變壓器阻抗分析及其系統(tǒng)短路電流計(jì)算

摘 要：變壓器是電力系統(tǒng)中的重要電氣元件，其阻抗參數(shù)對電力系統(tǒng)運(yùn)行分析及短路電流計(jì)算結(jié)果存在明顯作用。本文將對變壓器的阻抗參數(shù)進(jìn)行分析，并對短路電流的計(jì)算方法加以簡化總結(jié)。

關(guān)鍵詞：變壓器；阻抗；短路電流；計(jì)算

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.178

1 變壓器短路阻抗分析

1.1 變壓器短路阻抗的標(biāo)準(zhǔn)定義

變壓器的短路阻抗又稱阻抗電壓。阻抗電壓是指將變壓器的二次繞組短路，使一次繞組電壓慢慢加大，當(dāng)二次繞組的短路電流達(dá)到額定電流時(shí)，一次繞組所施加的電壓（短路電壓）與額定電壓的比值百分?jǐn)?shù)。絕大多數(shù)變壓器銘牌上直接標(biāo)稱的短路阻抗電壓百分?jǐn)?shù)即為該值。

1.2 變壓器的相繞組阻抗

變壓器的相繞組阻抗是指在額定頻率和參考溫度下，變壓器一對繞組中，某一繞組的端子之間的等效串聯(lián)阻抗。變壓器每相繞組的阻抗等于計(jì)算側(cè)的額定相電壓除以計(jì)算側(cè)的額定相電流再乘以短路阻抗電壓百分?jǐn)?shù)，單位為歐姆，是一個(gè)有名值。

1.3 變壓器的系統(tǒng)等效短路阻抗

在電力系統(tǒng)分析及短路電流計(jì)算過程中，所有設(shè)備的短路阻抗都要折算到同一基準(zhǔn)容量下。折算后的短路阻抗，可以看作是在實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行中呈現(xiàn)出的阻抗值，在潮流分布及短路電流計(jì)算過程中，都采用該數(shù)值進(jìn)行分析計(jì)算。變壓器的等效短路阻抗等于系統(tǒng)基準(zhǔn)容量除以變壓器的額定容量再乘以短路阻抗電壓百分?jǐn)?shù)。

1.4 變壓器短路阻抗的工程意義

變壓器的短路阻抗可分為電阻分量和電抗分量，對于110kV及以上的大型變壓器，電阻分量在短路阻抗中所占的比例非常小，短路阻抗值主要是電抗分量的數(shù)值。變壓器的短路電抗分量，就是變壓器繞組的漏電抗。變壓器的漏電抗可分為縱向漏電抗和橫向漏電抗兩部分，通常情況下，橫向漏電抗所占的比例較小。由于變壓器的漏電抗值由繞組鐵芯的幾何尺寸所決定，那么變壓器繞組鐵芯結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變勢必引起變壓器漏電抗的變化，從而引起變壓器短路阻抗數(shù)值的改變。

同容量的變壓器，阻抗電壓小的，制造成本低，效率高，價(jià)格便宜，另外運(yùn)行時(shí)的壓降及電壓變動率也小，電壓質(zhì)量容易得到控制和保證。因此，從電網(wǎng)的運(yùn)行角度考慮，希望阻抗電壓小一些好。但從變壓器限制短路電流條件考慮，則希望阻抗電壓大一些好，以免電氣設(shè)備（如斷路器、隔離開關(guān)、電纜等）在運(yùn)行中經(jīng)受不住短路電流的作用而損壞。

可見變壓器的短路阻抗，并不是越大越好，也不是越小越好，一般是要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來綜合考慮確定變壓器制造出廠的短路阻抗。對于電力系統(tǒng)分析所使用的變壓器等效短路阻抗值，由于其需要除以變壓器的額定容量來折算，那么在短路阻抗電壓百分?jǐn)?shù)相近的一些變壓器當(dāng)中，容量越大的，等效短路阻抗值就相對越小了。例如，A變壓器容量500MVA，短路阻抗電壓百分?jǐn)?shù)為6%，B變壓器容量為100MVA，短路阻抗電壓百分?jǐn)?shù)為5%，兩臺變壓器高壓側(cè)接同一母線，低壓側(cè)同一電壓等級的不同母線。那么盡管A變壓器的短路阻抗電壓百分?jǐn)?shù)大，但經(jīng)過容量折算后顯然是A變壓器的等效阻抗小，A變壓器低壓側(cè)母線發(fā)生短路時(shí)的短路電流比B變壓器低壓側(cè)母線發(fā)生短路時(shí)的短路電流要大。

2 系統(tǒng)短路電流計(jì)算

2.1 短路電流計(jì)算的目的

一是為了選擇和校驗(yàn)電氣設(shè)備。其中包括計(jì)算三相短路沖擊電流、沖擊電流有效值以校驗(yàn)電氣設(shè)備電動力穩(wěn)定，計(jì)算三相短路電流穩(wěn)態(tài)有效值用以校驗(yàn)電氣設(shè)備及載流導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性，計(jì)算三相短路容量以校驗(yàn)斷路器的遮斷能力等。

二是為繼電保護(hù)裝置的整定計(jì)算提供依據(jù)。在考慮正確、合理地裝設(shè)保護(hù)裝置，校驗(yàn)保護(hù)裝置靈敏度時(shí)，不僅要計(jì)算短路故障支路內(nèi)的三相短路電流值，還需知道其它支路短路電流分布情況。不僅要算出最大運(yùn)行方式下電路可能出現(xiàn)的最大短路電流值，還應(yīng)計(jì)算最小運(yùn)行方式下可能出現(xiàn)的最小短路電流值。

三是在設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，短路電流計(jì)算可為不同方案進(jìn)行技術(shù)性比較以及確定是否采取限制短路電流措施等提供依據(jù)。

2.2 短路電流的計(jì)算總原則

計(jì)算短路電流，要已知系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量、系統(tǒng)電壓、以及各個(gè)電氣元件的等效短路阻抗。一般電網(wǎng)調(diào)度部門會下達(dá)相關(guān)系統(tǒng)的阻抗圖，如圖1所示。

由圖1可見系統(tǒng)接線方式以及各個(gè)電氣元件的等效短路阻抗，其中系統(tǒng)阻抗有最大運(yùn)行方式和最小運(yùn)行方式下的正序、零序短路阻抗。以校驗(yàn)電氣設(shè)備為例，則要計(jì)算最嚴(yán)重的三相短路電流，采用系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下的正序短路阻抗。

2.3 短路電流的計(jì)算實(shí)例

（1）110kV母線K1點(diǎn)發(fā)生三相短路，短路電流等于系統(tǒng)基準(zhǔn)容量除以短路點(diǎn)的基準(zhǔn)額定電壓再除以√3再除以K1短路點(diǎn)的等效正序短路阻抗即可，單位為KA。

由于電網(wǎng)調(diào)度部門給出的系統(tǒng)短路阻抗一般只是考慮電網(wǎng)側(cè)以及各條輸電線路組成的等效阻抗，而這其中并不包括電廠側(cè)各發(fā)變組的等效阻抗。那么110kV母線K1點(diǎn)的正序短路阻抗需要將系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下的正序短路阻抗和110kV母線上所有發(fā)變組元件阻抗并聯(lián)求得。其中110kV母線上的啟備變阻抗并不需要參與并聯(lián)計(jì)算，因?yàn)樗菬o源元件，不提供短路電流。

綜上所述，110kV母線K1點(diǎn)的短路電流由系統(tǒng)容量經(jīng)系統(tǒng)阻抗，1、2、3號發(fā)電機(jī)容量分別經(jīng)1、2、3號發(fā)變組阻抗共同并聯(lián)提供。計(jì)算K1點(diǎn)的正序短路阻抗，首先要算出1號發(fā)電機(jī)阻抗和1號主變阻抗串聯(lián)構(gòu)成1號發(fā)變組等效阻抗（高廠變也是無源元件不提供短路電流，不考慮與發(fā)電機(jī)阻抗并聯(lián)，下同），同理分別構(gòu)成2、3號發(fā)變組等效阻抗，然后將1、2、3號發(fā)變組的等效阻抗和系統(tǒng)短路阻抗并聯(lián)即可求出K1點(diǎn)的正序短路阻抗。

（2）發(fā)電機(jī)出口K2點(diǎn)發(fā)生三相短路，短路電流等于系統(tǒng)基準(zhǔn)容量除以短路點(diǎn)的基準(zhǔn)額定電壓再除以√3再除以K2短路點(diǎn)的等效正序短路阻抗即可，單位為KA。

無論計(jì)算任何短路點(diǎn)，即便是發(fā)電機(jī)出口處的短路，系統(tǒng)容量和發(fā)電機(jī)容量都會向短路點(diǎn)提供電流，但此時(shí)也不需考慮加入發(fā)電機(jī)容量，因?yàn)橄到y(tǒng)的基準(zhǔn)容量已包含了電網(wǎng)中各發(fā)電機(jī)組的容量。開機(jī)方式的不同造成短路電流大小的區(qū)別，在計(jì)算結(jié)果中會由于最大運(yùn)行方式和最小運(yùn)行方式下的不同短路阻抗而體現(xiàn)出來。此外發(fā)電機(jī)出口處的短路，高廠變不提供短路電流，因此高廠變的正序短路阻抗不用考慮并聯(lián)其中。

那么，3號發(fā)電機(jī)出口K2點(diǎn)的短路電流由系統(tǒng)容量經(jīng)系統(tǒng)阻抗，1、2號發(fā)電機(jī)容量分別經(jīng)1、2號發(fā)變組阻抗三者共同并聯(lián)后經(jīng)3號主變阻抗提供。此外3號發(fā)電機(jī)容量經(jīng)3號發(fā)電機(jī)阻抗也向K2點(diǎn)提供短路電流。計(jì)算K2點(diǎn)的正序短路阻抗，首先可參照前文所述的方法計(jì)算出110kV母線的等效阻抗。這里特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，根據(jù)K2點(diǎn)的短路電流路徑，只需考慮系統(tǒng)、1號發(fā)變組、2號發(fā)變組三者的等效短路阻抗并聯(lián)，而3號發(fā)變組的等效阻抗不參與110kV母線等效阻抗的并聯(lián)計(jì)算。因?yàn)楫?dāng)110kV母線K1點(diǎn)短路時(shí)，系統(tǒng)和1號發(fā)變組、2號發(fā)變組、3號發(fā)變組都向故障點(diǎn)提供短路電流，3號主變相對于110kV母線是一個(gè)電源，自然要參與并聯(lián)計(jì)算。而3號發(fā)電機(jī)出口K2點(diǎn)短路時(shí)，短路電流的流向發(fā)生了變化，3號主變的電流由110kV母線流向3號發(fā)電機(jī)出口。此時(shí)相當(dāng)于系統(tǒng)、1號發(fā)變組、2號發(fā)變組經(jīng)3號主變向K2點(diǎn)提供短路電流。至于 3號發(fā)電機(jī)的容量，則被K2點(diǎn)全部短路，不再經(jīng)3號主變向110kV母線提供短路電流，3號主變相對于110kV母線由原先的電源轉(zhuǎn)變成為負(fù)荷，即無源設(shè)備。利用系統(tǒng)、1號發(fā)變組、2號發(fā)變組三者的等效短路阻抗并聯(lián)求出110kV母線等效阻抗后，再將該阻抗與3號主變阻抗串聯(lián)，最后再與3號發(fā)電機(jī)阻抗并聯(lián)即可求出K2點(diǎn)的正序短路阻抗。

（3）6kV母線K3點(diǎn)發(fā)生三相短路，短路電流等于系統(tǒng)基準(zhǔn)容量除以短路點(diǎn)的基準(zhǔn)額定電壓再除以√3再除以K3短路點(diǎn)的等效正序短路阻抗即可，單位為KA。

同理，計(jì)算K3點(diǎn)的正序短路阻抗，首先要用前文所述的方法計(jì)算出發(fā)電機(jī)出口K2點(diǎn)的正序短路阻抗，然后再用K2點(diǎn)的正序短路阻抗與3號高廠變阻抗串聯(lián)即可求出K3點(diǎn)的正序短路阻抗。

4 結(jié)束語

通過對變壓器的阻抗參數(shù)分析，變壓器的阻抗大小對變壓器的運(yùn)行影響很大，阻抗參數(shù)對電力系統(tǒng)運(yùn)行分析及短路電流計(jì)算結(jié)果存在明顯作用。本文通過現(xiàn)場實(shí)例進(jìn)行短路電流計(jì)算，為繼電保護(hù)裝置的整定計(jì)算提供依據(jù)，為選擇和校驗(yàn)電氣設(shè)備提供依據(jù)，為系統(tǒng)采取限制短路電流措施等提供依據(jù)。

作者簡介：張晨瑞（1970-），男，工程師，主要從事輸煤管理工作。