大型变压器的抗短路能力分析研究

崔得民

摘 要

本文针对唐山电网运行的大型变压器展开抗短路能力分析研究。

【关键词】大型变压器 唐山电网

1 大型电力变压器抗短路能力分析技术概述

1.1 收集数据建立变压器抗短路能力评价数据库

从制造厂家和运行单位收集在运的变压器的详细资料，重点包括：铭牌参数等等。

2 采用日本变压器专业委员会抗短路校核方法校核

日本变压器专业委员会推荐的计算方法是根据弹性理论由承受幅向压力的薄壁圆筒的幅向稳定公式推导出来的，同时考虑了实际的变压器绕组与薄壁圆筒的差异，即不仅考虑到绕组的具体结构、绕制方法，还考虑到了绕组内撑条的有效支撑点数等。

2.1 额定电流的选取

低压侧绕组在短路时，其所受电动力与变压器低压侧容量无关，只是与变压器的额定容量成正比，此次校核所有的变压器的短路容量为180000KVA，流过低压侧绕组的电流为额定电流In（相电流），则

In=180000/（Un*3） A；

Un为变压器低压侧绕组额定电压（为线电压）单位为kV；

2.2 系统阻抗的选取

计算系统阻抗，要了解系统短路视在容量，由于各个地点系统短路容量不一，为方便计算，采用GB1094.5《变压器抗短路能力》中规定的系统短路视在容量：

根据阻抗公式，计算系统阻抗 ：

（Ω）；（注：此值为实际值）

其中UN为系统电压；S1R为短路视在容量；

以变压器阻抗为基准，将系统阻抗折算为标么值Z1R：

（%）

其中：ZN为变压器阻抗，S1R为变压器额定容量。由于此次变压器校核都为容量180MVA的变压器，根据GB1094.5《变压器抗短路能力》中规定的系统短路视在容量220kV侧为18000MVA，中压侧为9000MVA。带入上面公式可得：

高压侧系统阻抗Z1R= *100=*100=1 （%）

中压侧系统阻抗Z1R= *100=*100=2 （%）

2.3 短路阻抗的选取

按照三种方法介绍：

（1）当采取高、中联合供电时。根据中华人民共和国国家标准《电力变压器应用导则》，当三相三绕组变压器一侧短路，另外两侧同时供电时，其等效为星形电路图可以由图1表示：其中：Z1、Z2、Z3分别为变压器高、中、低压绕组等值阻抗；

Z1R、Z2R、Z3R分别为高、中、低压系统等值阻抗；

此处：Z1=（Z12+Z13?Z23）/2 %；

Z2=（Z12+Z23?Z13）/2 %；

Z3=（Z13+Z23?Z12）/2 %。

Z12 为变压器高、中阻抗 %；Z13 为变压器高、低阻抗 %；Z23 为变压器中、低阻抗 %。

由于低压侧短路因此低压侧线路阻抗Zx3=0，在此情况下，高、中绕组并联，对低压串联，此时短路阻抗：

ZS=Z3+ ；

ZS为变压器为低压绕组短路时候短路阻抗；

（2）采取中压绕组供电时。此时对照图1，相当于高压悬空，此时系统的短路阻抗由中压线路阻抗、中压绕组等值阻抗和低压绕组等值阻抗串联而得：

ZS=Z2+Z2R+Z3=Z23+Z2R % ；

（3）当采用高压供电，低压无电源供电时候。此时对照图1，相当于中压悬空；，此时系统的短路阻抗由高压线路阻抗、高压绕组等值阻抗和低压绕组等值阻抗串联而得：

ZS=Z1+Z1R+Z3=Z13+Z1R % 。

2.4 短路稳态电流及峰值电流计算

根据短路图1，设短路稳态电流为I，则：

I=In*100/（ZS） A；

由日本变压器专业委员会提供的公式可知：短路峰值电流设为Im，则：

Im=K**I A；

K——系数，取决于短路阻抗中电抗与电阻的比值，按原有关标准，对大型变压器取1.8，在现在执行的IEC60076—5：2000及GB1094.5—2003标准中对100MVA及以上的（Ⅲ类）变压器取1.9。

2.5 短路力的计算

则短路时单位高度的安匝密度：

Am= =（KA/mm） （2）

式中：N——线圈的匝数；

h——线圈的高度。

（2）短路时内线圈承受的辐向电动力

内线圈的辐向压缩电动力：

Fr=6.4Im=（g） （3）

式中：lm——线圈的平均周长，mm。

作用到每个线饼平均周长的视在压缩辐向电动力为：

Fc= （g/mm） （4）

式中：M ---线饼数

（3）内线圈的辐向失稳平均临界强度：

FB=（m2?1） （g/mm） （5）

式中：E---铜导线的弹性模量，普通软铜导线通常取E=12.25×104MPa；

R---圈的平均半径（cm），其值可由r=求出；

m--线圈内径撑条的有效支撑数目，为实际撑条数的一半，m=，m=*b3*t，Zk为实际撑条数；

I—导线的惯性矩，mm4，其值由下式求得：

对于普通导线：

导线惯性矩：， m= （mm4） （6）

式中：nb——线饼中辐向的导线根数；

b——单根导线的辐向宽度，mm；

nl——线饼中轴向的导线根数；

t——单根导线的轴向高度，mm；

y——广取决于线饼和导线结构的经验系数，通常1≤y≤3，对于普通导线y=1。

3 结论

根据分析结论，可按照此类日本变压器专业委员会的抗短路能力校核方法对唐山电网目前运行的220kV大型电力变压器进行抗短路能力校核，以安全裕度达到2.0为合格标准。

作者单位

国网唐山供电公司 河北省唐山市 063020endprint

摘 要

本文针对唐山电网运行的大型变压器展开抗短路能力分析研究。

【关键词】大型变压器 唐山电网

1 大型电力变压器抗短路能力分析技术概述

1.1 收集数据建立变压器抗短路能力评价数据库

从制造厂家和运行单位收集在运的变压器的详细资料，重点包括：铭牌参数等等。

2 采用日本变压器专业委员会抗短路校核方法校核

日本变压器专业委员会推荐的计算方法是根据弹性理论由承受幅向压力的薄壁圆筒的幅向稳定公式推导出来的，同时考虑了实际的变压器绕组与薄壁圆筒的差异，即不仅考虑到绕组的具体结构、绕制方法，还考虑到了绕组内撑条的有效支撑点数等。

2.1 额定电流的选取

低压侧绕组在短路时，其所受电动力与变压器低压侧容量无关，只是与变压器的额定容量成正比，此次校核所有的变压器的短路容量为180000KVA，流过低压侧绕组的电流为额定电流In（相电流），则

In=180000/（Un*3） A；

Un为变压器低压侧绕组额定电压（为线电压）单位为kV；

2.2 系统阻抗的选取

计算系统阻抗，要了解系统短路视在容量，由于各个地点系统短路容量不一，为方便计算，采用GB1094.5《变压器抗短路能力》中规定的系统短路视在容量：

根据阻抗公式，计算系统阻抗 ：

（Ω）；（注：此值为实际值）

其中UN为系统电压；S1R为短路视在容量；

以变压器阻抗为基准，将系统阻抗折算为标么值Z1R：

（%）

其中：ZN为变压器阻抗，S1R为变压器额定容量。由于此次变压器校核都为容量180MVA的变压器，根据GB1094.5《变压器抗短路能力》中规定的系统短路视在容量220kV侧为18000MVA，中压侧为9000MVA。带入上面公式可得：

高压侧系统阻抗Z1R= *100=*100=1 （%）

中压侧系统阻抗Z1R= *100=*100=2 （%）

2.3 短路阻抗的选取

按照三种方法介绍：

（1）当采取高、中联合供电时。根据中华人民共和国国家标准《电力变压器应用导则》，当三相三绕组变压器一侧短路，另外两侧同时供电时，其等效为星形电路图可以由图1表示：其中：Z1、Z2、Z3分别为变压器高、中、低压绕组等值阻抗；

Z1R、Z2R、Z3R分别为高、中、低压系统等值阻抗；

此处：Z1=（Z12+Z13?Z23）/2 %；

Z2=（Z12+Z23?Z13）/2 %；

Z3=（Z13+Z23?Z12）/2 %。

Z12 为变压器高、中阻抗 %；Z13 为变压器高、低阻抗 %；Z23 为变压器中、低阻抗 %。

由于低压侧短路因此低压侧线路阻抗Zx3=0，在此情况下，高、中绕组并联，对低压串联，此时短路阻抗：

ZS=Z3+ ；

ZS为变压器为低压绕组短路时候短路阻抗；

（2）采取中压绕组供电时。此时对照图1，相当于高压悬空，此时系统的短路阻抗由中压线路阻抗、中压绕组等值阻抗和低压绕组等值阻抗串联而得：

ZS=Z2+Z2R+Z3=Z23+Z2R % ；

（3）当采用高压供电，低压无电源供电时候。此时对照图1，相当于中压悬空；，此时系统的短路阻抗由高压线路阻抗、高压绕组等值阻抗和低压绕组等值阻抗串联而得：

ZS=Z1+Z1R+Z3=Z13+Z1R % 。

2.4 短路稳态电流及峰值电流计算

根据短路图1，设短路稳态电流为I，则：

I=In*100/（ZS） A；

由日本变压器专业委员会提供的公式可知：短路峰值电流设为Im，则：

Im=K**I A；

K——系数，取决于短路阻抗中电抗与电阻的比值，按原有关标准，对大型变压器取1.8，在现在执行的IEC60076—5：2000及GB1094.5—2003标准中对100MVA及以上的（Ⅲ类）变压器取1.9。

2.5 短路力的计算

则短路时单位高度的安匝密度：

Am= =（KA/mm） （2）

式中：N——线圈的匝数；

h——线圈的高度。

（2）短路时内线圈承受的辐向电动力

内线圈的辐向压缩电动力：

Fr=6.4Im=（g） （3）

式中：lm——线圈的平均周长，mm。

作用到每个线饼平均周长的视在压缩辐向电动力为：

Fc= （g/mm） （4）

式中：M ---线饼数

（3）内线圈的辐向失稳平均临界强度：

FB=（m2?1） （g/mm） （5）

式中：E---铜导线的弹性模量，普通软铜导线通常取E=12.25×104MPa；

R---圈的平均半径（cm），其值可由r=求出；

m--线圈内径撑条的有效支撑数目，为实际撑条数的一半，m=，m=*b3*t，Zk为实际撑条数；

I—导线的惯性矩，mm4，其值由下式求得：

对于普通导线：

导线惯性矩：， m= （mm4） （6）

式中：nb——线饼中辐向的导线根数；

b——单根导线的辐向宽度，mm；

nl——线饼中轴向的导线根数；

t——单根导线的轴向高度，mm；

y——广取决于线饼和导线结构的经验系数，通常1≤y≤3，对于普通导线y=1。

3 结论

根据分析结论，可按照此类日本变压器专业委员会的抗短路能力校核方法对唐山电网目前运行的220kV大型电力变压器进行抗短路能力校核，以安全裕度达到2.0为合格标准。

作者单位

国网唐山供电公司 河北省唐山市 063020endprint

摘 要

本文针对唐山电网运行的大型变压器展开抗短路能力分析研究。

【关键词】大型变压器 唐山电网

1 大型电力变压器抗短路能力分析技术概述

1.1 收集数据建立变压器抗短路能力评价数据库

从制造厂家和运行单位收集在运的变压器的详细资料，重点包括：铭牌参数等等。

2 采用日本变压器专业委员会抗短路校核方法校核

日本变压器专业委员会推荐的计算方法是根据弹性理论由承受幅向压力的薄壁圆筒的幅向稳定公式推导出来的，同时考虑了实际的变压器绕组与薄壁圆筒的差异，即不仅考虑到绕组的具体结构、绕制方法，还考虑到了绕组内撑条的有效支撑点数等。

2.1 额定电流的选取

低压侧绕组在短路时，其所受电动力与变压器低压侧容量无关，只是与变压器的额定容量成正比，此次校核所有的变压器的短路容量为180000KVA，流过低压侧绕组的电流为额定电流In（相电流），则

In=180000/（Un*3） A；

Un为变压器低压侧绕组额定电压（为线电压）单位为kV；

2.2 系统阻抗的选取

计算系统阻抗，要了解系统短路视在容量，由于各个地点系统短路容量不一，为方便计算，采用GB1094.5《变压器抗短路能力》中规定的系统短路视在容量：

根据阻抗公式，计算系统阻抗 ：

（Ω）；（注：此值为实际值）

其中UN为系统电压；S1R为短路视在容量；

以变压器阻抗为基准，将系统阻抗折算为标么值Z1R：

（%）

其中：ZN为变压器阻抗，S1R为变压器额定容量。由于此次变压器校核都为容量180MVA的变压器，根据GB1094.5《变压器抗短路能力》中规定的系统短路视在容量220kV侧为18000MVA，中压侧为9000MVA。带入上面公式可得：

高压侧系统阻抗Z1R= *100=*100=1 （%）

中压侧系统阻抗Z1R= *100=*100=2 （%）

2.3 短路阻抗的选取

按照三种方法介绍：

（1）当采取高、中联合供电时。根据中华人民共和国国家标准《电力变压器应用导则》，当三相三绕组变压器一侧短路，另外两侧同时供电时，其等效为星形电路图可以由图1表示：其中：Z1、Z2、Z3分别为变压器高、中、低压绕组等值阻抗；

Z1R、Z2R、Z3R分别为高、中、低压系统等值阻抗；

此处：Z1=（Z12+Z13?Z23）/2 %；

Z2=（Z12+Z23?Z13）/2 %；

Z3=（Z13+Z23?Z12）/2 %。

Z12 为变压器高、中阻抗 %；Z13 为变压器高、低阻抗 %；Z23 为变压器中、低阻抗 %。

由于低压侧短路因此低压侧线路阻抗Zx3=0，在此情况下，高、中绕组并联，对低压串联，此时短路阻抗：

ZS=Z3+ ；

ZS为变压器为低压绕组短路时候短路阻抗；

（2）采取中压绕组供电时。此时对照图1，相当于高压悬空，此时系统的短路阻抗由中压线路阻抗、中压绕组等值阻抗和低压绕组等值阻抗串联而得：

ZS=Z2+Z2R+Z3=Z23+Z2R % ；

（3）当采用高压供电，低压无电源供电时候。此时对照图1，相当于中压悬空；，此时系统的短路阻抗由高压线路阻抗、高压绕组等值阻抗和低压绕组等值阻抗串联而得：

ZS=Z1+Z1R+Z3=Z13+Z1R % 。

2.4 短路稳态电流及峰值电流计算

根据短路图1，设短路稳态电流为I，则：

I=In*100/（ZS） A；

由日本变压器专业委员会提供的公式可知：短路峰值电流设为Im，则：

Im=K**I A；

K——系数，取决于短路阻抗中电抗与电阻的比值，按原有关标准，对大型变压器取1.8，在现在执行的IEC60076—5：2000及GB1094.5—2003标准中对100MVA及以上的（Ⅲ类）变压器取1.9。

2.5 短路力的计算

则短路时单位高度的安匝密度：

Am= =（KA/mm） （2）

式中：N——线圈的匝数；

h——线圈的高度。

（2）短路时内线圈承受的辐向电动力

内线圈的辐向压缩电动力：

Fr=6.4Im=（g） （3）

式中：lm——线圈的平均周长，mm。

作用到每个线饼平均周长的视在压缩辐向电动力为：

Fc= （g/mm） （4）

式中：M ---线饼数

（3）内线圈的辐向失稳平均临界强度：

FB=（m2?1） （g/mm） （5）

式中：E---铜导线的弹性模量，普通软铜导线通常取E=12.25×104MPa；

R---圈的平均半径（cm），其值可由r=求出；

m--线圈内径撑条的有效支撑数目，为实际撑条数的一半，m=，m=*b3*t，Zk为实际撑条数；

I—导线的惯性矩，mm4，其值由下式求得：

对于普通导线：

导线惯性矩：， m= （mm4） （6）

式中：nb——线饼中辐向的导线根数；

b——单根导线的辐向宽度，mm；

nl——线饼中轴向的导线根数；

t——单根导线的轴向高度，mm；

y——广取决于线饼和导线结构的经验系数，通常1≤y≤3，对于普通导线y=1。

3 结论

根据分析结论，可按照此类日本变压器专业委员会的抗短路能力校核方法对唐山电网目前运行的220kV大型电力变压器进行抗短路能力校核，以安全裕度达到2.0为合格标准。

作者单位

国网唐山供电公司 河北省唐山市 063020endprint