应用高阻抗变压器限制系统的短路电流

苏国友，袁军芳

(马鞍山钢铁股份有限公司,安徽马鞍山 243000)

引言

冶金企业配电系统的一个主要特点是:供电变压器容量大，负荷集中；供电线路多为大容量、长度短的电缆；电动机负荷多，构成电动机群组。此外，冶金企业为解决蒸汽问题，大都建设了集供热和供电于一体的热电厂。20 世纪90 年代起，高炉TRT、焦炉CDQ、烧结余热发电等能源综合利用小发电机组成为企业电力系统的标配，且基本都在就近的总降类变电所中低压母线并网。进入21世纪后，为保护环境，发展循环经济，建设了燃气蒸汽联合循环发电机组即CCPP 发电机组。上述情况，导致冶金企业中低压配电系统母线短路容量逐步上升，甚至达到或超过在役开关的开断能力限值，严重影响系统安全和人身安全。

1 变电所概况

某企业110 kV 烧结总降变电所建于20 世纪90年代初期，安装有2 台31.5 MVA、电压为110/10.5/6.3 kV 的变压器。变电所设备均为屋内布置，占地约（90×60）m2，主变压器室与10 kV、6 kV 开关室紧邻，只有2 m 左右的母线通道相隔，10 kV 和6 kV 系统采用了GG1A 高压开关柜。随着公司产线改造及产能增加，2001 年和2002 年分别将2 台变压器增容到50 MVA，2003 年第二台烧结机建成投运，2005 年投运了1 套17.5 MW 的余热发电机组，并网于该站所10 kV 母线。变电所10 kV 和6 kV 母线最大短路电流分别由最初的15.14 kA和15.90 kA增加到目前的27.86 kA 和27.12 kA。随着国家钢铁去产能的推进，公司生产结构的调整及环保设施的增加，为提高供电可靠性、消化自发电,2013年，烧结总降变电所10 kV 和6 kV 原GG1A 开关柜更新为KYN28-12 中置柜，同时，将开关的开断能力由31.5 kA 提升到40 kA。现有50 MVA 变压器供电能力日趋紧张，无法满足N-1 方式下的供电需求，为此，决定将目前运行的50 MVA 变压器再次增容到63 MVA。

2 新变压器阻抗的选择

该总降变电所下有十余座10 kV、6 kV 高配室，开关的开断能力均为31.5 kA。大部分供电线路为大截面多根并联的铜芯电缆，长度在100～500 m 不等，导致近距离高配室的短路容量与总降相差无几。如果按常规的变压器来选择各绕组间的短路阻抗（一般为10.5%/18%/6.5%），经计算其总降变电所10 kV、6 kV 母线的短路电流达到33.12 kA 和38.96 kA,无法满足下级厂矿开关设备的开断能力要求，且6 kV 系统的短路电流已接近总降变电所6 kV开关的开断能力。为保证系统及人身安全，必须对10 kV、6 kV 系统的短路电流水平加以限制，以满足开关开断能力要求。

文献[1]介绍了5种限制短路电流的方法，但就该项目，都不适用。如前所述，由于该总降变电所全部电气设备为屋内布置，现场不具备安装大电流（4 000～6 000 A）限流电抗器的空间，且限流电抗器会造成系统接线复杂，降低系统供电的可靠性。后经与变压器制造商交流、讨论与比较，决定选用高阻抗变压器，以达到限制短路电流，解决现场无法安装大型限流电抗器的问题，并满足各级开关31.5 kA 的开断能力要求，同时缩短设备更新改造的工期。

结合总降变电所运行方式及负荷情况，经试算，63 MVA 变压器拟选择高-中、高-低、中-低之间的短路阻抗分别为13.5%、24%和9.5%（到货变压器的实际短路阻抗分别为13.15%、24.61%和9.35%），这时总降变电所10 kV、6 kV 母线的最大短路电流分别为27.86 kA 和30.55 kA，基本满足要求。2016年7月完成变压器的更新安装。

3 推广应用

该企业另一座高炉总降变电所，亦建设于20世纪90年代初期，电气设备同样为屋内布置，配置了2台31.5 MVA、110/6.3 kV 的变压器，该变电所也是公司热电厂接入系统的变电所。由于后期建设了TRT发电机组，并网于6 kV 母线，造成6 kV 配电系统短路电流超标。为此2002 年对6 kV 开关室屋顶进行加固改造，增加安装了8%的户外限流电抗器，串接在变压器低压侧和6 kV 进线柜之间，并对连接母线做了绝缘处理。尽管如此，该户外限流电抗器仍然发生因孔明灯落在连接母线上，引发相间短路事故，造成变压器差动保护动作，6 kV 母线失电，对高炉生产造成冲击。同时因变压器服役时间长，器身渗漏油严重。结合设备更新改造及烧结总降变电所高阻抗变压器更新和运行经验，2019 年选择了短路阻抗为18%的高阻抗变压器（到货变压器的实际短路阻抗为17.91%），更新了现有的31.5 MVA 常规阻抗的变压器，并取消了户外限流电抗器。

4 高阻抗变压器参数选择与运行存在问题及解决思路

在上述计算中，均未考虑烧结同步电机及高压异步电动机群对短路电流的影响。根据《三相交流系统短路电流计算 第1 部分 电流计算》（GB/T 15544.1-2013），具有励磁调节器的同步电动机对短路电流的贡献应视同发电机。此外由于冶金企业大量安装使用了高压异步电动机，组成电动机群，按照上述国标计算要求，在满足一定条件下，亦应考虑异步电动机对短路电流的影响。如果考虑上述两个因素，则烧结总降变电所10 kV、6 kV 母线对应的短路电流为36.5 kA 和34.5 kA。如此大的短路电流对开断电流为40 kA 的开关而言，安全余量有限，因此在烧结总降变电所出线发生三相短路后，需要对跳闸断路器进行严格的性能测试。作为教训，应综合考虑负载的性质，合理选择变压器的阻抗电压，进一步降低系统的短路电流。

高阻抗变压器的应用，限制了系统的短路电流，保证了系统的安全运行，降低了中低压系统短路对上一级电网的冲击。但对于负荷变化较大的高阻抗变压器，可能会造成中低压侧电压偏差或波动超标，图1、图2 分别是高炉总降变电所变压器某日负荷电流变化曲线和对应的6 kV 母线电压变化曲线。

图1、图2 显示，约18:30，由于变压器负荷下降（实际是TRT 发电机在6 kV 并网），其运行电压值上升，基本维持在6.5 kV 左右，最大值约6.58 kV，依据《电能质量供电电压偏差》（GB/T 12325-2008）计算系统的最大电压偏差为：

图1 高阻抗变压器负荷变化曲线

图2 高阻抗变压器负荷变化引起的电压变化曲线

可见，其偏差已大大超过上述标准规定的±7%限值，对系统的安全稳定运行造成一定风险。因此，运行值班或调度人员需要对系统电压进行监视，发现异常及时调整变压器的分接头，维持系统电压在规定的范围内。