特高壓變壓器突發短路試驗的可行性分析

洪深++鄭占鋒++萬德春++胡冠++汪海波

摘 要：在全球能源問題日益嚴峻的形勢下，特高壓交流輸電技術將獲得大量應用。特高壓變壓器作為輸電線路的重要設備之一，其質量和可靠性直接關系到電力系統的安全穩定運行。目前，特高壓變壓器的抗短路電流能力還需依賴仿真驗證的方式。該文從變壓器短路試驗要求出發，對1 000 kV等級特高壓變壓器開展短路試驗的技術方案及最小系統需求進行了分析，并提出了大致的設備投資規模。

關鍵詞：特高壓 變壓器 突發短路試驗 IEC 60076

中圖分類號：TM723 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（c）-0013-04

Abstract：As the global energy problem becomes more and more severe， the ultra-high voltage （UHV） AC transmission technology will get a large number of applications. The UHV transformer， as one of the important equipment of the transmission system， its quality and reliability is directly related to the safe and stable operation of power system. At present， the ability to withstand short circuit of the UHV transformer still need have the aid of calculation and simulation. Based on transformer short-circuit test requirements， the technical scheme and the minimum test system requirement of the UHV transformer short-circuit test were analyzed respectively， and the equipment investment scale was put forward approximately.

Key Words：Ultra high voltage； Transformer； Short-circuit withstand testing； IEC 60076

隨著用電負荷的不斷增加，電力系統輸電規模越來越大。特高壓交流輸電技術以輸送容量大、送電距離長、線路損耗低、占用土地少等特點，在遠距離大容量輸電領域獲得青睞[1]。截至2016年9月，商業運營目的的特高壓交流輸電工程投運4項，在建3項，全部采用我國自主研發的1 000 kV等級特高壓輸電技術。可以預見，隨著全球能源互聯網建設的不斷推進，特高壓交流輸電技術將獲得越來越多的應用。

特高壓變壓器作為輸電線路的重要設備之一，其質量和可靠性直接關系到電力系統的安全穩定運行[2]。目前，特高壓變壓器的抗短路電流能力還需依賴仿真驗證的方式。

專門用于檢驗變壓器承受短路故障能力的試驗項目為突發短路試驗，是利用試驗系統產生的短路電流來考核變壓器的動穩定性，是對變壓器綜合技術能力和工藝水平的考核[3，4]。目前，我國開展大型電力變壓器突發短路試驗的機構主要有沈陽變壓器研究所和蘇州電器科學研究院。沈陽變壓器研究所最高可對220 kV等級變壓器開展短路試驗，蘇州電器科學研究院最高可對500 kV等級變壓器開展短路試驗。國際上，KEMA和CESI目前最高可對500 kV等級變壓器開展短路試驗，遠期KEMA可對750 kV等級變壓器開展試驗[4，5]。總之，世界范圍內尚無任何機構具備1 000 kV特高壓變壓器的突發短路試驗能力。

該文從變壓器突發短路試驗要求出發，對1 000 kV等級特高壓變壓器開展短路試驗的技術方案及最小系統需求進行了分析，并提出了大致的設備投資規模。

1 變壓器突發短路試驗

標準IEC 60076-5中，明確規定了雙繞組變壓器進行短路試驗時的非對稱電流峰值和對稱電流均方根值。而對于多繞組變壓器和自耦變壓器，需要根據對所有可能出現故障情況下短路電動力計算結果的分析來選擇試驗工況[3]。而該文的重點是試驗系統的需求分析，因此僅以雙繞組變壓器為例進行分析。

1.1 標準要求

由標準IEC 60076-5可知，變壓器短路試驗的對稱電流均方根值It需滿足下式，

其中，S為系統短路視在容量，US為系統標稱電壓，Is為系統側短路電流，ZS為系統短路阻抗，Sr為試品變壓器的額定容量，Ur為施壓繞組的額定電壓，Uk為折算到施壓繞組側的短路阻抗百分數，Zt為折算到施壓繞組的試品變壓器短路阻抗，I為施壓繞組在額定容量下的短路電流值，Ut為額定短路電流下施壓繞組上承受的電壓，U2為加到施壓繞組上的試驗電壓，Zr為折算到U2側的系統短路阻抗，It為U2試驗電壓下繞組的對稱電流均方根值。

正常情況下，It應該等于I。當試驗系統容量有限時，可以取最大允許負偏差來放寬要求。標準規定試驗電流峰值偏離規定值應不大于5%，而對稱電流偏離規定值應不大于10%。即使考慮到大型電力變壓器使用場合中，系統感抗與電阻之比要大于該變壓器的對應值[6]，相應的峰值系數會較大，但是90%對稱電流試驗條件下生成95%的峰值電流仍然較難。因此，對稱電流也最多取5%的負偏差，式（5）中0.95·I為滿足標準要求的It最小允許值。

1.2 試驗方法

短路試驗可采用兩種方法[6，7]。

（1）先短路法：將被試變壓器的一側繞組（一般為靠近鐵芯的繞組）預先短接，另一側繞組通過選相合閘開關接到電源。當合閘開關閉合時，變壓器產生試驗的短路電流。也稱為“對預先短路的變壓器施加電壓的短路試驗”。

使用先短路法，在合閘開關接通前，變壓器不受電壓的作用。因此為了提高試驗能力，可將系統電壓提高。根據最大功率傳輸原理，當系統阻抗和試品阻抗相等，并且系統電壓為2倍的試品繞組在短路時承受電壓，系統容量的利用率最高。即需同時滿足下式（7）和（8）。也就是說，在系統容量固定情況下，滿足上述條件時，系統可以試驗的變壓器容量最大。此時，系統容量為試品試驗容量的4倍。

（2）后短路法：即變壓器一次繞組施加勵磁電壓，二次繞組利用短路裝置進行短路的方式。也稱為“對預先勵磁變壓器進行短接的短路試驗”。這種方式更接近實際運行狀態。

后短路法在形成短路之前，變壓器要受到外施電壓的作用。為避免變壓器在短路前承受過高電壓，標準規定外施電壓不應超過繞組額定電壓的1.15倍。后短路法情況下，需求的試驗系統容量比先短路法要大得多。

由于容量限制，后短路法多數被用于中小型變壓器的短路試驗。而大型電力變壓器的短路試驗只能采用先短路法。

2 特高壓變壓器的突發短路試驗

1 000 kV等級變壓器的主要技術參數為：高壓繞組額定電壓為1 050/1.732 kV；高壓-中壓繞組短路阻抗百分數為18%；1 000 kV側系統短路電流為63 kA[8， 9]。因此，將上述參數代入式（1）（2）（3），可得下列等式：

式（11）即為試驗需要產生的對稱電流均方根值。

2.1 變壓器規格

目前，1 000 kV等級變壓器共有3個容量規格，具體如表1所示[10]。由表1可知，特高壓變壓器最小容量規格為400 MVA。

2.2 試驗方案

特高壓變壓器突發短路試驗方案如圖1所示，m臺短路發電機與n臺試驗變壓器一次側并聯聯接；試驗變壓器二次側采用中間接地、反向級聯的Cascade接線方式；試品變壓器放置于絕緣平臺之上，以解決試驗時中性點對地絕緣水平不夠的問題。

短路發電機采用哈電集團生產的6 500 MVA沖擊發電機，具體參數：超瞬變電抗Xd"為30 mΩ；負序電抗X2為30 mΩ；額定電壓為14 kV。

試驗變壓器可根據需要定制，該文在雙重考慮了制造能力和成本的情況下，預設其參數為：中壓側短路阻抗40 mΩ；中壓側電壓14 kV；高壓側電壓由聯接方式調節，最高可至1 050/1.732 kV；高壓側絕緣水平為1 000 kV等級。

中壓側回路采用多根同軸電纜并聯的方式，阻抗XL1為7 mΩ；高壓側回路阻抗XL2為500 mΩ。

2.3 最小試驗系統需求

由上可知，該試驗系統的內部阻抗為

當m=9，n=22時滿足式（16）。即1 500 MVA特高壓斷路器短路試驗的最小系統要求為：9臺6 500 MVA短路發電機+22臺短路阻抗為40 mΩ的高壓試驗變壓器。

2.4 投資規模

根據類似工程經驗，1套6 500 MVA短路發電機系統約需1.2億元；1套發電機回路及相關設備約需4 000萬元；1臺短路阻抗為40 mΩ的百萬伏級高壓試驗變壓器約需3 000萬元；變壓器試驗回路、絕緣平臺及測控和保護系統約需8 000萬元；設備相應的安裝、調試等費用約為前述費用的15%。

因此，不考慮基建施工費用的情況下，針對特高壓變壓器開展短路試驗的設備投資規模見表2。

3 結語

（1）雖然特高壓變壓器都為多繞組和自耦式結構，但在計算短路試驗系統容量需求時，可以按照雙繞組變壓器進行考慮。

（2）采用先短路法，系統電壓為2倍的試品繞組在短路時承受電壓，并且系統阻抗和試品阻抗相等時，試驗系統容量利用率最高。

（3）中間點接地，反向級聯的Cascade接線方式，雖然需要將試品變壓器放置于絕緣平臺上，但是可以大大降低試驗變壓器的絕緣水平，進而節約投資。

（4）進行特高壓變壓器的短路試驗，需要非常巨大的系統短路容量。若突發短路試驗全覆蓋目前的特高壓變壓器規格，僅設備投資就需約27億元。

參考文獻

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