10．5／0．4kV干式變壓器承受短路沖擊電流能力的分析與研究

李燁，張瑜

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海，200233）

變壓器廠家說明書中的突發(fā)短路試驗電流值為44kA，低于設(shè)計規(guī)格書短時耐受電流65kA的要求。本文針對技術(shù)參數(shù)的偏差值，根據(jù)相關(guān)標準，通過理論計算的方法來分析變壓器承受短路沖擊電流的能力。

1 分析過程

1.1 計算變壓器二次側(cè)短路電流

變壓器技術(shù)參數(shù)如下:

型號：SCB13-2500/10.5

容量：2500kVA、3125kVA（風(fēng)冷）

額定電壓（中壓側(cè)）：10.5kV

額定電壓（低壓側(cè)）：0.4kV

短路阻抗：8%

短路電流的計算過程如下：

變壓器一次側(cè)的短路阻抗為：

根據(jù)GB 1094.5-2008，10kV電壓等級的系統(tǒng)短路視在容量為500MVA。但是考慮到電廠運行的特殊性，其系統(tǒng)容量較大，故將系統(tǒng)短路視在容量增加到1500MVA。

高壓繞組內(nèi)的短路電流為：

變壓器二次側(cè)的短路電流為

通過以上的計算結(jié)果可以看出，由于變壓器阻抗較大（為8%），因此具有較大的限流能力，系統(tǒng)短路視在容量為1500MVA（超過相關(guān)國家標準值3倍）的情況下，變壓器低壓出口側(cè)的短路電流也只有44kA，遠遠小于65kA。

1.2 負荷中心母線短路時的變壓器短路耐受能力分析

低廠變與低壓負荷中心通過銅排連接在一起，負荷中心母線處發(fā)生三相短路（最嚴重故障）時，短路點處的大電流也會對變壓器產(chǎn)生影響。

由表1可知，母線三相短路電流峰值：70.327kA，其有效值為7.0327/1.414=49.736kA。變壓器短路電流峰值為51.077kA，其有效值為51.077/1.414=36.1kA，遠小于44kA，因此變壓器突發(fā)短路試驗采用短路電流值44kA是合理的。

表1 ECS負荷中心母線處三相短路計算的計算結(jié)果

1.3 變壓器罩殼內(nèi)低壓銅排承受突發(fā)短路的能力分析

GB 1094.5和IEC 60076.5中沒有專門針對安裝在罩殼內(nèi)銅排的熱穩(wěn)定計算公式，故只能參考針對繞組的相關(guān)計算公式：

1.3.1 熱穩(wěn)定

式中，θ1—繞組短路t秒后的平均溫度（按GB和IEC標準的規(guī)定其溫度限值為350℃）；θ0—繞組起始溫度；J—短路電流密度A/mm2

因為銅排直接裸露在空氣中，其散熱條件遠優(yōu)于被絕緣材料層層包裹或包封的高低壓線圈，故銅排的溫度要遠低于線圈的溫度，現(xiàn)假定銅排的溫升為130℃（B級溫升）。

按該變壓器可能達到的最大短路電流為44kA（系統(tǒng)容量1500MVA時），該變壓器低壓側(cè)的額定電流為3608.5A，按設(shè)計原則規(guī)定低壓銅排的貫穿電流密度≤2.6A/mm2，故選取低壓側(cè)連接銅排的規(guī)格為120×12＝1440mm。（貫穿電流密度2.5A/mm2）

式中t—持續(xù)時間，按GB和IEC相關(guān)標準規(guī)定為2S。最終的計算結(jié)果為：

因此，突發(fā)短路電流時，變壓器罩殼內(nèi)低壓銅排能夠滿足熱穩(wěn)定要求。

1.3.2 動穩(wěn)定

對于動穩(wěn)定，主要是考慮夾持銅排的夾件的數(shù)量和距離，按照慣例，兩個夾持件之間的距離不能大于800mm,考慮到核電項目對產(chǎn)品可靠性的特殊要求，供應(yīng)商在設(shè)計時，兩個夾持件之間最大的距離按不超過700mm來設(shè)計。

1.4 變壓器耐受短路沖擊電流65kA能力分析

變壓器基本技術(shù)參數(shù)：

式中Sr—變壓器的額定容量：2.5MVA

Zt—在參考溫度額定電流和額定頻率下所測出的主分接短路阻抗：8%

Ur—所考慮繞組的額定電壓：10kV（高壓繞組）/0.4kV（低壓繞組）

Is—系統(tǒng)短路電流：65kA

S—系統(tǒng)短路視在容量

Zs——系統(tǒng)短路阻抗

Zt—折算到所考慮繞組的變壓器的短路阻抗

高壓繞組：

I對稱短路電流的方均根值：

高壓繞組：

高壓繞組銅帶截面積：49mm2

低壓繞組銅箔截面積：1670mm2

式中J—短路電流密度，A/mm2

高壓繞組J=1756/49=35.84A/mm2

低壓繞組J=43900/1670=26.28A/mm2

式中θ0—繞組起始溫度，為155℃（即假定變壓器在滿載且溫度環(huán)境為40℃時發(fā)生短路）

t—持續(xù)時間,按GB和IEC相關(guān)標準規(guī)定為2S

θ1—繞組短路（ts）后的平均溫度℃

結(jié)論：根據(jù)GB 1094.5和IEC 60076.5中的規(guī)定銅繞組，且絕緣耐熱等級為H級的干式變壓器繞組在短路后的平均最大允許值為350℃。通過計算可知，該變壓器的高低壓繞組在短路后的平均溫度遠低于以上最大允許值。因此，該變壓器承受短路的耐熱能力是能夠滿足要求的。

2 對后續(xù)項目變壓器短路耐受能力分析的借鑒意義

2.1 熱穩(wěn)定能力可通過下面四個步驟分析：

（1）對稱短路電流的計算

變壓器的短路電流是由額定電壓、系統(tǒng)的短路阻抗和變壓器的短路阻抗決定的。

（2）對稱短路電流的持續(xù)時間。

（3）每個繞組平均溫度的最大允許值。

（4）溫度θ1的計算公式。

式中θ1—繞組短路t秒后的平均溫度，℃

θ0—繞組起始溫度，℃

J—短路電流密度，A/mm2

t—持續(xù)時間，s

2.2 動穩(wěn)定能力

突發(fā)短路試驗是對變壓器制造的綜合技術(shù)能力和工藝水平的考核，利用試驗中強短路電流產(chǎn)生的電動力檢驗變壓器和各種導(dǎo)電部件的機械強度。

3 后續(xù)項目變壓器采購過程中的關(guān)注點

采用銅繞組，認真做好線圈制造的軸向壓緊工作，短路阻抗值應(yīng)綜合考慮。高阻抗變壓器短路電流小，受到的短路電動力小，安全系數(shù)較高，但是高阻抗變壓器成本相對較高，體積較大，重量較大。

變壓器阻抗的計算公式為

式中：f—頻率；I—額定電流；W—主分接的總匝數(shù)；∑D—漏抗；ρ—洛氏系數(shù)；K—附加電抗系數(shù)；et—匝電勢；H—電抗高度。

從以上公式可以看出：增加線圈的匝數(shù)是提高短路阻抗值的有效手段。但是隨著匝數(shù)增加，變壓器的用銅量也會相應(yīng)增加，進而增加變壓器的材料成本。

4 結(jié)論

在后續(xù)變壓器的采購環(huán)節(jié)中，采購技術(shù)協(xié)議書中應(yīng)明確要求提供同型號變壓器的抗短路能力型式試驗報告，對變壓器線圈材質(zhì)、制造工藝等提出具體要求，并加強制造過程中的工藝管控。