黄金峡电站、泵站主变低压侧限流方案研究

张 蕾，毛 敏

对于变压器容量较大，低压侧电压较低的电气工程往往存在变压器低压侧短路电流过大的问题。为了减小该短路电流，以便选用合适的开关设备，需采取一定的限流措施。限制短路电流最简单的方法是采用合理的运行方式。若此方式不能满足要求，可采取装设限流电抗器并接快熔开关或采用阻抗较高的变压器，也可采用分裂变压器等方式[1]。本文结合工程实际情况，通过电气接线结构和短路电流计算等技术经济指标对三种方案进行研究比选。

1 工程概况

黄金峡电站和泵站是陕西省引汉济渭工程黄金峡水利枢纽的重要组成部分。泵站位于枢纽坝后左岸，安装单机容量18 MW同步电动机七台，运行方式为六用一备，总装机126 MW，运行总容量108 MW。电站位于枢纽右岸泵站下游，安装单机容量45 MW的水轮发电机组三台，总装机容量135 MW。

电站、泵站共用一个110 kV升压站，采用两回110 kV线路接入330 kV洋县变电站，升压站采用双母线接线形式。3台发电机分别和3台变压器组成3个单元接线，在发电机和主变压器之间装设发电机断路器，每台发电机端分别引出一段母线，形成三段发电机电压母线，三段母线之间均采用分段断路器连接，三段发电机电压母线分别连接3台、1台、3台水泵电动机。电站和泵站共装设的3台主变压器，容量均为63 MVA，电压为 121±8×1.25%/13.8 kV。

2 限制短路电流的必要性

短路故障是电力系统常见的故障之一，其短路电流严重影响系统及电气设备的安全稳定运行。因此，发生短路时要求快速切除故障，缩小影响范围。短路时，强大的短路电流所产生的热和电动力效应会使电气设备受到破坏，短路点的电弧可能烧毁电气设备，短路点附近的电压显著降低，使供电受到严重影响或被迫中断。研究表明，短路电流越大，高压断路器开断电弧时的电流越大，过大电流引起电弧温度升高，造成电弧熄灭困难。如果燃弧时间过长，将烧坏开关金属触头，严重时甚至造成电力系统事故，影响电力系统安全运行。因此需要采取合理的措施来限制短路电流。

根据工程规模，黄金峡泵站属Ⅰ等大型工程，地位重要，工程供电可靠性要求高。虽然在工程主接线设计方案中已经考虑采用变压器分列运行的方式来降低短路电流，但是经计算，采用阻抗电压为10.5%的常规双绕组变压器，变压器低压侧13.8 kV母线最大暂态短路电流有效值为49.05 kA,短路电流冲击值为131.94 kA。主变低压侧短路电流仍处于较高的水平，故需要研究其限流方案。

3 主变低压侧限流方案

由于短路电流与短路阻抗成反比，而短路电动力与短路电流的平方成正比，所以短路电动力与短路阻抗倒数的平方成正比。由此可知，通过提高短路阻抗来降低短路电流以达到降低短路电动力的效果非常显著。

在一些工矿企业采用在主变低压侧装设限流电抗器并接大容量快熔开关的方式来限制短路电流。由于快熔开关阻抗很小，所以正常情况下电流经快熔开关流过，短路时快熔开关在20 ms内熔断，短路电流流过限流电抗器，起到限流作用。这种措施既避免了正常情况短路电流流经限流电抗器引起的损耗，又有效地限制了短路电流，但由于其接线复杂且占地面积较大，适用于厂房面积较大的工程。

据调查，在电力系统及一些终端变电所，对大容量主变采用高阻抗变压器来限流，即将变压器阻抗加大，加大了变压器的电压损失和无功损耗，有功损耗变化不大，变压器尺寸变化也不大，与加装限流电抗器相比，占地面积大大减少，在主变容量大于50 MVA的变电所效果显著。

另外，采用分裂变压器也是限制短路电流的有效措施。把变压器低压绕组分成两个相等容量的绕组，可大大增加各个分裂绕组和分裂绕组间电抗。对于常用的110 kV分裂变压器其分裂绕组的电抗为2×10.5%=21%（110 kV普通双绕组变压器的标准电抗为10.5%），而分裂绕组间的电抗为4×10.5%=42%，从而使低压短路电流比普通双绕组变压器降低。但是，分裂变压器与普通变压器相比，在容量、电压等级、调压范围相同的情况下，材料消耗较多（如硅钢片，线圈用铜量等），从而使变压器成本有所增加。根据国外运行经验，采用分裂绕组变压器以增大变压器的阻抗值是限制短路电流切实可行的方法[2]。

4 限流方案经济技术比较

针对主变低压侧限流问题，下面从技术和经济两个方面对该工程采用主变低压侧加装限流电抗器并接快熔开关，高阻抗变压器和双分裂变压器三个方案进行分析比较。

4.1 电气接线结构

方案一采用阻抗为Uk=10.5%的常规双绕组变压器三台，三个单元接线的发电机与主变压器之间加装限流电抗器并接快熔开关，三段发电机母线分别连接3台、1台、3台同步电动机。方案二采用阻抗Uk=18%的高阻抗双绕组变压器三台，发电机与主变压器采用单元接线，三段发电机母线分别连接3台、1台、3台同步电动机。方案三采用三台分裂绕组变压器，两个低压分裂绕组其中一个绕组接发电机，另一绕组接同步电动机母线，组成扩大单元接线。同步电动机仍然按3台、1台、3台的分配方式与低压分裂绕组连接。接线如图1。

图1 电气接线图

经研究，以上三个接线方案均能满足工程需求。方案一二电动机母线均从发电机出口引接，方案一采用限流电抗器并接快熔开关，相比其他两个方案增加了限流电抗器和快熔开关，接线结构相对复杂。方案三采用分裂绕组变压器，电动机母线直接从主变压器低压侧引接，与发电机没有直接联系。与方案一、二相比，若主变压器至发电机出口断路器之间线路故障，方案三供电可靠性更高。

4.2 短路电流计算

根据电力系统参数，按系统最大运行方式下，正常接线方式发生三相短路最严重的情况来计算黄金峡电站、泵站短路电流[3]。

方案一变压器采用阻抗电压Uk=10%的普通阻抗变压器，可根据需要选择合适的电抗器将短路电流限制到需要的值。方案二取变压器阻抗电压Uk=18%，方案三采用分裂绕组变压器，取分裂变压器穿越电抗X1-2=10%，分裂系数Kf=3.5，根据计算参数，计算各元件阻抗标幺值如图 2。

图2 短路阻抗图

经计算，方案一加装限流装置，电动机母线的短路电流降低34.7%。方案二的变压器阻抗由10.5%提高到18%,电动机母线电压的短路水平下降到42.32 kA，下降幅度为13.9%。方案三采用分裂绕组变压器，电动机母线电压的短路水平下降到25.55，下降幅度高达47.91%。一般情况下，断路器不可能在短路0秒瞬时开断，需要一定的开断时间，当断路器在0.06秒开断时，短路电流会进一步降低。显然，从限制短路电流角度考虑，方案二对于限制短路电流有一定作用，但方案一采用限流电抗器和方案三的限流作用更为显著。短路电流计算结果如表1。

表1 短路电流计算结果

4.3 综合技术经济比较

方案一由于增加限流设备，占地面积大大增加（每套限流装置增加约70 m2），工程投资也随之增加。方案二变压器阻抗电压增高，可使变压器本体的短路冲击电动力减少，大大降低变压器受电动冲击破坏的几率，但要加大变压器尺寸。方案三由于分裂变压器采用两个低压绕组，硅钢片和线圈材料消耗较多，从而使变压器损耗和成本有所增加。

从设备价格考虑，发电机出口断路器由于在直流分量、开断次数等技术性能上比普通断路器高很多，发电机的电感值较系统相对要大，作为保护，断路器在瞬间所承受的直流分量和衰减时间常数均大得多，所以在价格上要远高于普通断路器。因此在方案经济比选时，把发电机出口断路器和主变压器一并作比较。三个方案技术经济比较见表2。

表2 三个方案的技术经济比较表

5 结语

经过分析研究，三个方案在限制短路方面均有一定效果。方案一虽然主变压器价格最低，但是由于增加限流装置，不仅增加占地面积，而且该方案接线复杂，土建投资也大大增加，虽然在某些变电站已有应用，但不适用于副厂房面积较小的黄金峡电站。方案三限制短路电流效果显著，但是分裂变压器制造成本高，损耗较前两个方案增加较多。另外，我国对分裂变压器的研究和制造应用起步较晚，这类变压器主要用在火电厂厂用系统和光伏发电系统中，作为主变压器应用实例相对较少，需进一步研究其应用的细节问题。方案二采用高阻抗变压器在磁密、电密不变时提高阻抗会增加损耗，在目前国家标准还没有发布高阻抗变压器是否允许提高空载损耗和负载损耗的情况下，高阻抗变压器一般会采取降磁密电密措施，其损耗与方案一相当。占地面积相比方案一大大减少，一次性投资最低。综合比较，方案二是限制黄金峡电站泵站主变低压侧短路电流的最优方案，推荐采用。

另外，该工程目前还处在设计阶段，电气设备参数有可能与实际不同，但是系统参数不会发生变化，其研究方法对类似工程有一定的借鉴意义。

[1]解新民.黄金峡泵站、电站电气主接线设计有关问题的研究[J].陕西水利,2012.03.

[2]王世荣.分裂变压器的特点及运行[J].四川电力技术,2001.11.

[3]弋东方等.电力工程电气设计手册电气一次部分[M].北京：中国电力出版社，1989.