應用高阻抗變壓器限制系統的短路電流

蘇國友，袁軍芳

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司,安徽馬鞍山 243000)

引言

冶金企業配電系統的一個主要特點是:供電變壓器容量大，負荷集中；供電線路多為大容量、長度短的電纜；電動機負荷多，構成電動機群組。此外，冶金企業為解決蒸汽問題，大都建設了集供熱和供電于一體的熱電廠。20 世紀90 年代起，高爐TRT、焦爐CDQ、燒結余熱發電等能源綜合利用小發電機組成為企業電力系統的標配，且基本都在就近的總降類變電所中低壓母線并網。進入21世紀后，為保護環境，發展循環經濟，建設了燃氣蒸汽聯合循環發電機組即CCPP 發電機組。上述情況，導致冶金企業中低壓配電系統母線短路容量逐步上升，甚至達到或超過在役開關的開斷能力限值，嚴重影響系統安全和人身安全。

1 變電所概況

某企業110 kV 燒結總降變電所建于20 世紀90年代初期，安裝有2 臺31.5 MVA、電壓為110/10.5/6.3 kV 的變壓器。變電所設備均為屋內布置，占地約（90×60）m2，主變壓器室與10 kV、6 kV 開關室緊鄰，只有2 m 左右的母線通道相隔，10 kV 和6 kV 系統采用了GG1A 高壓開關柜。隨著公司產線改造及產能增加，2001 年和2002 年分別將2 臺變壓器增容到50 MVA，2003 年第二臺燒結機建成投運，2005 年投運了1 套17.5 MW 的余熱發電機組，并網于該站所10 kV 母線。變電所10 kV 和6 kV 母線最大短路電流分別由最初的15.14 kA和15.90 kA增加到目前的27.86 kA 和27.12 kA。隨著國家鋼鐵去產能的推進，公司生產結構的調整及環保設施的增加，為提高供電可靠性、消化自發電,2013年，燒結總降變電所10 kV 和6 kV 原GG1A 開關柜更新為KYN28-12 中置柜，同時，將開關的開斷能力由31.5 kA 提升到40 kA。現有50 MVA 變壓器供電能力日趨緊張，無法滿足N-1 方式下的供電需求，為此，決定將目前運行的50 MVA 變壓器再次增容到63 MVA。

2 新變壓器阻抗的選擇

該總降變電所下有十余座10 kV、6 kV 高配室，開關的開斷能力均為31.5 kA。大部分供電線路為大截面多根并聯的銅芯電纜，長度在100～500 m 不等，導致近距離高配室的短路容量與總降相差無幾。如果按常規的變壓器來選擇各繞組間的短路阻抗（一般為10.5%/18%/6.5%），經計算其總降變電所10 kV、6 kV 母線的短路電流達到33.12 kA 和38.96 kA,無法滿足下級廠礦開關設備的開斷能力要求，且6 kV 系統的短路電流已接近總降變電所6 kV開關的開斷能力。為保證系統及人身安全，必須對10 kV、6 kV 系統的短路電流水平加以限制，以滿足開關開斷能力要求。

文獻[1]介紹了5種限制短路電流的方法，但就該項目，都不適用。如前所述，由于該總降變電所全部電氣設備為屋內布置，現場不具備安裝大電流（4 000～6 000 A）限流電抗器的空間，且限流電抗器會造成系統接線復雜，降低系統供電的可靠性。后經與變壓器制造商交流、討論與比較，決定選用高阻抗變壓器，以達到限制短路電流，解決現場無法安裝大型限流電抗器的問題，并滿足各級開關31.5 kA 的開斷能力要求，同時縮短設備更新改造的工期。

結合總降變電所運行方式及負荷情況，經試算，63 MVA 變壓器擬選擇高-中、高-低、中-低之間的短路阻抗分別為13.5%、24%和9.5%（到貨變壓器的實際短路阻抗分別為13.15%、24.61%和9.35%），這時總降變電所10 kV、6 kV 母線的最大短路電流分別為27.86 kA 和30.55 kA，基本滿足要求。2016年7月完成變壓器的更新安裝。

3 推廣應用

該企業另一座高爐總降變電所，亦建設于20世紀90年代初期，電氣設備同樣為屋內布置，配置了2臺31.5 MVA、110/6.3 kV 的變壓器，該變電所也是公司熱電廠接入系統的變電所。由于后期建設了TRT發電機組，并網于6 kV 母線，造成6 kV 配電系統短路電流超標。為此2002 年對6 kV 開關室屋頂進行加固改造，增加安裝了8%的戶外限流電抗器，串接在變壓器低壓側和6 kV 進線柜之間，并對連接母線做了絕緣處理。盡管如此，該戶外限流電抗器仍然發生因孔明燈落在連接母線上，引發相間短路事故，造成變壓器差動保護動作，6 kV 母線失電，對高爐生產造成沖擊。同時因變壓器服役時間長，器身滲漏油嚴重。結合設備更新改造及燒結總降變電所高阻抗變壓器更新和運行經驗，2019 年選擇了短路阻抗為18%的高阻抗變壓器（到貨變壓器的實際短路阻抗為17.91%），更新了現有的31.5 MVA 常規阻抗的變壓器，并取消了戶外限流電抗器。

4 高阻抗變壓器參數選擇與運行存在問題及解決思路

在上述計算中，均未考慮燒結同步電機及高壓異步電動機群對短路電流的影響。根據《三相交流系統短路電流計算 第1 部分 電流計算》（GB/T 15544.1-2013），具有勵磁調節器的同步電動機對短路電流的貢獻應視同發電機。此外由于冶金企業大量安裝使用了高壓異步電動機，組成電動機群，按照上述國標計算要求，在滿足一定條件下，亦應考慮異步電動機對短路電流的影響。如果考慮上述兩個因素，則燒結總降變電所10 kV、6 kV 母線對應的短路電流為36.5 kA 和34.5 kA。如此大的短路電流對開斷電流為40 kA 的開關而言，安全余量有限，因此在燒結總降變電所出線發生三相短路后，需要對跳閘斷路器進行嚴格的性能測試。作為教訓，應綜合考慮負載的性質，合理選擇變壓器的阻抗電壓，進一步降低系統的短路電流。

高阻抗變壓器的應用，限制了系統的短路電流，保證了系統的安全運行，降低了中低壓系統短路對上一級電網的沖擊。但對于負荷變化較大的高阻抗變壓器，可能會造成中低壓側電壓偏差或波動超標，圖1、圖2 分別是高爐總降變電所變壓器某日負荷電流變化曲線和對應的6 kV 母線電壓變化曲線。

圖1、圖2 顯示，約18:30，由于變壓器負荷下降（實際是TRT 發電機在6 kV 并網），其運行電壓值上升，基本維持在6.5 kV 左右，最大值約6.58 kV，依據《電能質量供電電壓偏差》（GB/T 12325-2008）計算系統的最大電壓偏差為：

圖1 高阻抗變壓器負荷變化曲線

圖2 高阻抗變壓器負荷變化引起的電壓變化曲線

可見，其偏差已大大超過上述標準規定的±7%限值，對系統的安全穩定運行造成一定風險。因此，運行值班或調度人員需要對系統電壓進行監視，發現異常及時調整變壓器的分接頭，維持系統電壓在規定的范圍內。