限流裝置對變壓器抗短路能力提升作用分析

王 軒，龍 飛，張江超，陸 聰

（1.國網伊犁伊河供電有限責任公司，新疆伊寧 835000；2.安徽正廣電電力技術有限公司，安徽合肥 230000）

0 引言

隨著電網規模的發展和系統短路容量的不斷增加，短路電流水平逐漸攀升，甚至超出了變壓器的耐受閾值，給變壓器繞組結構安全和穩定運行帶來不利影響。變壓器在受到短路電動力作用后會發生形變，當形變累積到一定程度時，會造成變壓器繞組損壞。

為提高變壓器抗短路電流能力，國內外電力工作者提出了多種方法和措施，例如采用分裂變壓器、調整網架結構、改變系統運行方式等。電抗器作為限流元件，能夠減小短路電流，并使短路瞬間系統的電壓保持不變。

由電感器構成的限流電抗器，在交流系統中會對回路電流產生阻抗的作用，限制回路的電流大小。不過，由于電抗器是感性元件，如果一直處于限流的狀態，則會消耗大量的感性無功功率，雖然可以對高壓長距離輸電線路進行無功功率補償，但對于中低壓配電系統來說，會對系統造成無功功率擾動、降低電能質量。為此，對限流電抗器加以改進，以避免無功功率的損耗。

分裂限流電抗器，可以在正常情況下保證流過兩分裂支路的電流大小相等、方向相反，從而使兩分裂支路電流所產生的磁場方向相反，可以互相抵消，理論上可以使限流電抗器的等值阻抗值降為零，將其對電力系統的影響降到最低。不過會因為工藝問題，實際的等值阻抗不為零，還是會造成一定的無功功率消耗。

此外，還有一種零損耗限流電抗器，它利用控制開關進行投切。當系統正常運行時，電抗器不接入線路。當系統發生短路故障后，限流電抗器開關進行轉換，將電抗器投入系統進行限流。當系統恢復正常后，電抗器與系統斷開連接。由于系統正常運行時電抗器不接入線路，因此可以實現無損耗。目前，在高、中壓電網采用串聯型零損耗限流電抗器限制變壓器短路電流，已經成為最為有效的措施。

1 變壓器短路電流電動力模型

變壓器通過主磁場傳遞能量，進行電能—磁能—電能的耦合，從而實現功率傳輸。系統正常運行時，一次側電場轉換的磁場，并通過主磁通將其傳遞到二次側，二次側繞組再將磁場能轉換為電場能。由于空氣磁阻的作用，此時的漏磁通非常小，對繞組產生的電磁力也不大，不會造成繞組形變。而當系統發生短路故障，流過繞組的電流劇增時，所產生的磁通將有很大一部分通過空氣間隙閉合，從而形成漏磁場。此時，變壓器繞組被漏磁場包圍并與漏磁場耦合作用。根據法拉第電磁感應定律，通電導體在磁場中會受到電磁力作用。因此，繞組會受到漏磁場電磁力作用而產生形變，短路電流越大，漏磁通密度也會越大，對繞組產生電磁力也越大。根據麥克斯韋方程組，推得短路時軸向平均漏磁磁密為:

據此可以得到變壓器繞組輻向電磁力模型：

其中，I0max為短路沖擊電流，W 為每相額定匝數，d為繞組平均半徑，Hk為繞組電抗高度，ρ 為洛氏系數。

則變壓器應力為:

其中，m 為相并聯支路數，n 為并繞導線根數，Ax為單根導線的截面積。

短路輻向電動力瞬時值為：

其中，Kd為非穩定電流衰減系數，K1短路電流穩定值倍數。

短路沖擊電流下的軸向電動力為：

其中，λ 為輻向漏磁寬度，ρs為輻向漏磁洛氏系數，Cpm為每區域匝數的百分比，

受軸向短路力作用，導線的軸向彎曲應力為：

式中，am為最大不平衡安匝百分比，a、b 為導線厚度與寬度。

據此，可以分析短路電流作用下變壓器繞組在上述電動力影響下的形變。

2 零損耗限流電抗器作用機理

零損耗深度限流核心元件是電抗器，它主要由電感組成。不過，為達到零損耗運行狀態，還需要給電抗器配置快速換流器、故障電流快速識別器及電流信號傳感器（圖1、圖2）。

圖1 零損耗限流器原理

圖2 零損耗限流器系統仿真

圖1 中，L1、L2 為限流電抗器，可以根據故障電流的大小來確定投入的阻抗；K1、K2 為快速投切開關，系統正常運行時二者均閉合，以隔離L1、L2，發生故障后K1、K2 根據需要投切；C1、C2 為分壓器，CT 為電流互感器，用來監測母線電流。

系統正常運行時，L1、L2 均被隔離，不串入系統，因此也不會產生電壓降與無功功率損耗。當系統故障時，電流信號傳感器裝置CT 將監測到的母線電流送入故障電流快速識別器中。當判定為故障電流時，根據電流幅值斷開開關K1、K2 或者二者均斷開，將電抗器L1 或L2 單獨投入系統，或將二者同時投入系統，對短路電流進行限制，將短路電流降低至短路器可遮斷容量范圍內，保證變壓器安全運行。故障消失后，K1、K2 閉合，切除限流裝置，以保證其不會對系統造成影響。

由于要進行短路電流的監測與辨識需要消耗一定的時間，而短路故障作用時間越長對系統危害越大，因此需要K1、K2 能夠快速響應。目前所研發的快速開關可以在7～8 ms 之內動作，當短路電流的第一次過零點時可以將L1、L2 串入線路，達到深度限流目的。采用真空斷路器可以實現快速投切，保證在20 ms 內將電流限制在允許范圍之內。事實上，零損耗深度限流裝置可以由多個類似于L1、L2 的電抗器構成，可以達到足夠深的限流效果。同時，多個電抗器還能克服電壓波動問題。在正常運行條件下時，如果快速換流器誤跳閘，還能利用快速識別器進行判斷，自動控制其重新合閘，實現自愈。圖3 為投入限流電抗器前后的某系統故障電流波形。

圖3 限流電抗器投入前后故障電流

由圖3 可以看出，投入限流電抗器后故障電流大幅下降，達到了系統限流要求。

3 案例分析

某系統使用的SFSZ9-40000/110 型變壓器參數如表1 所示。

表1 SFSZ9-40000/110 型變壓器參數

根據上述參數，利用COMSOL 對變壓器進行三維結構建模（圖4）。

圖4 變壓器繞組形變仿真模型

變壓器鐵芯和繞組網格劃分剖分結果如圖5 所示。根據系統實際運行參數計算出單相接地短路電流水平為變壓器額定電流的3 倍。不投入限流電抗器時，在短路電流沖擊下，變壓器繞組形變仿真結果如圖6所示。投入限流電抗器后，短路電流下降至額定電流的1.5 倍，此時變壓器繞組形變仿真結果如圖7 所示。

圖5 變壓器模型網格劃分

圖6 未投入限流電抗器時變壓器繞組形變

圖7 投入限流電抗器后變壓器繞組形變

對比圖6、圖7 可知，投入限流電抗器后，變壓器繞組形變從最大值4.22×10-4dm 下降到3.68×10-4dm，有效提高了變壓器的動穩定性。

4 結束語

本文基于零損耗限流電抗器作用機理進行研究，通過對比投入限流電抗器前后，短路電流造成變壓器繞組形變的仿真結果，驗證了限流電抗器可以有效降低變壓器短路電流水平，減小變壓器繞組形變，有效提高了變壓器抗短路電流電動力的能力。