式由于增大了阻抗，也会增加损耗。

4 各种措施的可行性分析

根据短路电流计算结果，变电站35 kV低压侧短路电流最高达19.5 kA(3×180 MVA)，折算至主变压器低压绕组的短路电流为11.3 kA。实际上，从设备制造角度来说，35 kV母线低压绕组可承受的2 s对称短路电流达到或超过11.3 kA，是完全可以实现的。因此，严格控制设备质量，可以满足3台主变压并列运行的短路要求。

对于目前已存在缺陷的主变压器，即与留古同批的临泉、北张、枣营、陈庄(低压侧10 kV)、崔池和张丰变电站，其配电装置均为户外GIS，采取临时分列110 kV母线运行的方式，可降低短路电流30%左右，最高短路电流可降低至11.3 kA，折算至主变压器低压绕组短路电流为6.5 kA，容易满足要求。但由于这7个变电站110 kV母线主接线均为双母线接线，变电站规划规模均为3×180 MVA，扩建第3台主变压器时，分列运行将不能满足要求，建议考虑装设35 kV限流电抗器。

对于目前主变压器未发现缺陷的220 kV变电站，不推荐分列运行的方式，分列运行会降低变电站110 kV母线侧负荷供电可靠性，在发生1条母线故障的情况下最多损失2/3负荷，最少损失1/3负荷，将造成较大的经济影响和社会影响，并且分列运行还会造成主变压器运行时负荷分配较不平均，导致网损增加，经济性降低。

装设低压限流电抗器可以降低35 kV母线短路电流30%,甚至更高，因此可以考虑在220 kV变电站35 kV母线侧装设限流电抗器来控制短路电流，但限流电抗器也会造成低压侧网损增加。装设限流电抗器后，可以降低低压侧母线及限流电抗器后设备短路电流水平，但限流电抗器前短路仍然要求主变压器低压绕组可承受的短路电流为较高水平。因此，不论装设限流电抗器与否，对设备制造水平的要求不能降低。

5 建议

a. 在今后的设计中，首先应明确变电站远景年份是否需要分列运行。如果变电站远景年份考虑为并列运行，那么首先需要提高对主变压器低压绕组短路电流水平的要求，必要时采取装设低压限流电抗器，或提高变压器低压绕组阻抗参数等方式，加强对低压侧短路电流的控制。

b. 在确定是否分列运行前提下，对于GIS变电站，由于母线故障率降低，可以考虑简化主接线为单母线三分段接线，为将来分列运行打好基础；对于AIS变电站，由于母线暴露在室外，故障率较高，因此110 kV母线设计时可以考虑双母线单分段接线，以适应将来的分列运行。

c. 建议对全网的220 kV主变压器进行设备诊断，判断出存在缺陷的设备，及早采取措施和控制方案。 研究在运220 kV变电站低压绕组35 kV母线装设限流电抗器的可能性。 制定相关标准和规程规范，对主变压器短路参数和工艺水平提出明确要求，以控制设备质量。 研究新建220 kV主变压器采用低压绕组高阻抗变压器的可行性。对于具备条件的220 kV变电站，可采用分列110 kV母线运行的方式，控制变压器低压侧短路电流。