10．5／0．4kV干式变压器承受短路冲击电流能力的分析与研究

李烨，张瑜

（上海核工程研究设计院有限公司，上海，200233）

变压器厂家说明书中的突发短路试验电流值为44kA，低于设计规格书短时耐受电流65kA的要求。本文针对技术参数的偏差值，根据相关标准，通过理论计算的方法来分析变压器承受短路冲击电流的能力。

1 分析过程

1.1 计算变压器二次侧短路电流

变压器技术参数如下:

型号：SCB13-2500/10.5

容量：2500kVA、3125kVA（风冷）

额定电压（中压侧）：10.5kV

额定电压（低压侧）：0.4kV

短路阻抗：8%

短路电流的计算过程如下：

变压器一次侧的短路阻抗为：

根据GB 1094.5-2008，10kV电压等级的系统短路视在容量为500MVA。但是考虑到电厂运行的特殊性，其系统容量较大，故将系统短路视在容量增加到1500MVA。

高压绕组内的短路电流为：

变压器二次侧的短路电流为

通过以上的计算结果可以看出，由于变压器阻抗较大（为8%），因此具有较大的限流能力，系统短路视在容量为1500MVA（超过相关国家标准值3倍）的情况下，变压器低压出口侧的短路电流也只有44kA，远远小于65kA。

1.2 负荷中心母线短路时的变压器短路耐受能力分析

低厂变与低压负荷中心通过铜排连接在一起，负荷中心母线处发生三相短路（最严重故障）时，短路点处的大电流也会对变压器产生影响。

由表1可知，母线三相短路电流峰值：70.327kA，其有效值为7.0327/1.414=49.736kA。变压器短路电流峰值为51.077kA，其有效值为51.077/1.414=36.1kA，远小于44kA，因此变压器突发短路试验采用短路电流值44kA是合理的。

表1 ECS负荷中心母线处三相短路计算的计算结果

1.3 变压器罩壳内低压铜排承受突发短路的能力分析

GB 1094.5和IEC 60076.5中没有专门针对安装在罩壳内铜排的热稳定计算公式，故只能参考针对绕组的相关计算公式：

1.3.1 热稳定

式中，θ1—绕组短路t秒后的平均温度（按GB和IEC标准的规定其温度限值为350℃）；θ0—绕组起始温度；J—短路电流密度A/mm2

因为铜排直接裸露在空气中，其散热条件远优于被绝缘材料层层包裹或包封的高低压线圈，故铜排的温度要远低于线圈的温度，现假定铜排的温升为130℃（B级温升）。

按该变压器可能达到的最大短路电流为44kA（系统容量1500MVA时），该变压器低压侧的额定电流为3608.5A，按设计原则规定低压铜排的贯穿电流密度≤2.6A/mm2，故选取低压侧连接铜排的规格为120×12＝1440mm。（贯穿电流密度2.5A/mm2）

式中t—持续时间，按GB和IEC相关标准规定为2S。最终的计算结果为：

因此，突发短路电流时，变压器罩壳内低压铜排能够满足热稳定要求。

1.3.2 动稳定

对于动稳定，主要是考虑夹持铜排的夹件的数量和距离，按照惯例，两个夹持件之间的距离不能大于800mm,考虑到核电项目对产品可靠性的特殊要求，供应商在设计时，两个夹持件之间最大的距离按不超过700mm来设计。

1.4 变压器耐受短路冲击电流65kA能力分析

变压器基本技术参数：

式中Sr—变压器的额定容量：2.5MVA

Zt—在参考温度额定电流和额定频率下所测出的主分接短路阻抗：8%

Ur—所考虑绕组的额定电压：10kV（高压绕组）/0.4kV（低压绕组）

Is—系统短路电流：65kA

S—系统短路视在容量

Zs——系统短路阻抗

Zt—折算到所考虑绕组的变压器的短路阻抗

高压绕组：

I对称短路电流的方均根值：

高压绕组：

高压绕组铜带截面积：49mm2

低压绕组铜箔截面积：1670mm2

式中J—短路电流密度，A/mm2

高压绕组J=1756/49=35.84A/mm2

低压绕组J=43900/1670=26.28A/mm2

式中θ0—绕组起始温度，为155℃（即假定变压器在满载且温度环境为40℃时发生短路）

t—持续时间,按GB和IEC相关标准规定为2S

θ1—绕组短路（ts）后的平均温度℃

结论：根据GB 1094.5和IEC 60076.5中的规定铜绕组，且绝缘耐热等级为H级的干式变压器绕组在短路后的平均最大允许值为350℃。通过计算可知，该变压器的高低压绕组在短路后的平均温度远低于以上最大允许值。因此，该变压器承受短路的耐热能力是能够满足要求的。

2 对后续项目变压器短路耐受能力分析的借鉴意义

2.1 热稳定能力可通过下面四个步骤分析：

（1）对称短路电流的计算

变压器的短路电流是由额定电压、系统的短路阻抗和变压器的短路阻抗决定的。

（2）对称短路电流的持续时间。

（3）每个绕组平均温度的最大允许值。

（4）温度θ1的计算公式。

式中θ1—绕组短路t秒后的平均温度，℃

θ0—绕组起始温度，℃

J—短路电流密度，A/mm2

t—持续时间，s

2.2 动稳定能力

突发短路试验是对变压器制造的综合技术能力和工艺水平的考核，利用试验中强短路电流产生的电动力检验变压器和各种导电部件的机械强度。

3 后续项目变压器采购过程中的关注点

采用铜绕组，认真做好线圈制造的轴向压紧工作，短路阻抗值应综合考虑。高阻抗变压器短路电流小，受到的短路电动力小，安全系数较高，但是高阻抗变压器成本相对较高，体积较大，重量较大。

变压器阻抗的计算公式为

式中：f—频率；I—额定电流；W—主分接的总匝数；∑D—漏抗；ρ—洛氏系数；K—附加电抗系数；et—匝电势；H—电抗高度。

从以上公式可以看出：增加线圈的匝数是提高短路阻抗值的有效手段。但是随着匝数增加，变压器的用铜量也会相应增加，进而增加变压器的材料成本。

4 结论

在后续变压器的采购环节中，采购技术协议书中应明确要求提供同型号变压器的抗短路能力型式试验报告，对变压器线圈材质、制造工艺等提出具体要求，并加强制造过程中的工艺管控。