黃金峽電站、泵站主變低壓側(cè)限流方案研究

張 蕾，毛 敏

對(duì)于變壓器容量較大，低壓側(cè)電壓較低的電氣工程往往存在變壓器低壓側(cè)短路電流過(guò)大的問(wèn)題。為了減小該短路電流，以便選用合適的開(kāi)關(guān)設(shè)備，需采取一定的限流措施。限制短路電流最簡(jiǎn)單的方法是采用合理的運(yùn)行方式。若此方式不能滿足要求，可采取裝設(shè)限流電抗器并接快熔開(kāi)關(guān)或采用阻抗較高的變壓器，也可采用分裂變壓器等方式[1]。本文結(jié)合工程實(shí)際情況，通過(guò)電氣接線結(jié)構(gòu)和短路電流計(jì)算等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)三種方案進(jìn)行研究比選。

1 工程概況

黃金峽電站和泵站是陜西省引漢濟(jì)渭工程黃金峽水利樞紐的重要組成部分。泵站位于樞紐壩后左岸，安裝單機(jī)容量18 MW同步電動(dòng)機(jī)七臺(tái)，運(yùn)行方式為六用一備，總裝機(jī)126 MW，運(yùn)行總?cè)萘?08 MW。電站位于樞紐右岸泵站下游，安裝單機(jī)容量45 MW的水輪發(fā)電機(jī)組三臺(tái)，總裝機(jī)容量135 MW。

電站、泵站共用一個(gè)110 kV升壓站，采用兩回110 kV線路接入330 kV洋縣變電站，升壓站采用雙母線接線形式。3臺(tái)發(fā)電機(jī)分別和3臺(tái)變壓器組成3個(gè)單元接線，在發(fā)電機(jī)和主變壓器之間裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器，每臺(tái)發(fā)電機(jī)端分別引出一段母線，形成三段發(fā)電機(jī)電壓母線，三段母線之間均采用分段斷路器連接，三段發(fā)電機(jī)電壓母線分別連接3臺(tái)、1臺(tái)、3臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)。電站和泵站共裝設(shè)的3臺(tái)主變壓器，容量均為63 MVA，電壓為 121±8×1.25%/13.8 kV。

2 限制短路電流的必要性

短路故障是電力系統(tǒng)常見(jiàn)的故障之一，其短路電流嚴(yán)重影響系統(tǒng)及電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，發(fā)生短路時(shí)要求快速切除故障，縮小影響范圍。短路時(shí)，強(qiáng)大的短路電流所產(chǎn)生的熱和電動(dòng)力效應(yīng)會(huì)使電氣設(shè)備受到破壞，短路點(diǎn)的電弧可能燒毀電氣設(shè)備，短路點(diǎn)附近的電壓顯著降低，使供電受到嚴(yán)重影響或被迫中斷。研究表明，短路電流越大，高壓斷路器開(kāi)斷電弧時(shí)的電流越大，過(guò)大電流引起電弧溫度升高，造成電弧熄滅困難。如果燃弧時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將燒壞開(kāi)關(guān)金屬觸頭，嚴(yán)重時(shí)甚至造成電力系統(tǒng)事故，影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。因此需要采取合理的措施來(lái)限制短路電流。

根據(jù)工程規(guī)模，黃金峽泵站屬Ⅰ等大型工程，地位重要，工程供電可靠性要求高。雖然在工程主接線設(shè)計(jì)方案中已經(jīng)考慮采用變壓器分列運(yùn)行的方式來(lái)降低短路電流，但是經(jīng)計(jì)算，采用阻抗電壓為10.5%的常規(guī)雙繞組變壓器，變壓器低壓側(cè)13.8 kV母線最大暫態(tài)短路電流有效值為49.05 kA,短路電流沖擊值為131.94 kA。主變低壓側(cè)短路電流仍處于較高的水平，故需要研究其限流方案。

3 主變低壓側(cè)限流方案

由于短路電流與短路阻抗成反比，而短路電動(dòng)力與短路電流的平方成正比，所以短路電動(dòng)力與短路阻抗倒數(shù)的平方成正比。由此可知，通過(guò)提高短路阻抗來(lái)降低短路電流以達(dá)到降低短路電動(dòng)力的效果非常顯著。

在一些工礦企業(yè)采用在主變低壓側(cè)裝設(shè)限流電抗器并接大容量快熔開(kāi)關(guān)的方式來(lái)限制短路電流。由于快熔開(kāi)關(guān)阻抗很小，所以正常情況下電流經(jīng)快熔開(kāi)關(guān)流過(guò)，短路時(shí)快熔開(kāi)關(guān)在20 ms內(nèi)熔斷，短路電流流過(guò)限流電抗器，起到限流作用。這種措施既避免了正常情況短路電流流經(jīng)限流電抗器引起的損耗，又有效地限制了短路電流，但由于其接線復(fù)雜且占地面積較大，適用于廠房面積較大的工程。

據(jù)調(diào)查，在電力系統(tǒng)及一些終端變電所，對(duì)大容量主變采用高阻抗變壓器來(lái)限流，即將變壓器阻抗加大，加大了變壓器的電壓損失和無(wú)功損耗，有功損耗變化不大，變壓器尺寸變化也不大，與加裝限流電抗器相比，占地面積大大減少，在主變?nèi)萘看笥?0 MVA的變電所效果顯著。

另外，采用分裂變壓器也是限制短路電流的有效措施。把變壓器低壓繞組分成兩個(gè)相等容量的繞組，可大大增加各個(gè)分裂繞組和分裂繞組間電抗。對(duì)于常用的110 kV分裂變壓器其分裂繞組的電抗為2×10.5%=21%（110 kV普通雙繞組變壓器的標(biāo)準(zhǔn)電抗為10.5%），而分裂繞組間的電抗為4×10.5%=42%，從而使低壓短路電流比普通雙繞組變壓器降低。但是，分裂變壓器與普通變壓器相比，在容量、電壓等級(jí)、調(diào)壓范圍相同的情況下，材料消耗較多（如硅鋼片，線圈用銅量等），從而使變壓器成本有所增加。根據(jù)國(guó)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，采用分裂繞組變壓器以增大變壓器的阻抗值是限制短路電流切實(shí)可行的方法[2]。

4 限流方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

針對(duì)主變低壓側(cè)限流問(wèn)題，下面從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面對(duì)該工程采用主變低壓側(cè)加裝限流電抗器并接快熔開(kāi)關(guān)，高阻抗變壓器和雙分裂變壓器三個(gè)方案進(jìn)行分析比較。

4.1 電氣接線結(jié)構(gòu)

方案一采用阻抗為Uk=10.5%的常規(guī)雙繞組變壓器三臺(tái)，三個(gè)單元接線的發(fā)電機(jī)與主變壓器之間加裝限流電抗器并接快熔開(kāi)關(guān)，三段發(fā)電機(jī)母線分別連接3臺(tái)、1臺(tái)、3臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)。方案二采用阻抗Uk=18%的高阻抗雙繞組變壓器三臺(tái)，發(fā)電機(jī)與主變壓器采用單元接線，三段發(fā)電機(jī)母線分別連接3臺(tái)、1臺(tái)、3臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)。方案三采用三臺(tái)分裂繞組變壓器，兩個(gè)低壓分裂繞組其中一個(gè)繞組接發(fā)電機(jī)，另一繞組接同步電動(dòng)機(jī)母線，組成擴(kuò)大單元接線。同步電動(dòng)機(jī)仍然按3臺(tái)、1臺(tái)、3臺(tái)的分配方式與低壓分裂繞組連接。接線如圖1。

圖1 電氣接線圖

經(jīng)研究，以上三個(gè)接線方案均能滿足工程需求。方案一二電動(dòng)機(jī)母線均從發(fā)電機(jī)出口引接，方案一采用限流電抗器并接快熔開(kāi)關(guān)，相比其他兩個(gè)方案增加了限流電抗器和快熔開(kāi)關(guān)，接線結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。方案三采用分裂繞組變壓器，電動(dòng)機(jī)母線直接從主變壓器低壓側(cè)引接，與發(fā)電機(jī)沒(méi)有直接聯(lián)系。與方案一、二相比，若主變壓器至發(fā)電機(jī)出口斷路器之間線路故障，方案三供電可靠性更高。

4.2 短路電流計(jì)算

根據(jù)電力系統(tǒng)參數(shù)，按系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下，正常接線方式發(fā)生三相短路最嚴(yán)重的情況來(lái)計(jì)算黃金峽電站、泵站短路電流[3]。

方案一變壓器采用阻抗電壓Uk=10%的普通阻抗變壓器，可根據(jù)需要選擇合適的電抗器將短路電流限制到需要的值。方案二取變壓器阻抗電壓Uk=18%，方案三采用分裂繞組變壓器，取分裂變壓器穿越電抗X1-2=10%，分裂系數(shù)Kf=3.5，根據(jù)計(jì)算參數(shù)，計(jì)算各元件阻抗標(biāo)幺值如圖 2。

圖2 短路阻抗圖

經(jīng)計(jì)算，方案一加裝限流裝置，電動(dòng)機(jī)母線的短路電流降低34.7%。方案二的變壓器阻抗由10.5%提高到18%,電動(dòng)機(jī)母線電壓的短路水平下降到42.32 kA，下降幅度為13.9%。方案三采用分裂繞組變壓器，電動(dòng)機(jī)母線電壓的短路水平下降到25.55，下降幅度高達(dá)47.91%。一般情況下，斷路器不可能在短路0秒瞬時(shí)開(kāi)斷，需要一定的開(kāi)斷時(shí)間，當(dāng)斷路器在0.06秒開(kāi)斷時(shí)，短路電流會(huì)進(jìn)一步降低。顯然，從限制短路電流角度考慮，方案二對(duì)于限制短路電流有一定作用，但方案一采用限流電抗器和方案三的限流作用更為顯著。短路電流計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 短路電流計(jì)算結(jié)果

4.3 綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

方案一由于增加限流設(shè)備，占地面積大大增加（每套限流裝置增加約70 m2），工程投資也隨之增加。方案二變壓器阻抗電壓增高，可使變壓器本體的短路沖擊電動(dòng)力減少，大大降低變壓器受電動(dòng)沖擊破壞的幾率，但要加大變壓器尺寸。方案三由于分裂變壓器采用兩個(gè)低壓繞組，硅鋼片和線圈材料消耗較多，從而使變壓器損耗和成本有所增加。

從設(shè)備價(jià)格考慮，發(fā)電機(jī)出口斷路器由于在直流分量、開(kāi)斷次數(shù)等技術(shù)性能上比普通斷路器高很多，發(fā)電機(jī)的電感值較系統(tǒng)相對(duì)要大，作為保護(hù)，斷路器在瞬間所承受的直流分量和衰減時(shí)間常數(shù)均大得多，所以在價(jià)格上要遠(yuǎn)高于普通斷路器。因此在方案經(jīng)濟(jì)比選時(shí)，把發(fā)電機(jī)出口斷路器和主變壓器一并作比較。三個(gè)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表2。

表2 三個(gè)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析研究，三個(gè)方案在限制短路方面均有一定效果。方案一雖然主變壓器價(jià)格最低，但是由于增加限流裝置，不僅增加占地面積，而且該方案接線復(fù)雜，土建投資也大大增加，雖然在某些變電站已有應(yīng)用，但不適用于副廠房面積較小的黃金峽電站。方案三限制短路電流效果顯著，但是分裂變壓器制造成本高，損耗較前兩個(gè)方案增加較多。另外，我國(guó)對(duì)分裂變壓器的研究和制造應(yīng)用起步較晚，這類變壓器主要用在火電廠廠用系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)中，作為主變壓器應(yīng)用實(shí)例相對(duì)較少，需進(jìn)一步研究其應(yīng)用的細(xì)節(jié)問(wèn)題。方案二采用高阻抗變壓器在磁密、電密不變時(shí)提高阻抗會(huì)增加損耗，在目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有發(fā)布高阻抗變壓器是否允許提高空載損耗和負(fù)載損耗的情況下，高阻抗變壓器一般會(huì)采取降磁密電密措施，其損耗與方案一相當(dāng)。占地面積相比方案一大大減少，一次性投資最低。綜合比較，方案二是限制黃金峽電站泵站主變低壓側(cè)短路電流的最優(yōu)方案，推薦采用。

另外，該工程目前還處在設(shè)計(jì)階段，電氣設(shè)備參數(shù)有可能與實(shí)際不同，但是系統(tǒng)參數(shù)不會(huì)發(fā)生變化，其研究方法對(duì)類似工程有一定的借鑒意義。

[1]解新民.黃金峽泵站、電站電氣主接線設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題的研究[J].陜西水利,2012.03.

[2]王世榮.分裂變壓器的特點(diǎn)及運(yùn)行[J].四川電力技術(shù),2001.11.

[3]弋東方等.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)電氣一次部分[M].北京：中國(guó)電力出版社，1989.