240 MVA高阻抗主变压器在220 kV变电站中的应用研究

蔡燕　耿伟

摘 要：首先，介绍大型变压器出口短路电流的产生及影响，限制变电站10 kV母线短路电流的措施，南网标准设计中220 kV变电站采用240 MVA主变时低压侧限制10 kV短路电流的通用设计方案；然后，针对限制10 kV侧短路电流，基于一个具体项目对采用常规阻抗变压器加10 kV限流电抗器和采用高阻抗变压器两个方案进行讨论和对比，两种方案在短路电流水平、综合能耗上有差异；最后，从运行维护、经济性、电费损耗等角度进行分析，得出采用高阻抗变压器更加符合降低投资和能耗的要求，可为今后南网220 kV变电站240 MVA主变的选择提供更有价值的借鉴。

关键词：高阻抗变压器；综合能耗；经济性

中图分类号：TM401    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）13-0027-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.007

0    引言

电网容量逐步扩大，用电负荷增加，导致电网短路电流剧增，短路容量增大；而由于设计和制造过程中技术水平的限制，大型电力变压器抵抗出口短路冲击的能力不足。主变低压侧发生故障，将造成主变低压侧出口的短路电流水平超出10 kV设备制造水平，尤其是在使用大容量240 MVA变压器的220 kV變电站，影响更为严重。

配网设备承受的短路开断电流是25 kA，需将变电站10 kV母线短路电流控制在25 kA以内，因此必须结合变电站的具体情况采取相应的限流措施。通常降低10 kV短路电流的措施有：1）变压器低压侧分列运行；2）装设出线电抗器，但占据空间大，投资花费也极高；3）提高10 kV系统运行电压等级，但升级改造难度大；4）常规阻抗变压器10 kV出线加装限流电抗器；5）选用高阻抗变压器。在低压侧分列运行仍无法降低10 kV短路电流时，在南方电网的标准设计中，220 kV变电站240 MVA主变压器限制低压侧10 kV短路电流的主要设计方案是采用常规阻抗变压器加装限流电抗器[1]，该措施设备占地面积大，设备可靠性低，且未能从根本上解决主变低压侧出口短路电流大的问题。

本文以具体工程为例，针对常规阻抗变压器10 kV出线侧加装电抗器和高阻抗变压器两种方案，从主变10 kV出口短路电流水平、用地面积、综合能耗等方面进行分析和对比。

1    工程概况

220 kV某变电站最终建设规模为4×240 MVA主变，由220/110/10 kV三个电压等级构成。远景年归算到本站等值电路阻抗标幺值为：220 kV母线侧正序X1=0.007，负序X2=0.007，零序X0=0.013；110 kV母线侧阻抗为无穷大，高、中压侧4台主变并列运行，低压侧分列运行。

2    短路电流计算

根据南方电网企业标准Q/CSG 1107001—2018《35 kV～500 kV变电站装备技术导则（变电一次分册）》要求，为取得合理的经济效益，应从网架设计、采用的电压等级、主接线、变压器容量和阻抗的选择、运行方式等方面着手。变电站各级母线的短路电流水平限值：220 kV电压等级不超过50 kA，110 kV电压等级不超过40 kA，10 kV电压等级不超过25 kA。

南网标准设计中220 kV变电站选用240 MVA主变压器时，均按照常规阻抗变压器10 kV进线侧配置10%电抗率的10 kV限流电抗器设计，以达到限制10 kV母线短路电流水平的目的。优化结果一般采用两种阻抗的主变压器：Uk1-2%=14，Uk2-3%=21，Uk1-3%=35或者Uk1-2%=14，Uk2-3%=35，Uk1-3%=50。现在引入高阻抗变压器Uk1-2%=14，Uk2-3%=50，Uk1-3%=65的方案，计算3种规格变压器出口短路结果，如表1所示。

220 kV变电站主变中性点采用直接接地的方式，限制了单相故障短路电流水平，三相短路故障却会引起非常严重的后果，在短路电流冲击下，变压器会发生低压侧绕组严重变形、绝缘击穿等事故，因此变压器出口短路成为影响变压器安全运行的最重要因素之一[2]。

当采用高阻抗变压器时，主变低压侧10 kV母线短路电流为22.3 kA，无须设置限流电抗器即可满足低压侧短路电流要求。计算结果表明，限抗后，220 kV、110 kV母线短路电流分别小于50 kA、40 kA，10 kV母线短路电流小于25 kA，各短路点短路电流均满足南方电网短路电流限值要求。但采用更高阻抗变压器（Uk1-2%=14，Uk2-3%=50，Uk1-3%=65），不仅可取消10 kV限流电抗器的配置，将10 kV母线短路电流水平控制在25 kA内，同时降低了对变压器出口短路电流水平的要求，提高了主变抗出口短路电流能力，加强了电力系统的稳定性。

3    技术分析比较

下面从系统接线、平面布置、综合能耗、运行维护等方面，对上述3种阻抗电压的主变压器进行技术分析比较。

3.1    接线及平面布置

高阻抗变压器的接线比常规阻抗变压器的接线方式更加简单，给运维带来了极大的便利。采用高阻抗变压器10 kV出口侧不需要加装10 kV限流电抗器，与南网V3.0版典设220B-G2b模块的10 kV配电装置布置比较，纵向布置可减少5 m，主变至综合楼纵向距离至少可压缩5 m，横向为80 m，节约建筑面积约400 m2。

另外，从主变外形尺寸进行比较，主变厂家提供的220 kV主变240 MVA外形尺寸如表2所示。

可见，普通阻抗和高阻抗变压器外形尺寸差别不大，长和宽差别均不到1.5 m，南网标准设计中考虑主变的区域面积为19.8 m（长）×15 m（宽），均可以放置，节省了用地指标，不会因为采用高阻抗变压器而增加主变区域的占地面积。

3.2    综合能耗

采用常规阻抗变压器加10 kV限流电抗器，电能损耗除需考虑常规阻抗变压器的损耗外，还需要考虑限流电抗器的损耗以及限流电抗器室通风散热的风机损耗。

限流电抗器需安装在室内，由于设备发热比较大，因此需要在电抗器室内考虑通风散热措施。经核算，每间限流电抗器室需要配置2台功率为0.75 kW的风机。240 MVA常规阻抗变压器损耗为250 kW，每间电抗器室内的3台电抗器损耗为70 kW，风机损耗为1.5 kW，则单台变压器损耗总量为321.5 kW。

10 kV限流电抗器室布置在配电装置楼内靠主变侧，出于对主变防火要求考虑，综合楼内限抗器室和高压室之间的通道两侧的门均需采用防火门，防火门比较紧密，影响空气流动进走廊，限抗器室进风百叶在走廊侧墙上，进风量小，则风阻力大，为了抵消阻力，风机的功率需要加大，则实际损耗会比理论计算值还要大。

经咨询国内主要的主变供应厂家，根据项目需求，采用高阻抗变压器额定损耗可以做到315 kW，比常规阻抗变压器的损耗略高，但是不存在电抗器的损耗和通风设备的损耗，只考虑高阻抗变压器本身的损耗315 kW即可。

在綜合能耗方面，高阻抗变压器变低10 kV侧没有配置限流电抗器，而采用常规阻抗变压器需在10 kV侧加装限流电抗器。综合考虑，采用高阻抗变压器的损耗比采用常规阻抗变压器加限流电抗器的损耗总和要低，每年每台主变减少损耗电量约5.694万kW·h，按30年使用年限计算变压器损耗，则每台变压器在全寿命周期内减少损耗电量约170.82万kW·h。

3.3    运行维护

常规阻抗变压器投产后会产生10 kV限抗器及限抗器室内通风设备的维护问题，并且10 kV限抗器运行时产生的涡流效应会使得室内温度很高，当受限于建筑布局通风设备热量无法及时排出时，则会导致电抗器发生火灾等事故。10 kV空芯限流电抗器是干式型，构造比较简单，器身没有保护，在没有保护的情况下发生故障，也极易导致重大火灾事故。

长期以来，限抗器的设备质量和发热一直都是困扰设计和运行单位的问题，无法有效地解决限抗器室内的通风散热问题，如能减少10 kV限流电抗器的使用，则可彻底避免运维问题，并减少故障点的存在。

3.4    经济性和电费损耗

从建筑工程费、设备购置费、安装工程费、运维费用等工程造价方面对两种阻抗变压器进行经济性分析比较。高阻抗变压器和常规阻抗变压器安装工程费用一样，区别在于设备购置费，常规阻抗变压器每台约860万元，高阻抗变压器每台约1 000万元；常规阻抗变压器在变低侧需要加装10 kV限抗器，每台主变10 kV限抗器安装工程费用为33.5万元；每间限抗器室建筑工程费和室内铜排、通风等设备材料安装费用按照3 500元/m2（综合投资费用）概算考虑，节省面积400 m2，合计4间电抗器室综合投资费用140万元；投产后因限抗器室每年产生的运维费用按资产原值的2.5%计算约为5.5万元，设备使用年限为30年，则多增加运维费用165万元。综合投资费用包含建筑、通风、照明等内容，按4台主变规模考虑电抗器的安装，变压器按照本期投运2台考虑，则高阻抗变压器因没有产生电抗器室的投资费用，所以比常规阻抗变压器节省投资约80万元。

上述费用仅按本期新建2台主变规模进行对比，没有按照终期4台主变规模比较，高阻抗变压器比常规阻抗变压器设备费用高，但常规阻抗变压器加装限抗器的综合费用较高，且后期存在运维费用，而高阻抗变压器后期显然不会产生10 kV限抗器这部分运维费用。综合而言，采用高阻抗变压器更具有经济性。

针对220 kV变电站建设240 MVA主变压器，比较采用高阻抗变压器和常规阻抗变压器加限流电抗器两个方案的损耗：采用高阻抗变压器方案，按30年使用年限计算，每台主变减少损耗电量约170.82万kW·h。变电站首期按2台主变建设，按0.61元/（kW·h）电费核算，每年节约主变损耗费用约6.95万元，运行30年节约费用208.4万元。由此可见，使用高阻抗变压器方案不仅具有较好的经济性，节能降损效果也更加显著。

4    结束语

220 kV变电站240 MVA容量主变采用高阻抗变压器的方案限制出口短路电流和限制10 kV侧母线电流，相比采用常规阻抗变压器加10 kV限流电抗器方案，减少了占地面积，布置清晰，接线简单，减少了故障点，限制了变压器出口短路电流，提高了变压器抗短路能力，从而提高了系统稳定性、供电可靠性。240 MVA主变采用高阻抗变压器方案更为经济，更加节能降耗。

[参考文献]

[1] 南方电网公司35 kV～500 kV变电站标准设计[Z]，2017.

[2] 黄华.三绕组高阻抗电力变压器联合运行损耗的特征及温升考核方法探讨[J].变压器，2021，58（2）：24-29.

收稿日期：2023-03-02

作者简介：蔡燕（1978—），女，广西桂平人，工程师，研究方向：变电站电气设计。