扩容主变压器短路电流校核方法及安装要点

安徽省皖北煤电集团有限责任公司朱集西分公司 张乐乐

电能资源已成为人们生产生活中不可或缺的能源，其支撑着社会生活的正常运转，在用电需求不断提高的背景下，变压器的供电压力也逐渐提高[1]。为有效缓解这种压力，以满足用电需求为前提，变压器扩容处理成为了一种被广泛应用的变压器改进措施[2]。扩容处理主要是通过以主变压器为基础安装一定数量的扩容装置，提供其供电能力，并取得了良好的使用效果。但在实施过程中需要注意的是，短路电流的校核要具备较高精度，这样才能切实确保电力系统的稳定运行，确保供电安全[3]。

为了提高扩容主变压器短路电流校核的可靠性，罗鹏飞等人研究了在334MVA/500kV 条件下，自耦变抗供电系统的短路能力，以电路电力流校核的方式确定其运行极值[4]，取得了良好的研究成果，但主要是针对自耦变抗，应用范围存在一定局限性；陈鹤冲等人对发电机保护用断路器的动稳定电流值进行校核研究，并通过仿真测试验证了所提方法的有效性[5]，但其同样存在目标定位局限性较强的问题，对于大多数扩容变压器并不适用。

基于此，本文提出了关于扩容主变压器短路电流校核方法及安装要点的研究。通过研究主变压器绕组的受力情况，实现对短路电流的校核，并通过实验验证了所提方法的有效性。通过本文的研究，以期为实际扩容变压器的维护提供有价值的参考。

1 扩容主变压器短路电流校核方法

1.1 主变压器绕组作用力分析

要实现对扩容变压器电流的准确校核，首先要明确主变压器上受到的绕组作用[6]，综合其对供电系统电流的影响，提高对短路电流计算的准确性。

本文通过微分形式的Blot Savart 定律对主变压器在电流产生的磁场环境中受到的电磁力进行表观处理，其表示为f=(Bi)V。其中，V 表示主变的体积大小，Bi表示在i 电流条件下主变所收到的磁通密度，f 表示主变受到电磁力作用大小。加强对电容主变体积变化的范围，构建完整的磁力作用结构。观测此时电路中的电流是否处于额定状态，如果超出范围需要增加电阻进行管控，确保主变压器的正常运行。

按照左手定则，主变装置三者之间是以相互垂直的方式存在的、互相关联，在目标执行过程中，电压会发生反复地变化。此时主变与扩容装置之间的电动力可表示为F=λdf/(4πd)，其中，F 表示在i 电流条件下主变与扩容装置之间的电动力值，λ表示主变与扩容装置周围介质的磁导率，d 表示主变与扩容装置之间的距离。

当主变与扩容装置中都有电流流过时，在这两种装置间会产生相互作用的力。这种作用力覆盖范围是极大的，会对周围的设备和装置在无形中产生不同程度的压力，造成设备中电流量增强，电压无控制增加，严重的甚至会出现严重的关联性损坏，出现不可控制的经济损失。但是在特定的电力环境之下，两个装置之间的力也可是相互吸引的，说明装置中流过的电流为同向，如果排斥，则装置中流过的电流为相反的方向。需要注意的，在一次绕组和二次绕组之间会产生互相排斥的作用力，对原有的电磁力作用效果产生抵消。

这部分虽然可对电磁力进行有效地控制处理，但在预设的管控校核范围之内，还是要定期对电力设备以及装置进行维稳核验，每一个绕组单元之间预设监控设备，与变压器形成串联的状态，与此同时，在扩容电阻的作用之下，进一步控制整体的电力回流状态，确保校核结果的精准性与可靠性。因此，本文以内力和外力对变压器绕组的受力进行描述和分析。

其中，定义内力为绕组中单元之间的作用力，外力为不同绕组之间的作用力。两种力在基础环境之上是会发生排斥的，结合上面的分析不难看出，一旦出现排斥变压器短路概率便会增加，电流达到稳态之前，电流在不断变化的状态下会引起变压器不同部位出现受力变化。作用在变压器绕组上的力与电流之间的关系可表示为Fb=Fw-Fn=exp(λdf/4πd-Lf)i2，其中Fb表示主变绕组受力，Fw表示主变绕组受到的外力，Fn表示主变绕组受到的内力，L 表示绕组的直径。

1.2 短路电流校核

在上述基础上，可得到扩容主变噪声状态下的主要受力情况，但这种模式并不是固定的，通常会随着变压器的执行情况以及电容的变化状态更改受力的现状，同时控制电流的单相传输量，在合理的范围之内，增设绕组范围，以此为基础，在电压为零时扩容变压器会发生短路的故障问题，短路电流可表示为id=Fb/L2cosωt，其中，ω表示短路是电流在主变绕组中的运行速度，t 表示短路时间，id表示短路电流大小。在这种情况下，变压器绕组上受到的电磁力将在非周期分量、周期分量以及稳态分量上出现明显的衰减特征。

以此为基础，当变压器发生短路故障时，电路设备中的实际电压是极难控制的，并且整体的设备电路常会出现混电或爆电的状况，周期分量处于最大状态，其幅值达到了稳态分量的4倍，测试电路处于短路的状态，需测定电路中的额定电流，控制在合理的范围之内，并形成基础的主变绕组结构；在短路中间阶段，周期分量和稳态分量逐渐衰减，致使短路范围发生延伸、扩展，并在5～6个交流周期内衰减到极值，这部分表明电路的承压与电路控制效果存在问题，可采用双向重叠增压的方式，来营造更加稳定的电路执行情况。

同时，在变压器的安装区域增设双向控制电源，与主控电源形成并联控制的模式，随即在电路中还需安装监控装置，用来对电流的变化现状进行掌握，获取实时的变化数据，降低短路发生的整体概率。当短路即将完成时电流逐渐接近固定值，表明其短路的问题虽未扩散，但存在可控的途径，此时的主变受力（电磁力）也逐渐趋于稳定，并且在非周期分量、周期分量以及稳态分量也均处于稳定状态。在此过程中，变压器绕组受力的动态过程可表示为：(F～Fb)=F(λdf/(4πd)-Lf)id2/L2cosωt。在F 之间趋近于Fb的过程中主要受限于ib的变化，当其达到Fb时，则此时的ib则为扩容变压器的短路电流。虽然并不在额定的电流规范之内，但是由于主变容器的限制，可在电路中增加预设容量的电阻，分别设定在电路5个控制节点之中，每一个电阻的内置容量均是不同的，所限制的电路区域也是不同的。在校核之前，可先依据需求进行区域性的划定，增设核心点，并将每一个扩容电阻依据特殊的形式关联在一起，形成校核结构，避免短路问题的进一步延伸。

2 扩容安装要点分析

通过上文的计算不难看出，出现短路时电路的安全性主要是由主变的绕组决定的，因此为了提高电力系统的安全性，在对其进行扩容安装时，需要重点关注以下问题：

由于变压器受力的作用变化范围以低压侧容量为极值，但是在实际校核的过程中，仍然会出现高压侧容量极限侧绕的状况，需要设定限制的电阻，扩大变压器的作用覆盖面积，增强额定电流的传输途径，形成更加稳定、安全的校核环境。因此对于额定运行状态电流的选取，要以低压侧绕组为准。

扩容装置的阻抗选择要以电力系统短路的额定容量为准，为了降低短路问题出现的概率，需要设定层级性的电容阻抗模式，依据扩展的校核范围设定相对应的阻抗目标，对于额定电流的控制会更加稳定一些。但是需要注意的是，由于不同地点出现短路时造成的容量差异不同，导致扩容装置的阻抗也不同，所以在执行管控的过程中也要注意差异化选择。

3 试验测试

为了对本文提出的短路电流校核方法的实际应用效果进行测试，将其应用在实际的测试环境中，并将文献[4]和文献[5]提出的方法作为对照组。

3.1 测试环境

本文以某选煤厂为本次的试验对象，其地面110/10.5kV 主变电原安装两台容量为25000kVA的主变，主变电所需要的两回110kV 电源分别引自两座220kV 国网变电站，主变电主要为整个矿井及选煤厂提供生产用电电源。为了满足矿井的预计达量需求，主变负荷率难以适应其使用需求，根据现行相关规定对主变压器实施处理。选择2台容量为40000kVA 主变作为扩容装置，技术参数分别为：SFZ11-40000/110kV，110±8×1.25/10.5，40000kV，详情如表1所示。

表1 扩容主变压器容量设置

在上述基础上，分别采用三种方法计算110kV和10kV 条件下扩容变压器的短路电流。

3.2 校核结果

在上述环境下，三种方法的校验结果如表2所示。

表2 不同方法的短路电流校核结果

为了验证三种方法校核结果的可靠性，将其各自的计算结果作为输出电流值，观察电力体系的稳定性，其结果如图1所示。

从图1中可看出，对比三种方法的校核结果，本文方法的结果更加接近电力系统稳态的极值，文献[4]和文献[5]方法的计算结果状态下，电力系统的稳态均呈现出明显的下降趋势，表明其已经处于波动状态。表明本文核验的扩容变压器短路电流结果更加可靠。

图1 不同短路电流值对应电力系统状态

4 结语

随着对用电需求不断提高，原有的主变压器极有可能会出现无法满足使用需求的情况，以最小成本提高变压器的使用价值成为了现阶段的研究重点，其中扩容处理是主要手段之一。在实施扩容阶段，准确地短路电流校核是确保其稳定安全供电的重要基础。本文提出扩容主变压器短路电流校核方法及安装要点研究，校核的扩容主变压器短路电流具有较高的可靠性，并指出了在具体的扩容处理阶段的安装要点，以期为现实施工提供有价值的参考。