穆广祺1,郭西功2
(1.山西省电力公司 山西 太原 030031; 2.ABB中国有限公司济南代表处 山东 济南 250011)
变压器是应用电磁感应原理来变换系统间的阻抗匹配和功率分布关系的,是由导电线圈和导磁铁心材料组成的电器元件。由于一次绕组和二次绕组均有一定的空间尺寸,且任何导电体都有一定的电感,因此,变压器一、二次侧不可能实现完全的电磁耦合。在铁心线性范围内(铁心未发生饱和时),这种不完全耦合表现为漏电感,可以用一接近纯感性的阻抗表示,通常称为短路阻抗。 变压器绕组自身或绕组之间由于短路阻抗的不同,使得在不同负荷时：①其一、二次侧实际电压比与额定变比不同;②内部的无功损耗不同;③输出电压在输入电压不变的情况下存在一定波动范围(电压调整率);④绕组的杂散损耗受到影响;⑤无论外部或内部发生短路,短路电流会 有明显不同。总之,短路阻抗的存在利弊参半,合理地选择短路阻抗,对满足经济可靠的性能要求、确保其所连接各系统的安全运行,有十分重要的意义。
1 短路阻抗的现行标准及存在的问题
如前所述,从降低变压器电压调整率和减少内部的有功、无功损耗方面考虑,变压器的短路阻抗宜尽可能小;而为降低短路电流和控制变压器各侧系统的短路容量,变压器的短路阻抗宜适当增大。鉴于这两方面的原因,国家标准中对各类变压器的短路阻抗作了规定,即在尽量满足电压调整率的条件下,主要依据各电压等级系统的最大短路容量来确定变压器短路阻抗。各电压等级降压变压器的标准短路阻抗雁栖湖钓鱼(一般以阻抗电压表示)如表 1 所示。
表1 各电压等级降压变压器的标准短路阻抗 ％
高强钢名称 | 220 kV | 11 0kV | 35 kV | 10 kV |
三绕组 | 双绕组 | 三绕组 | 双绕组 | 双绕组 | 双绕组 |
高压对中压％ | 12～14 | | 10.5 | | | |
高压对低压％ | 22～24 | 12～14 | 17～18 | 10.5 | 6.5～8 | 4～5.5 |
中压对低压％ | 7～9 | | 6.5 | | | |
| | | | | | |
目前国内各变压器制造厂基本上是按以上标准进行设计制造的,除个别类型不能满足低压侧并列运行的条件外,基本上符合电力系统各种正常运行方式的要求。
然而,80年代后期特别是进入90年代以来,变压器因低压侧外部短路造成事故损坏的数量明显增多,据不完全统计约为占全国变压器事故总数的 50％,且短路损坏的变压器大多数为 110 kV 级双绕组变压器。为何会出现这种情况呢？本文作者通过分析比较认为,概括起来有以下几方面的原因：
(1)80 年代以前我国电力系统网架薄弱,系统短路容量较小,且系统中的变压器多为三绕组变压器,容量较小,变压器高低压间短路阻抗较高,短路电流因而较小,未能对变压器动稳定性能造成威胁;
(2)80 年代后期大量双绕组变压器投入电网运行,其单台容量大、短路阻抗低,且系统网架逐渐加强,短路电流明显增加,变压器受到的冲击成倍增长;
(3)变压器设计制造中对动稳定问题认识还不十分清楚,动稳定计算的数学模型尚需完善和校验,制造及装配工艺仍与动稳定性能要求有矛盾;
(4)尽管设计制造中有关的性能参数均是按系统满容量时短路 2 s 的要求制订的,但与实际
运行中相对较小的短路电流、较短的短路持续时间以及较多次数的短路冲击要求相比,由于没有大量的实物验证,二者的等效性如何,变压器动稳定性能是否满足设计要求,仍有待进行深入的研究。
2 变压器制造方面存在的问题
就变压器制造厂家而言,近年来对变压器承受短路时的动稳定性能的研究一直未停止过,也取得了一些成果。如建立了绕组径向及轴向机械失稳的数学模型,采取了多项工艺改进措施以减小安匝不平衡和增加机械强度等。然而,因材料机械性能及绝缘结构方面的限制,特别是变压器制造工艺过程基本上为手工操作这一制造因素的影响,使得变压器成品间的工艺分散性相对较大,要完全满足设计的机械强度要求有相当大的难度。这就造成不同厂家或相同厂家的同型号的不同成品之间的动稳定性能差异较大。此外,由于变压器设计中采用的动稳定机械强度设计计算公式基本上为经验公式,未经过实际物理真型的验证,即使有部分产品可以通过实际运行检验,但由于制造分散性的影响,在其机械强度方面也不能保证有足够的安全裕度。巷道
既然按国标制造出的变压器在机械性能上无法满足现场运行的要求,那么,能否对有关标准作一些调整,使其动稳定性能有明显提高且又能保证其经济性、工艺性、成本和运行性能指
标均满足要求呢？以下就此问题予以简明的分析。
3 变压器短路阻抗的选取原则
一般而言,变压器高压侧系统(电源侧)短路容量多为变压器额定容量的几十倍到上百倍,从考核变压器动稳定性能的角度讲,系统短路阻抗多数情况下对其短路电流的影响可忽略不计。所以可以认为其短路阻抗的选择直接影响其短路电流的大小和动稳定性能的高低。这样一来,要确保其动稳定性能,限制短路电流就成了第一位应考虑的因素。
根据洛仑兹定理lsd检验,带电流细导体在磁场中受力为
F＝BLI (1)
由于变压器中漏磁场磁感应强度 B∝I,因此可以得到其绕组导线受到的电动力为
F线圈＝f(I2) (2)
即电动力是其上通过电流的平方的正比函数。如果将短路阻抗增大到原来的X倍,则短路电流减少为原来的 1/X (忽略系统阻抗),变压器绕组承受的电动力只有原来的 1/X2,机械强度的安全裕度则增加为原来的 X2 倍！
当变压器的短路阻抗增大到原来的 X 倍后,其电压调整率必然要增加到原来的 X 倍,消耗的无功也相应增加,但这些均可以通过采用有载调压及在低压侧适当进行无功补偿加以解决。
由于与短路性能直接相关的是其绕组结构和短路电流的大小,因此,选择和调整短路阻抗主要是针对高压对低压及中压对低压之间的阻抗进行,高压对中压的短路阻抗要符合系统继电保护配合的要求,仍必须按原国家标准执行。
由此可见,对于有动稳定性要求的变压器,选择其短路阻抗值,较国家标准值为高,不仅是可行的,而且也是最有效、最经济的首选办法。
4 根据对变压器各项性能指标的影响确定短路阻抗
(1) 从动稳定性能考虑,短路阻抗越大越好,但短路阻抗增大后漏磁通量相应增大,反映在产品上即为各侧绕组间间距增加,变压器铁窗填充系数降低,绕组间绝缘材料消耗增加,从而增加了变压器制造成本。此外,在理想条件下变压器同相各绕组间的绝缘材料基本上不受电动力作用,尽管对制造工艺的影响不大,但如果绕组同心度不好,仍然会有相互间的电动力的作用,从而可能造成偏心位移,反而可能增加绕组轴向失稳。
(2) 短路阻抗较大时,变压器的电压调整率、无功损耗成比例增加,影响供电电压质量,严重时无功补偿装置无法投入,因此调整变压器短路阻抗的同时,必须对其各侧绕组的额定电压进行相应调整。
(3)变压器容量直接影响其额定电流及导线结构的选择,而不同的导线规格其机械强度和由
此而决定的动稳定性能将会有较大差别。同时,由于容量较大的变压器对下一级电网提供的短路电流也较大,因此适当调整变压器的短路阻抗不仅对变压器自身有利,而且对限制下一级电网的短路水平和降低设备造价将起重要作用。
(4) 超高压变压器的容量一般较大,其低压侧额定电压较低时会对绕组结构、系统额定电流、系统短路水平产生极为不利的影响,对变压器自身动稳定性能影响更大,因此,对于 220 kV及以上电压级变压器,其低压侧系统额定电压不应低于 35 kV。
5 结论
根据以上几方面考虑,同时兼顾各电压等级系统中短路水平的配置要求,变压器短路阻抗与额定电压、额定容量及变压器类型的配置如表2所示。
表2 变压器短路阻抗与额定电压、额定容量及变压器类型的配置
电压等级及类型 | 额定容量/MVA | 短路阻抗/％ |
高压-中压 | 高压-低压 | 中压-低压 |
220kV三绕组 | 120 | 12～14 | 22～24 | 7～9 |
150 | 12～14 | 22～24 | 7～9 |
180 | 12～14 | 30～33 | 16～19 |
110kV三绕组 | 25 | 10.5 | 17～18 | 6.5 |
31.5 | 10.5 | 17～18 | 6.5 |
40 | 10.5 | 17～18 | 6.5 |
50 | 10.5 分子动力学仿真 | 17～18 | 6.5 |
| 斯宾塞 63 | 10.5 | 17～18 | 6.5 |
110kV双绕组 | 25 | | 13(0.5) | |
40 | | 13～14 | |
50 | | 16～17 | |
| | | | |
在这样的短路阻抗配置条件下,变压器各侧相应的短路水平能够控制在有关电网建设改造技术原则要求的范围内;变压器承受的短路冲击亦可限制在较低的水平,对其动稳定性能的要求也可与国内制造厂的技术及工艺相适应;由此而引起的变压器有功、无功损耗增加较低且容易解决,对变压器造价影响较小,是目前提高设备安全性能,提高供电可靠性的较为直接有效的途径。
作者简介： 穆广祺(1964-),男,高级工程师,工学硕士,从事电力变压器技术管理工作。
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