220kV变压器两种低压侧限流方式的研究与应用

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摘 要：220kV三相三绕组变压器运行中常面临低压侧短路电流过大的问题，通常限制低压侧短路电流，有选用高阻抗变压器和选用常规变压器+限流电抗器这两种方式。本文深入研究这两种限流方式的限流能力，并以某220kV变电站为例，对这两种方式在低压侧限流、成本投资等方面进行简单比较和分析。

关键词：短路电流；限流电抗器；高阻抗变压器；

0 前言

据相关变压器故障的资料表明，电力系统中变压器的损坏绝大部分是由于短路故障引起的，提高变压器的抗短路能力是降低短路故障的关键因素。而我们知道短路电流减小则短路力会随之减小，故限制低压侧短路电流值，是提高变压器的抗短路能力的关键因素。

高阻抗三绕组变压器一般高低和中低之间为高阻抗，高中阻抗和常规变压器基本一致。非标准高阻抗变压器的抗短路能力较常规变压器有大幅度的提高，但成本高、结构复杂。本文主要研究这两种限流方式下，短路电流数值、变压器损耗和经济技术等方面的对比，并以某220kV变电站工程为例，对这两种限制低压侧短路电流的选型方式进行应用研究。

1 低压侧短路电流计算

1.1 变电站中低压侧短路电流允许值

结合《配电网规划设计技术导则》Q/GDW-2012[2]中，对A类、B类和C类变电站短路电流水平的规定，本文中变电站的母线的短路电流最大允许值设为25 kA。

1.2 常规限流方式中限流电抗器的选择

限流电抗器选择时，其电抗百分数Xk%和压降损失百分数△U必须分别满足：

Xk%≥（Ij/I-Xj*）IkeUj/UkeIj×100%

△U%=Xk%sinφI/Ike≤5%

其中，Ij和Uj分别为基准电压和基准电流，Xj*为加限流电抗器前的网络阻抗标幺值；Ike和Uke分别为限流电抗器的额定电压和额定电流，I为电抗限制后所要求的短路次暂态电流，Ig为正常工作状态下的电流，φ为负荷功率因数角，一般取sinφ为0.6。

1.3 高阻抗变压器阻抗值的选择

根据10kV侧母线三相短路电流限制在25kA的限制条件，用lingo做非线性规划求解，初步选定高阻抗变压器阻抗，具体计算方法见参考文献。

1.4 不同限流方式下短路电流计算

在确定了限流电抗器的数值和高阻抗变压器的阻抗值后，以下列三种运行方式做短路电流计算并比较。第一种方式为常规变压器不加限流电抗器的运行方式；第二种为常规变压器加限流电抗器的运行方式；第三种为高阻抗变压器的运行方式。

2 变压器损耗分析

忽略空载电流在一次绕组上产生的损耗，则空载损耗可视为铁耗，即P0≈PFe。负荷损耗可视为额定电流下的铜耗，即Pk=I12（r1+r2）=PCu/β2，（I1为一次侧额定电流；r1+r2为短路电阻；β为负载系数）。

3 研究与应用

本文主要讨论针对220kV变压器的两种限流方式，在理论基础上，以某220kV变电站为例，从低压侧短路电流值、变压器损耗、投资成本、检修运行等方面对这两种限流方式进行实际应用研究。

3.1 变电站概况

某变电站采用全户外设计工程，远期规划安装2台180MVA有载调压变压器，近期1台，电压等级为220/110/10kV；220kV出线4回，双母线接线；110kV出线12回，单母线分段接线；10kV出线14回，单母线分段接线；无功补偿容量：3×6Mvar低压电容器；架空加电缆进出线，短路阻抗为高中14%，高低24%，中低7.7%。

3.2 短路电流计算

该220kV变电站10kV侧短路容量为90MVA，计算得限流电抗器额定电流选3000A，装至变压器低压侧出口， Xk%=14.4%，加电抗器后10kV侧三相短路电流为24.39kA。

高阻抗限流方式下，解得高阻抗变压器的阻抗值为U12=13%，U13=39%，U23=21%，低压侧三相短路电流为23.64kA。

相比于常规变压器方式下低压侧电流63.92kA，这两种改进方式限流效果相当。

3.3 变压器损耗计算

在β=75%负载情况下对两种方式的空载损耗和负载损耗值计算并比较。

高阻抗变压器空载损耗为122.7kW略高于加限流电抗器方式的113.2kW，负载损耗554.8kW低于加限流电抗器方式的558.6kW。两种方式下，空载损耗和负载损耗的数值仍满足GB/T 6451—2008《油浸式电力变压器技术参数和要求》。

3.4 经济技术分析

在投资方面，按国网招标价进行计算，高阻抗变压器比常规变压器设备费高50万，考虑增加三组限流电抗器后，单独看设备费仍比高阻抗变压器要高。除考虑设备费外，增加限流电抗器的方案需要考虑增加连接导体、土建、征地等费用，整体造价也比较高，故以上两种限流方式的总投资相差不大。

加装保护装置方面，常规方式由于新增限流电抗器，需要新增电抗器保护，设备费会相应增加；限制短路电流数值方面，高阻抗变压器能限制变压器近口的短路故障电流，但加装限流电抗器方式下，虽然经电抗器出口后短路电流值有所下降，但变压器出口短路电流仍比较大。

另外，两种方式主要的区别在于，常规变压器加限流电抗器方式需要着重考虑电抗器对设备产生的电磁干扰，而高阻抗变压器由于其设备的一体性，不易检修，故需重点考虑运行中检修的费用。

4 分析與结论

结合实际应用，本文所述对低压侧的两种限流方式中，采用高阻抗变压器最大的优点是解决了限流抗器电磁干扰问题，同时节约占地面积；采用常规变压器加限流电抗器方式最大的优点是便于检修，且检修费用低。

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