限流装置对变压器抗短路能力提升作用分析

王 轩，龙 飞，张江超，陆 聪

（1.国网伊犁伊河供电有限责任公司，新疆伊宁 835000；2.安徽正广电电力技术有限公司，安徽合肥 230000）

0 引言

随着电网规模的发展和系统短路容量的不断增加，短路电流水平逐渐攀升，甚至超出了变压器的耐受阈值，给变压器绕组结构安全和稳定运行带来不利影响。变压器在受到短路电动力作用后会发生形变，当形变累积到一定程度时，会造成变压器绕组损坏。

为提高变压器抗短路电流能力，国内外电力工作者提出了多种方法和措施，例如采用分裂变压器、调整网架结构、改变系统运行方式等。电抗器作为限流元件，能够减小短路电流，并使短路瞬间系统的电压保持不变。

由电感器构成的限流电抗器，在交流系统中会对回路电流产生阻抗的作用，限制回路的电流大小。不过，由于电抗器是感性元件，如果一直处于限流的状态，则会消耗大量的感性无功功率，虽然可以对高压长距离输电线路进行无功功率补偿，但对于中低压配电系统来说，会对系统造成无功功率扰动、降低电能质量。为此，对限流电抗器加以改进，以避免无功功率的损耗。

分裂限流电抗器，可以在正常情况下保证流过两分裂支路的电流大小相等、方向相反，从而使两分裂支路电流所产生的磁场方向相反，可以互相抵消，理论上可以使限流电抗器的等值阻抗值降为零，将其对电力系统的影响降到最低。不过会因为工艺问题，实际的等值阻抗不为零，还是会造成一定的无功功率消耗。

此外，还有一种零损耗限流电抗器，它利用控制开关进行投切。当系统正常运行时，电抗器不接入线路。当系统发生短路故障后，限流电抗器开关进行转换，将电抗器投入系统进行限流。当系统恢复正常后，电抗器与系统断开连接。由于系统正常运行时电抗器不接入线路，因此可以实现无损耗。目前，在高、中压电网采用串联型零损耗限流电抗器限制变压器短路电流，已经成为最为有效的措施。

1 变压器短路电流电动力模型

变压器通过主磁场传递能量，进行电能—磁能—电能的耦合，从而实现功率传输。系统正常运行时，一次侧电场转换的磁场，并通过主磁通将其传递到二次侧，二次侧绕组再将磁场能转换为电场能。由于空气磁阻的作用，此时的漏磁通非常小，对绕组产生的电磁力也不大，不会造成绕组形变。而当系统发生短路故障，流过绕组的电流剧增时，所产生的磁通将有很大一部分通过空气间隙闭合，从而形成漏磁场。此时，变压器绕组被漏磁场包围并与漏磁场耦合作用。根据法拉第电磁感应定律，通电导体在磁场中会受到电磁力作用。因此，绕组会受到漏磁场电磁力作用而产生形变，短路电流越大，漏磁通密度也会越大，对绕组产生电磁力也越大。根据麦克斯韦方程组，推得短路时轴向平均漏磁磁密为:

据此可以得到变压器绕组辐向电磁力模型：

其中，I0max为短路冲击电流，W 为每相额定匝数，d为绕组平均半径，Hk为绕组电抗高度，ρ 为洛氏系数。

则变压器应力为:

其中，m 为相并联支路数，n 为并绕导线根数，Ax为单根导线的截面积。

短路辐向电动力瞬时值为：

其中，Kd为非稳定电流衰减系数，K1短路电流稳定值倍数。

短路冲击电流下的轴向电动力为：

其中，λ 为辐向漏磁宽度，ρs为辐向漏磁洛氏系数，Cpm为每区域匝数的百分比，

受轴向短路力作用，导线的轴向弯曲应力为：

式中，am为最大不平衡安匝百分比，a、b 为导线厚度与宽度。

据此，可以分析短路电流作用下变压器绕组在上述电动力影响下的形变。

2 零损耗限流电抗器作用机理

零损耗深度限流核心元件是电抗器，它主要由电感组成。不过，为达到零损耗运行状态，还需要给电抗器配置快速换流器、故障电流快速识别器及电流信号传感器（图1、图2）。

图1 零损耗限流器原理

图2 零损耗限流器系统仿真

图1 中，L1、L2 为限流电抗器，可以根据故障电流的大小来确定投入的阻抗；K1、K2 为快速投切开关，系统正常运行时二者均闭合，以隔离L1、L2，发生故障后K1、K2 根据需要投切；C1、C2 为分压器，CT 为电流互感器，用来监测母线电流。

系统正常运行时，L1、L2 均被隔离，不串入系统，因此也不会产生电压降与无功功率损耗。当系统故障时，电流信号传感器装置CT 将监测到的母线电流送入故障电流快速识别器中。当判定为故障电流时，根据电流幅值断开开关K1、K2 或者二者均断开，将电抗器L1 或L2 单独投入系统，或将二者同时投入系统，对短路电流进行限制，将短路电流降低至短路器可遮断容量范围内，保证变压器安全运行。故障消失后，K1、K2 闭合，切除限流装置，以保证其不会对系统造成影响。

由于要进行短路电流的监测与辨识需要消耗一定的时间，而短路故障作用时间越长对系统危害越大，因此需要K1、K2 能够快速响应。目前所研发的快速开关可以在7～8 ms 之内动作，当短路电流的第一次过零点时可以将L1、L2 串入线路，达到深度限流目的。采用真空断路器可以实现快速投切，保证在20 ms 内将电流限制在允许范围之内。事实上，零损耗深度限流装置可以由多个类似于L1、L2 的电抗器构成，可以达到足够深的限流效果。同时，多个电抗器还能克服电压波动问题。在正常运行条件下时，如果快速换流器误跳闸，还能利用快速识别器进行判断，自动控制其重新合闸，实现自愈。图3 为投入限流电抗器前后的某系统故障电流波形。

图3 限流电抗器投入前后故障电流

由图3 可以看出，投入限流电抗器后故障电流大幅下降，达到了系统限流要求。

3 案例分析

某系统使用的SFSZ9-40000/110 型变压器参数如表1 所示。

表1 SFSZ9-40000/110 型变压器参数

根据上述参数，利用COMSOL 对变压器进行三维结构建模（图4）。

图4 变压器绕组形变仿真模型

变压器铁芯和绕组网格划分剖分结果如图5 所示。根据系统实际运行参数计算出单相接地短路电流水平为变压器额定电流的3 倍。不投入限流电抗器时，在短路电流冲击下，变压器绕组形变仿真结果如图6所示。投入限流电抗器后，短路电流下降至额定电流的1.5 倍，此时变压器绕组形变仿真结果如图7 所示。

图5 变压器模型网格划分

图6 未投入限流电抗器时变压器绕组形变

图7 投入限流电抗器后变压器绕组形变

对比图6、图7 可知，投入限流电抗器后，变压器绕组形变从最大值4.22×10-4dm 下降到3.68×10-4dm，有效提高了变压器的动稳定性。

4 结束语

本文基于零损耗限流电抗器作用机理进行研究，通过对比投入限流电抗器前后，短路电流造成变压器绕组形变的仿真结果，验证了限流电抗器可以有效降低变压器短路电流水平，减小变压器绕组形变，有效提高了变压器抗短路电流电动力的能力。