黃金峽電站、泵站主變低壓側限流方案研究

張 蕾，毛 敏

對于變壓器容量較大，低壓側電壓較低的電氣工程往往存在變壓器低壓側短路電流過大的問題。為了減小該短路電流，以便選用合適的開關設備，需采取一定的限流措施。限制短路電流最簡單的方法是采用合理的運行方式。若此方式不能滿足要求，可采取裝設限流電抗器并接快熔開關或采用阻抗較高的變壓器，也可采用分裂變壓器等方式[1]。本文結合工程實際情況，通過電氣接線結構和短路電流計算等技術經濟指標對三種方案進行研究比選。

1 工程概況

黃金峽電站和泵站是陜西省引漢濟渭工程黃金峽水利樞紐的重要組成部分。泵站位于樞紐壩后左岸，安裝單機容量18 MW同步電動機七臺，運行方式為六用一備，總裝機126 MW，運行總容量108 MW。電站位于樞紐右岸泵站下游，安裝單機容量45 MW的水輪發電機組三臺，總裝機容量135 MW。

電站、泵站共用一個110 kV升壓站，采用兩回110 kV線路接入330 kV洋縣變電站，升壓站采用雙母線接線形式。3臺發電機分別和3臺變壓器組成3個單元接線，在發電機和主變壓器之間裝設發電機斷路器，每臺發電機端分別引出一段母線，形成三段發電機電壓母線，三段母線之間均采用分段斷路器連接，三段發電機電壓母線分別連接3臺、1臺、3臺水泵電動機。電站和泵站共裝設的3臺主變壓器，容量均為63 MVA，電壓為 121±8×1.25%/13.8 kV。

2 限制短路電流的必要性

短路故障是電力系統常見的故障之一，其短路電流嚴重影響系統及電氣設備的安全穩定運行。因此，發生短路時要求快速切除故障，縮小影響范圍。短路時，強大的短路電流所產生的熱和電動力效應會使電氣設備受到破壞，短路點的電弧可能燒毀電氣設備，短路點附近的電壓顯著降低，使供電受到嚴重影響或被迫中斷。研究表明，短路電流越大，高壓斷路器開斷電弧時的電流越大，過大電流引起電弧溫度升高，造成電弧熄滅困難。如果燃弧時間過長，將燒壞開關金屬觸頭，嚴重時甚至造成電力系統事故，影響電力系統安全運行。因此需要采取合理的措施來限制短路電流。

根據工程規模，黃金峽泵站屬Ⅰ等大型工程，地位重要，工程供電可靠性要求高。雖然在工程主接線設計方案中已經考慮采用變壓器分列運行的方式來降低短路電流，但是經計算，采用阻抗電壓為10.5%的常規雙繞組變壓器，變壓器低壓側13.8 kV母線最大暫態短路電流有效值為49.05 kA,短路電流沖擊值為131.94 kA。主變低壓側短路電流仍處于較高的水平，故需要研究其限流方案。

3 主變低壓側限流方案

由于短路電流與短路阻抗成反比，而短路電動力與短路電流的平方成正比，所以短路電動力與短路阻抗倒數的平方成正比。由此可知，通過提高短路阻抗來降低短路電流以達到降低短路電動力的效果非常顯著。

在一些工礦企業采用在主變低壓側裝設限流電抗器并接大容量快熔開關的方式來限制短路電流。由于快熔開關阻抗很小，所以正常情況下電流經快熔開關流過，短路時快熔開關在20 ms內熔斷，短路電流流過限流電抗器，起到限流作用。這種措施既避免了正常情況短路電流流經限流電抗器引起的損耗，又有效地限制了短路電流，但由于其接線復雜且占地面積較大，適用于廠房面積較大的工程。

據調查，在電力系統及一些終端變電所，對大容量主變采用高阻抗變壓器來限流，即將變壓器阻抗加大，加大了變壓器的電壓損失和無功損耗，有功損耗變化不大，變壓器尺寸變化也不大，與加裝限流電抗器相比，占地面積大大減少，在主變容量大于50 MVA的變電所效果顯著。

另外，采用分裂變壓器也是限制短路電流的有效措施。把變壓器低壓繞組分成兩個相等容量的繞組，可大大增加各個分裂繞組和分裂繞組間電抗。對于常用的110 kV分裂變壓器其分裂繞組的電抗為2×10.5%=21%（110 kV普通雙繞組變壓器的標準電抗為10.5%），而分裂繞組間的電抗為4×10.5%=42%，從而使低壓短路電流比普通雙繞組變壓器降低。但是，分裂變壓器與普通變壓器相比，在容量、電壓等級、調壓范圍相同的情況下，材料消耗較多（如硅鋼片，線圈用銅量等），從而使變壓器成本有所增加。根據國外運行經驗，采用分裂繞組變壓器以增大變壓器的阻抗值是限制短路電流切實可行的方法[2]。

4 限流方案經濟技術比較

針對主變低壓側限流問題，下面從技術和經濟兩個方面對該工程采用主變低壓側加裝限流電抗器并接快熔開關，高阻抗變壓器和雙分裂變壓器三個方案進行分析比較。

4.1 電氣接線結構

方案一采用阻抗為Uk=10.5%的常規雙繞組變壓器三臺，三個單元接線的發電機與主變壓器之間加裝限流電抗器并接快熔開關，三段發電機母線分別連接3臺、1臺、3臺同步電動機。方案二采用阻抗Uk=18%的高阻抗雙繞組變壓器三臺，發電機與主變壓器采用單元接線，三段發電機母線分別連接3臺、1臺、3臺同步電動機。方案三采用三臺分裂繞組變壓器，兩個低壓分裂繞組其中一個繞組接發電機，另一繞組接同步電動機母線，組成擴大單元接線。同步電動機仍然按3臺、1臺、3臺的分配方式與低壓分裂繞組連接。接線如圖1。

圖1 電氣接線圖

經研究，以上三個接線方案均能滿足工程需求。方案一二電動機母線均從發電機出口引接，方案一采用限流電抗器并接快熔開關，相比其他兩個方案增加了限流電抗器和快熔開關，接線結構相對復雜。方案三采用分裂繞組變壓器，電動機母線直接從主變壓器低壓側引接，與發電機沒有直接聯系。與方案一、二相比，若主變壓器至發電機出口斷路器之間線路故障，方案三供電可靠性更高。

4.2 短路電流計算

根據電力系統參數，按系統最大運行方式下，正常接線方式發生三相短路最嚴重的情況來計算黃金峽電站、泵站短路電流[3]。

方案一變壓器采用阻抗電壓Uk=10%的普通阻抗變壓器，可根據需要選擇合適的電抗器將短路電流限制到需要的值。方案二取變壓器阻抗電壓Uk=18%，方案三采用分裂繞組變壓器，取分裂變壓器穿越電抗X1-2=10%，分裂系數Kf=3.5，根據計算參數，計算各元件阻抗標幺值如圖 2。

圖2 短路阻抗圖

經計算，方案一加裝限流裝置，電動機母線的短路電流降低34.7%。方案二的變壓器阻抗由10.5%提高到18%,電動機母線電壓的短路水平下降到42.32 kA，下降幅度為13.9%。方案三采用分裂繞組變壓器，電動機母線電壓的短路水平下降到25.55，下降幅度高達47.91%。一般情況下，斷路器不可能在短路0秒瞬時開斷，需要一定的開斷時間，當斷路器在0.06秒開斷時，短路電流會進一步降低。顯然，從限制短路電流角度考慮，方案二對于限制短路電流有一定作用，但方案一采用限流電抗器和方案三的限流作用更為顯著。短路電流計算結果如表1。

表1 短路電流計算結果

4.3 綜合技術經濟比較

方案一由于增加限流設備，占地面積大大增加（每套限流裝置增加約70 m2），工程投資也隨之增加。方案二變壓器阻抗電壓增高，可使變壓器本體的短路沖擊電動力減少，大大降低變壓器受電動沖擊破壞的幾率，但要加大變壓器尺寸。方案三由于分裂變壓器采用兩個低壓繞組，硅鋼片和線圈材料消耗較多，從而使變壓器損耗和成本有所增加。

從設備價格考慮，發電機出口斷路器由于在直流分量、開斷次數等技術性能上比普通斷路器高很多，發電機的電感值較系統相對要大，作為保護，斷路器在瞬間所承受的直流分量和衰減時間常數均大得多，所以在價格上要遠高于普通斷路器。因此在方案經濟比選時，把發電機出口斷路器和主變壓器一并作比較。三個方案技術經濟比較見表2。

表2 三個方案的技術經濟比較表

5 結語

經過分析研究，三個方案在限制短路方面均有一定效果。方案一雖然主變壓器價格最低，但是由于增加限流裝置，不僅增加占地面積，而且該方案接線復雜，土建投資也大大增加，雖然在某些變電站已有應用，但不適用于副廠房面積較小的黃金峽電站。方案三限制短路電流效果顯著，但是分裂變壓器制造成本高，損耗較前兩個方案增加較多。另外，我國對分裂變壓器的研究和制造應用起步較晚，這類變壓器主要用在火電廠廠用系統和光伏發電系統中，作為主變壓器應用實例相對較少，需進一步研究其應用的細節問題。方案二采用高阻抗變壓器在磁密、電密不變時提高阻抗會增加損耗，在目前國家標準還沒有發布高阻抗變壓器是否允許提高空載損耗和負載損耗的情況下，高阻抗變壓器一般會采取降磁密電密措施，其損耗與方案一相當。占地面積相比方案一大大減少，一次性投資最低。綜合比較，方案二是限制黃金峽電站泵站主變低壓側短路電流的最優方案，推薦采用。

另外，該工程目前還處在設計階段，電氣設備參數有可能與實際不同，但是系統參數不會發生變化，其研究方法對類似工程有一定的借鑒意義。

[1]解新民.黃金峽泵站、電站電氣主接線設計有關問題的研究[J].陜西水利,2012.03.

[2]王世榮.分裂變壓器的特點及運行[J].四川電力技術,2001.11.

[3]弋東方等.電力工程電氣設計手冊電氣一次部分[M].北京：中國電力出版社，1989.