抗短路能力不足变压器实地运行风险评估方法
2020-09-02曾磊磊
朱 麟，王 鹏，曾磊磊，童 超
（1.国网江西省电力有限公司景德镇供电分公司，江西景德镇 333000；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西南昌330096）
0 引言
随着电网规模不断扩大，当变压器遭受近区短路时，流经变压器的短路电流可激增到额定电流的几倍至几十倍，对变压器绕组形成额定负载时几百倍的电动力、热冲击，严重考验变压器的动稳定和热稳定能力，是造成变压器故障的主要原因之一。据统计，近5年来国家电网公司变压器故障中，因外部短路引起的变压器损坏故障占30%以上[1]。
为防范外部短路引起变压器损坏故障，国网公司正在大力推行加强66kV及以上电压等级变压器抗短路能力校核工作。变压器抗短路能力是反映变压器绕组经受短路电流作用时保持动、热稳定的关键指标[2]。开展抗短路能力不足变压器实地运行风险评估，有序有效地开展治理工作，是保障变压器安全可靠运行的关键，也是确保设备本质安全，铸造坚强智能电网的基础。
1 考虑实际运行方式的计算模型
目前，变压器抗短路能力计算主要依据文献[3]，但其中所介绍的短路电流计算方法，并没有考虑主变的运行方式，计算得到的短路电流只是根据系统短路阻抗与主变自身短路阻抗计算直接计算得到。在实际运行中，大部分变电站都存在多台主变并列运行情况。当发生短路故障时，短路点的故障电流以及流经变压器绕组的短路电流，也因运行方式不同而存在差异。那么，计算短路点的故障电流以及流经变压器的短路电流则需要具体问题具体分析。
因此，本文以不同并列方式的三台相同参数的变压器为例，对故障点的短路电流及流经变压器绕组的电流进行建模分析。需要特别说明的是，本文计算过程中，只考虑变压器高压侧供电，中、低压侧均无电源。事实上，根据目前系统中降压变压器实际运行情况，该假设是可行的。
1.1 高、中压并列，低压分列运行，低压短路
三台主变高、中压并列运行，低压分列运行，其中1号主变低压侧发生三相短路，如图1，其等值电路图如图2。
图1 高、中压并列，低压分列运行，低压短路
图2 高、中压并列，低压分列运行，低压短路等值电路
由图2可知，由于三台主变中压侧并列运行，当其中1号主变低压侧发生三相短路时，2号、3号主变均通过并列运行的中压绕组，向短路点提供短路电流。那么，此时短路阻抗ZS为：
根据约定，三台主变参数相同，进一步计算得到：
1.2 高、中、低压并列运行，低压短路
三台主变高、中、低压并列运行，其中1号主变低压侧发生三相短路，其等值电路图如图3。
图3 高、中、低压运行，低压短路等值电路
由图3可知，由于三台主变高、中、低压侧均并列运行，当主变低压侧母线发生三相短路时，1号、2号和3号主变均向短路点提供短路电流。那么，此时短路点等效短路阻抗ZS为：
进一步计算得到：
1.3 高、中压并列，低压分列运行，中压短路
三台主变高压并列，中、低压侧分列运行，其中1号主变中压侧发生三相短路，等值电路图如图4。
图4 高、中压并列，低压分列运行，中压短路等值电路
由图4可知，由于中压侧分列运行，当1号主变中压侧发生三相短路时，2号和3号主变均可向短路点提供短路电流，此时短路点等效短路阻抗ZS为：
进一步计算得到：
2 实地运行风险评估方法
目前，国网变压器抗短路中心开展变压器抗短路能力校核是依据GB1094.5—2008计算方法确定变压器可能发生最大短路电流，即考虑单台主变运行下高-中、高-低、中-低三种运行工况，然后依据最大短路电流及变压器结构参数复核变压器动、热稳定性。变压器实地运行风险评估主要是依据变压器厂家或国网变压器抗短路中心提供的变压器允许承受最大短路电流与可能发生最大短路电流进行判断，评估过程见图5。
1）依据GB1094.5—2008计算重点管控变压器中压侧可能发生的最大短路电流IMG，若未超过中压侧允许承受短路电流IM允，则判断中压侧无运行风险；若超过中压侧允许承受短路电流IM允，则需进一步核实该主变中压侧是否存在电源上网；
2）若变压器中压侧有电源上网，则可直接进行风险分级；若中压侧无电源上网，则仅考虑高-中运行、中压短路工况计算中压侧可能发生的最大短路电流IM可，若未超过中压侧允许承受短路电流IM允，则判断中压侧无运行风险；若超过中压侧允许承受短路电流IM允，则进行风险分级；
3）中压侧运行风险分级，分级方法如下：以允许承受最大短路电流IM允与可能发生最大短路电流IMG之比作为目标参数，并依据该目标参数将变压器实地运行风险分为A、B、C、D、E、F六类，见表1。
表1 变压器分级方法
4）依据报告第2部分提供的计算模型，即考虑重点管控变压器实际运行方式（高中压侧并列、低压侧分列运行最为常见），计算低压侧可能发生最大短路电流IL可，若未超过低压侧允许承受短路电流IL允，则判断低压侧无运行风险；若超过低压侧允许承受短路电流IL允，则需进一步核实该主变低压侧是否加装限流电抗器；
5）若低压侧未加装限流电抗器，则直接进行风险分级；若低压侧加装限流电抗器，则应考虑限流电抗器的影响，重新计算低压侧可能发生最大短路电流IL限，若未超过低压侧允许承受短路电流IL允，则判断低压侧无运行风险；若超过低压侧允许承受短路电流IL允，则进行风险分级；
6）低压侧运行风险分级，分级方法如下：以允许承受最大短路电流IL允与可能发生最大短路电流IL可之比作为目标参数，并依据该目标参数将变压器实地运行风险分为A、B、C、D、E、F六类，见表1。
7）确定重点管控变压器风险等级：综合考虑中、低压侧风险分级，选取风险等级最高者作为重点管控变压器风险等级。
图5 变压器实地运行风险评估流程
3 实地运行风险评估案例分析
3.1 主变参数
主变型号：SFPSZ9-150000/220；
容量比：100/100/50；
电压分接头：（220±8×1.25%）/115/10.5 kV；
阻 抗 电 压 ：Uk（H-M）=14.6%，Uk（H-L）=24%，Uk（M-L）=7.43%；
联接组别：YNyn0d11；
厂家提供主变三侧允许承受短路电流：高压侧3.26 kA、中压侧3.93 kA、低压侧21.8 kA。
3.2 运行风险等级评估
3.2.1 GB1094.5算法
依据GB1094.5-2008：220 kV系统短路容量为18 000 MVA，10 kV系统短路容量为9 000 MVA。
高压侧线路阻抗UkH=100×150/18 000=0.83
中压侧线路阻抗UkM=100×150/9 000=1.67
短路工况1：高压侧供电、中压侧三相短路
高压侧最大短路电流：
中压侧最大短路电流：
短路工况2：中压侧供电、低压侧三相短路
中压侧最大短路电流：
短路工况3：高压侧供电、低侧三相短路
低压侧短路电流：
即高压侧最大短路电流为2.55kA、中压侧最大短路电流为8.28kA、低压侧最大短路电流为33.18kA。
评估结果：高压侧满足运行要求，中、低压侧不满足运行要求。
3.2.2 考虑实际运行方式的算法
基准容量为：Sj=100MVA，基准电压为Uj=220kV。
系统远景2030年最大方式下，220 kV母线三相短路正序阻抗标幺值为XC=0.00 686。
计算变压器各绕组等值电抗：
主变各侧绕组电抗折算至标幺值为：
实际运行方式：该站2台主变运行，运行方式采用高中压并列、低压分列运行方式，高压侧单侧供电，等值电路如图6所示。
图6 短路点设置情况
短路工况1：中压侧三相短路
两台主变等值阻抗：
短路回路阻抗：
短路容量：
流经每台主变中压侧的短路电流IscM=1/2×Istotal-k2=4.5 kA；
高压侧短路电流IscH=4.5×115/220=2.35 kA；
短路工况2：低压侧三相短路
两台主变等值阻抗：
Xs=0.1039//（0.1039-0.00657×2）+0.0561=0.105；
短路回路阻抗：
流经主变低压侧短路电流IscL=Itotal-k3=49.36 kA；
短路容量：
即高压侧最大短路电流为2.35 kA、中压侧最大短路电流为4.5kA、低压侧最大短路电流为49.36kA。
评估结果：即使主变中压测无电源供电，中压侧仍不满足运行要求；主变低压侧短路电流大于单台主变运行工况，不满足运行要求。
3.2.3 低压侧短路电流考虑限流电抗器的影响
为了限制主变低压侧短路电流，在主变低压侧加装限流电抗器，电抗器型号XKSCKL-10-3500-6、电抗XL=0.1 023 Ω。
短路回路阻抗：
流经主变低压侧短路电流I'scL=I'total-k3=25.73 kA；
短路容量：
即低压侧最大短路电流为25.73 kA。
评估结果：主变低压侧增加0.1 023Ω限流电抗器后，仍不满足运行要求。
综上所述，该站1号主变与2号主变采用高中压并列、低压分列运行方式，高压侧单侧供电，低压侧串联0.1 023 Ω限流电抗器，中、低压侧短路电流均大于厂家提供的允许值，均存在运行风险。
3.2.4 风险分级
中压侧短路电流百分比F1=3.93/8.28=46.2%，风险为E级；低压侧短路电流百分比F2=21.8/49.36=44.2%，风险为E级。
风险等级评估结果：该主变运行风险为E级。
4 结语
本文分析了考虑实际运行方式的变压器短路电流计算模型，并与GB1094.5计算模型进行了对比，对比发现两种计算模型得出的流经变压器中、低压侧短路电流存在一定差异，而考虑实际运行方式的变压器短路电流计算模型更适用于变压器实地运行风险评估；基于变压器实际运行方式、中压侧电源上网情况及低压侧限流电抗器加装情况，提出了实地运行风险评估方法，并给出了评估案例，评估结果可直接指导变压器检测决策。
