特高压变压器短路电压比取值的分析

孙鸣，石婷婷，门富媛

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥230009）

特高压变压器短路电压比取值的分析

孙鸣，石婷婷，门富媛

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥230009）

为了优化特高压变压器短路电压比这一参数，结合实例分析了特高压变压器短路电压比的取值对500 kV母线三相短路电流的影响，并采用了一种电力系统无功平衡快速分析方法；利用有功传输和无功需求之间的定量关系进行无功平衡快速分析，探讨了特高压变压器短路电压比的取值对系统无功补偿效果的影响。仿真结果表明：系统短路容量越大，提高变压器短路电压比对500 kV母线三相短路电流的限制作用越明显。

特高压；变压器；短路电压比；短路电流；无功补偿

我国电力系统已进入大系统跨区域联网的新阶段，大电网之间的互联程度越发紧密，使得电网的短路电流水平不断攀升，国内某些区域电网出现了短路电流超标和断路器的遮断容量裕度不足的情况[1-3]。为了控制500 kV系统的短路电流，国内外学者做了大量的研究工作。文献[4]分析了500 kV电网短路电流超标机理及限制措施的适应性；文献[5]对限制短路电流的多种措施进行了探讨并提出了采用高阻抗变压器限制系统500 kV侧短路电流的方法；文献[6]的研究结果表明，在确保系统稳定的前提下，采用高阻抗变压器来控制短路电流的效果是很明显的，如西北电网750 kV网架中，当750 kV白银变的变压器阻抗增加10%时，可使750 kV与330 kV母线的三相短路电流分别下降2.4 kA和9.3 kA。适当增大百万伏级主变压器阻抗可以有效限制该变压器所在厂站的短路电流水平，但同时会带来特高压系统无功平衡等问题[7-9]。因此，特高压变压器短路阻抗具体的取值需结合所在电力系统短路电流水平、特高压变压器无功补偿容量等方面加以综合考虑。

根据国家电网公司《500（330）kV变电站典型设计方案推广应用手册》的调研结果并考虑到特高压变压器受绝缘、短路强度、局部过热、运输等关键技术以及特高压设备制造能力的限制[10-12]，文中短路电压比的取值范围暂定为15%～24%。

1 变压器不同短路电压比下的500 kV母线三相短路电流

1.1 1000 kV系统提供的短路电流

图1给出了某1000 kV变电站独立分区电网接线。其中，特高压主变为2×3 000 MVA，变比为1 050/525/110 kV；XL为发电厂到1 000 kV变电站500 kV母线的等值线路阻抗（双回2×LGJ-630型号导线）；Uk%为发电厂升压变的短路电压比，取18%；机组容量为1 000 MW/台，Xd为发电机机组的次暂态电抗，取0.18；PG为发电机有功出力，cos ψ为发电机的等值功率因数，取0.9。

在图1所示的元件参数下，计算500 kV母线三相短路时，1 000 kV系统通过不同短路电压比的主变向500 kV母线注入的短路电流IfS，即

式中：IB525为500 kV侧电流基准值；SB为功率基值；XS*为1 000 kV系统等值阻抗，p.u.；IS为三相短路时1 000 kV母线的短路电流有名值，p.u.；IB1为三相短路时1 000 kV母线的短路电流基准值，p.u.；IS*为三相短路时1 000 kV母线的短路电流，p.u.；Sd为1 000 kV系统的短路容量；ST为变压器的额定容量。

图11 000 kV变电站独立分区电网接线Fig.1Connection diagram of 1 000 kV substation independent partition grid

由式（1）可见，1 000 kV系统通过变压器注入500 kV母线的短路电流IfS与1 000 kV系统的短路容量Sd、变压器的额定容量ST、变压器高压-中压侧短路电压比Uk%有关。

计算结果如表1所示（SB=1 000 MVA）。

由表1可知，当系统短路容量确定时，提高变压器高压-中压侧短路电压比对500 kV母线三相短路电流有明显的限制作用，且系统短路容量越大限制作用越明显。

表1 不同短路电压比下的短路电流计算结果比较Tab.1Comparison results of short-circuit current with different short impedance kA

同理，变压器容量的改变也会对500kV母线短路电流的大小产生影响。仍以图1所示的独立分区电网为例，取Uk%为特高压交流实验示范工程及其扩建工程所采用的值18%，并保持不变，计算在不同短路容量（1000 kV系统）下，主变有不同额定容量时的500 kV母线短路电流IfS，计算结果见表2。

由表2可知，当增大主变额定容量时，在500 kV母线最大三相短路电流一定的约束下，将导致500 kV电网其他电源注入该母线的短路电流值逐渐减小。

1.2 地方电厂向500 kV母线提供的短路电流

由于500 kV母线发生短路时，接入该母线的电源线路（分区电源）亦要对500 kV母线提供短路电流。为方便计算，文中用不同容量的机组向500kV母线提供的短路电流值来替代500 kV不同供电能力的分区电源对500 kV母线短路电流的影响。

表2 不同额定容量主变的短路电流计算结果比较Tab.2Comparison results of short-circuit current with different transformer rated capacit

在图1所示的系统及其元件参数下，接在500 kV母线上的不同容量的机组在500 kV母线发生三相短路时，注入的短路电流IfG为

代入相关参数，计算结果见表3。

1.3 变压器短路电压比对500 kV系统允许注入的短路电流裕度的影响

当地方电厂接入1 000 kV变电站的机组容量确定后，允许500 kV电网其他电源注入500 kV母线的短路电流值与1 000 kV变电站短路容量以及主变高压-中压侧短路电压比有关。据2015年电网规划，特高压变电站大多为两台主变并列运行，且1 000 kV母线短路电流大多在50 kA以下，而500 kV母线短路电流按50 kA控制。在图1所示的系统中，改变1 000 kV系统短路容量和变电站主变高压-中压侧短路电压比，地方电厂接入的1 000 MW机组按4台考虑，此时，500 kV电网发生三相短路允许其再注入500 kV母线的短路电流值如表4所示。

表3 不同容量机组接入后注入500 kV母线短路电流Tab.3Injected short-circuit current of 500 kV bus with different capacity unit connection

由表4可知：

（1）当1 000 kV变电站短路容量为90 GVA，且主变高压-中压侧短路电压比为15%时，允许500 kV电网其他电源注入其500 kV母线的短路电流仅为7.44 kA；而当1 000 kV变电站短路容量为30 GVA且主变高压-中压侧短路电压比为24%时，允许500 kV电网其他电源注入其500 kV母线的短路电流达到22.90 kA，差值达15.46 kA。

（2）对于新建特高压变电站，1 000 kV系统短路容量正常情况下不会达到90GVA，当变电站1000 kV母线短路容量为60 GVA，主变高压-中压侧短路电压比分别取15%和24%，允许500 kV电网其他电源注入其500 kV母线的短路电流相差6.99 kA。

表4 不同参数下的500 kV母线短路电流裕度Tab.4Short-circuit current margin in 500 kV bus with different parameters kA

2 变压器短路电压比对容性无功补偿的影响

对于特高压变电站，增大变压器短路电压比能有效降低短路电流，但同时也相应增加了变压器无功损耗，通常特高压变压器通过第3绕组（110 kV）所接的容性无功对其加以补偿。

2.1 无功平衡计算方法

本文采用的电力系统无功平衡快速分析方法，利用有功传输和无功需求之间的定量关系进行无功平衡快速分析[13]。

在电力系统潮流计算模型中，支路方程可以描述为

式中：yij为线路导纳，yij=gij+jbij；bc为线路对地电纳的1/2；

将式（4）变换为功率方程，可得线路i侧潮流为

根据实际电网的特点，可以做如下假设，建立直流法潮流模型。

（1）在特高压电网中，支路的电抗比电阻大很多，故支路电阻可以忽略，则支路电纳为

式中，xij为不接地支路的电抗。

（2）支路两端节点电压相角差很小，因此有

（3）忽略支路对地电纳，即bi0=bj0=0。

（4）电力系统正常运行时，可近似认为各节点电压模值相等并等于标幺值1，即Ui=Uj=1。则式（5）可简化为

实际高压输电网，尤其是负荷集中、联系紧密的电网是完全适用上述条件的[13]。对于每一条进出线而言，阻抗支路中损耗的无功功率为

根据以上直流法潮流模型，在工程上对于每条进出线路其无功需求近似为

式中：Qdemand.L为此条线路的容性无功需求；P为流经此条线路的有功潮流；Qsh为此条线路两侧并联高抗在额定电压下所消耗的容性无功之和；Qk为此条线路上的串补所产生的容性无功；Qc为此条线路沿线电容在额定电压下所产生的容性无功（各变量均为标幺值，以下各变量也均为标幺值）。

对变电站的主变而言，在工程上其无功需求近似为

式中：Qdemand.t为变压器的容性无功需求；Pload为主变负载；Xt为主变高压-中压侧等值电抗。

根据无功分层平衡的原则，对于特高压变电站，理论上不允许500 kV系统无功倒灌到1 000 kV系统。因此，变电站的容性无功平衡方程式为

式中（12）左边为变压器第3绕组的无功补偿设备所能提供的无功补偿容量，右边为500 kV侧输电线路、负荷所需的感性无功以及变压器的感性无功损耗。

2.2 算例

在图1所示的元件参数下，假设变压器传输不同的有功功率时，变电站的无功补偿能力能够满足变电站的无功需求且能够保持线路负荷侧功率因数不变。为防止线路空载或轻载时线路充电功率过剩而造成工频电压过高，文中选择高抗补偿度为80%，线路串补度为40%[14]，在不同短路电压比和不同负载率条件下计算2台主变无功损耗，结果如表5所示。

由表5可知，在同一负载率下，变压器无功损耗随变压器短路阻抗的提高而增大；在同一短路电压比下，则随着主变负载率的增大而增大。当变压器重载，负载率为90%时，主变短路阻抗提高至24%，每台变压器无功损耗为583.05 Mvar，其占到主变容量的19.44%。

2.3 计及无功补偿后的变压器无功损耗

变压器无功损耗与变压器负载率、变压器短路电抗呈正比。在2台主变短路电压比确定的情况下，将表5的数据转换为无功损耗随变压器负载率变化曲线，如图2所示。

从图2可直观地看到：变压器负载率小于50%时，两台主变的无功损耗随变压器高压-中压侧短路电压比的增长速度较慢；当变压器负载率高于50%时，两台主变的无功损耗随变压器短路电压比的增长迅速增加。为充分利用变压器的容量，显然，在变压器负载率高于50%以后，需通过变压器第3绕组采取投入无功补偿装置的方法来降低无功损耗。

1 000 kV晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程，其每台变压器第3绕组配置的无功补偿装置最大容量为4×210 Mvar（额定电压126 kV）[15]，折算至额定电压为115 kV，单台变压器最大配置容量约为4×175 Mvar。按此配置并在表5中的数据≥175 Mvar整数倍的情况下，通过主变第3绕组投入相应的电容器组。计及无功补偿后2台主变在不同短路电压比和负载率下的无功损耗数值如表6所示。

图2 不同参数下的变压器无功损耗Fig.2Reactive power loss of transformer with different parameters

表52 台主变在不同短路电压比和负载率下的变压器无功损耗Tab.5Reactive power loss of two transformers with different short-circuit voltage ratio and load rate

表6 计及无功补偿后2台变压器无功损耗Tab.6Reactive power loss of two transformers with reactive power compensation Mvar

由表6可知，当变压器第3绕组投入无功补偿装置后，在变压器重载，负载率为90%的情况下，即便将主变短路阻抗提高至24%，每台变压器无功损耗（150 Mvar）值也仅占其额定容量的5%，显然无功补偿后大大提高了主变的带负载能力。

3 结论

特高压变压器短路电压比的取值需综合考虑特高压系统短路容量、主变额定容量、主变负载率、500 kV侧母线允许注入的最大三相短路电流以及特高压变压器无功补偿配置等因素。

（1）当系统短路容量确定时，提高变压器高压-中压侧短路电压比对500 kV母线三相短路电流有明显的限制作用，且系统短路容量越大该限制作用越明显。

（2）变压器短路电压比确定后，在500 kV母线容许最大三相短路电流一定的约束下，增大系统短路容量和变压器的额定容量将导致500 kV母线允许其他电源注入的短路电流值减小。

（3）变压器无功损耗与变压器的负载率和短路电压比呈正比；变压器负载率大于50%后，在其第三绕组投入无功补偿装置能明显提高变压器带负载运行的能力。

[1]刘振亚.特高压电网[M].北京：中国经济出版社，2005.

[2]应林志，王建全，陈迅，等（Ying Linzhi，Wang Jianquan，Chen Xun，et al）.广东电网超高压短路限流器优化配置方案（An optimal configuration scheme for ultra-high voltage short-circuit current limiter in Guangdong power grid）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2012，36（4）：96-100，113.

[3]汪杨凯，郑文琛，雷雨（Wang Yangkai，Zheng Wenchen，Lei Yu）.特高压荆门站串联变压器间单相接地故障分析（Analysis of single-phase-to-ground fault between twostage series transformers in UHV Jingmen substation）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（6）：141-144.

[4]孙奇珍，蔡泽祥，李爱民，等（Sun Qizhen，Cai Zexiang，Li Aimin，et al）.500 kV电网短路电流超标机理及限制措施适应性（A short-circuit current over-limited mechanism of 500 kV power system and the adaptability of limiting measures）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2009，33（21）：92-96.

[5]叶幼君，鲍爱霞，程云志（Ye Youjun，Bao Aixia，Cheng Yunzhi）.浙江500 kV电网短路电流的控制（Control of short-circuit current for Zhejiang 500 kV power grids）[J].华东电力（East China Electric Power），2006，34（3）：11-15.

[6]袁娟，刘文颖，董明齐，等（Yuan Juan，Liu Wenying，Dong Mingqi，et al）.西北电网短路电流的限制措施（Application of measures limiting short circuit currents in northwest China power grid）[J].电网技术（Power System Technology），2007，31（10）：42-45.

[7]曾文慧（Zeng Wenhui）.变压器阻抗对并联无功补偿容量的影响（Influence of transformer resistance to capacity of parallel reactive compensation）[J].电网技术（Power System Technology），2007，31（S1）：231-232.

[8]李忠煦，刘玉田（Li Zhongxu，Liu Yutian）.一种地区电网分布式无功优化方法（Distributed reactive power optimization for area power system）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2005，17（2）：80-83.

[9]杨柳，钟杰峰（Yang Liu，Zhong Jiefeng）.广东1 500 MVA大容量变压器短路阻抗的研究（Short-circuit impedance of 1 500 MVA large capacity transformer in Guangdong）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（23）：104-107.

[10]韩富春，曹志平（Han Fuchun，Cao Zhiping）.负载调整与变压器经济运行研究（Study of load regulation and the economical operation of transformer）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2004，16（6）：28-30.

[11]何为，吴喜红，王科，等（He Wei，Wu Xihong，Wang Ke，et al）.变压器空载损耗和短路损耗在线检测方法（Online detecting method of transformer open-circuit loss and short-circuit loss）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（6）：72-76.

[12]秦晓辉，周勤勇，申洪，等（Qin Xiaohui，Zhou Qinyong，Shen Hong，et al）.一种电力系统无功平衡及其临界潮流快速分析方法（A kind of reactive power balance and its critical power flow rapid analysis method in power system）[Z].北京：中国电力科学研究院（Beijing：China Electric Power Research Institute），2011.

[13]赵晋泉，叶君玲，邓勇（Zhao Jinquan，Ye Junling，Deng Yong）.直流潮流与交流潮流的对比分析（Comparative analysis on DC power flow and AC power flow）[J].电网技术（Power System Technology），2012，36（10）：147-152.

[14]周勤勇，李晶，秦晓辉，等（Zhou Qinyong，Li Jing，Qin Xiaohui，et al）.串补和可控电抗器在特高压电网的应用（Application of series compensators&controllable shunt reactors in UHV power grid）[J].中国电力（Electric Power），2010，43（2）：36-38.

[15]周琍，康义，郑英芬，等（Zhou Li，Kang Yi，Zheng Yingfen，et al）.1 000 kV荆门变电站主变压器第三线卷额定电压选择及低压无功补偿设备配置（Rated voltage selection of the third windings of main transformers in 1 000 kV Jingmen substation and configuration of low voltage reactive power compensation devices）[J].电网技术（Power System Technology），2007，31（1）：12-15.

Analysis of UHV Transformer Short-circuit Voltage Ratio

SUN Ming，SHI Tingting，MEN Fuyuan
（School of Electrical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

In order to optimize the ultra-high voltage（UHV）transformer short-circuit voltage，the impact of the UHV transformer short-circuit voltage increasing percentage on three-phase short circuit current in 500 kV bus is analyzed in this paper.And the reactive power compensation capacity of the system is discussed by a kind of power system reactive power balance rapid analysis method which uses the quantitative relation between the active transmission and the reactive power demand to rapid analysis reactive power balance.The simulation result indicates that when the transformer short-circuit voltage is improved，the 500 kV bus three phase short-circuit current can meet obvious limitations especially when system short circuit capacity increases.

ultra-high voltage（UHV）；transformer；short-circuit voltage ratio；short-circuit current；reactive power compen-sation

TM723

A

1003-8930（2015）05-0056-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.05.11

孙鸣（1957—），男，博士，教授，研究方向为电力系统继电保护。Email：hfsunming@sina.com

2013-09-11；

2013-11-15

石婷婷（1988—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化。Email：shitingting365@163.com

门富媛（1987—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化。Email：menfuyuan@163.com