240 MVA高阻抗主變壓器在220 kV變電站中的應(yīng)用研究

蔡燕　耿偉

摘 要：首先，介紹大型變壓器出口短路電流的產(chǎn)生及影響，限制變電站10 kV母線短路電流的措施，南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中220 kV變電站采用240 MVA主變時(shí)低壓側(cè)限制10 kV短路電流的通用設(shè)計(jì)方案；然后，針對(duì)限制10 kV側(cè)短路電流，基于一個(gè)具體項(xiàng)目對(duì)采用常規(guī)阻抗變壓器加10 kV限流電抗器和采用高阻抗變壓器兩個(gè)方案進(jìn)行討論和對(duì)比，兩種方案在短路電流水平、綜合能耗上有差異；最后，從運(yùn)行維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性、電費(fèi)損耗等角度進(jìn)行分析，得出采用高阻抗變壓器更加符合降低投資和能耗的要求，可為今后南網(wǎng)220 kV變電站240 MVA主變的選擇提供更有價(jià)值的借鑒。

關(guān)鍵詞：高阻抗變壓器；綜合能耗；經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)：TM401? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）13-0027-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.007

0? ? 引言

電網(wǎng)容量逐步擴(kuò)大，用電負(fù)荷增加，導(dǎo)致電網(wǎng)短路電流劇增，短路容量增大；而由于設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中技術(shù)水平的限制，大型電力變壓器抵抗出口短路沖擊的能力不足。主變低壓側(cè)發(fā)生故障，將造成主變低壓側(cè)出口的短路電流水平超出10 kV設(shè)備制造水平，尤其是在使用大容量240 MVA變壓器的220 kV變電站，影響更為嚴(yán)重。

配網(wǎng)設(shè)備承受的短路開(kāi)斷電流是25 kA，需將變電站10 kV母線短路電流控制在25 kA以內(nèi)，因此必須結(jié)合變電站的具體情況采取相應(yīng)的限流措施。通常降低10 kV短路電流的措施有：1）變壓器低壓側(cè)分列運(yùn)行；2）裝設(shè)出線電抗器，但占據(jù)空間大，投資花費(fèi)也極高；3）提高10 kV系統(tǒng)運(yùn)行電壓等級(jí)，但升級(jí)改造難度大；4）常規(guī)阻抗變壓器10 kV出線加裝限流電抗器；5）選用高阻抗變壓器。在低壓側(cè)分列運(yùn)行仍無(wú)法降低10 kV短路電流時(shí)，在南方電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，220 kV變電站240 MVA主變壓器限制低壓側(cè)10 kV短路電流的主要設(shè)計(jì)方案是采用常規(guī)阻抗變壓器加裝限流電抗器[1]，該措施設(shè)備占地面積大，設(shè)備可靠性低，且未能從根本上解決主變低壓側(cè)出口短路電流大的問(wèn)題。

本文以具體工程為例，針對(duì)常規(guī)阻抗變壓器10 kV出線側(cè)加裝電抗器和高阻抗變壓器兩種方案，從主變10 kV出口短路電流水平、用地面積、綜合能耗等方面進(jìn)行分析和對(duì)比。

1? ? 工程概況

220 kV某變電站最終建設(shè)規(guī)模為4×240 MVA主變，由220/110/10 kV三個(gè)電壓等級(jí)構(gòu)成。遠(yuǎn)景年歸算到本站等值電路阻抗標(biāo)幺值為：220 kV母線側(cè)正序X1=0.007，負(fù)序X2=0.007，零序X0=0.013；110 kV母線側(cè)阻抗為無(wú)窮大，高、中壓側(cè)4臺(tái)主變并列運(yùn)行，低壓側(cè)分列運(yùn)行。

2? ? 短路電流計(jì)算

根據(jù)南方電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CSG 1107001—2018《35 kV～500 kV變電站裝備技術(shù)導(dǎo)則（變電一次分冊(cè)）》要求，為取得合理的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)從網(wǎng)架設(shè)計(jì)、采用的電壓等級(jí)、主接線、變壓器容量和阻抗的選擇、運(yùn)行方式等方面著手。變電站各級(jí)母線的短路電流水平限值：220 kV電壓等級(jí)不超過(guò)50 kA，110 kV電壓等級(jí)不超過(guò)40 kA，10 kV電壓等級(jí)不超過(guò)25 kA。

南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中220 kV變電站選用240 MVA主變壓器時(shí)，均按照常規(guī)阻抗變壓器10 kV進(jìn)線側(cè)配置10%電抗率的10 kV限流電抗器設(shè)計(jì)，以達(dá)到限制10 kV母線短路電流水平的目的。優(yōu)化結(jié)果一般采用兩種阻抗的主變壓器：Uk1-2%=14，Uk2-3%=21，Uk1-3%=35或者Uk1-2%=14，Uk2-3%=35，Uk1-3%=50?，F(xiàn)在引入高阻抗變壓器Uk1-2%=14，Uk2-3%=50，Uk1-3%=65的方案，計(jì)算3種規(guī)格變壓器出口短路結(jié)果，如表1所示。

220 kV變電站主變中性點(diǎn)采用直接接地的方式，限制了單相故障短路電流水平，三相短路故障卻會(huì)引起非常嚴(yán)重的后果，在短路電流沖擊下，變壓器會(huì)發(fā)生低壓側(cè)繞組嚴(yán)重變形、絕緣擊穿等事故，因此變壓器出口短路成為影響變壓器安全運(yùn)行的最重要因素之一[2]。

當(dāng)采用高阻抗變壓器時(shí)，主變低壓側(cè)10 kV母線短路電流為22.3 kA，無(wú)須設(shè)置限流電抗器即可滿足低壓側(cè)短路電流要求。計(jì)算結(jié)果表明，限抗后，220 kV、110 kV母線短路電流分別小于50 kA、40 kA，10 kV母線短路電流小于25 kA，各短路點(diǎn)短路電流均滿足南方電網(wǎng)短路電流限值要求。但采用更高阻抗變壓器（Uk1-2%=14，Uk2-3%=50，Uk1-3%=65），不僅可取消10 kV限流電抗器的配置，將10 kV母線短路電流水平控制在25 kA內(nèi)，同時(shí)降低了對(duì)變壓器出口短路電流水平的要求，提高了主變抗出口短路電流能力，加強(qiáng)了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3? ? 技術(shù)分析比較

下面從系統(tǒng)接線、平面布置、綜合能耗、運(yùn)行維護(hù)等方面，對(duì)上述3種阻抗電壓的主變壓器進(jìn)行技術(shù)分析比較。

3.1? ? 接線及平面布置

高阻抗變壓器的接線比常規(guī)阻抗變壓器的接線方式更加簡(jiǎn)單，給運(yùn)維帶來(lái)了極大的便利。采用高阻抗變壓器10 kV出口側(cè)不需要加裝10 kV限流電抗器，與南網(wǎng)V3.0版典設(shè)220B-G2b模塊的10 kV配電裝置布置比較，縱向布置可減少5 m，主變至綜合樓縱向距離至少可壓縮5 m，橫向?yàn)?0 m，節(jié)約建筑面積約400 m2。

另外，從主變外形尺寸進(jìn)行比較，主變廠家提供的220 kV主變240 MVA外形尺寸如表2所示。

可見(jiàn)，普通阻抗和高阻抗變壓器外形尺寸差別不大，長(zhǎng)和寬差別均不到1.5 m，南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中考慮主變的區(qū)域面積為19.8 m（長(zhǎng)）×15 m（寬），均可以放置，節(jié)省了用地指標(biāo)，不會(huì)因?yàn)椴捎酶咦杩棺儔浩鞫黾又髯儏^(qū)域的占地面積。

3.2? ? 綜合能耗

采用常規(guī)阻抗變壓器加10 kV限流電抗器，電能損耗除需考慮常規(guī)阻抗變壓器的損耗外，還需要考慮限流電抗器的損耗以及限流電抗器室通風(fēng)散熱的風(fēng)機(jī)損耗。

限流電抗器需安裝在室內(nèi)，由于設(shè)備發(fā)熱比較大，因此需要在電抗器室內(nèi)考慮通風(fēng)散熱措施。經(jīng)核算，每間限流電抗器室需要配置2臺(tái)功率為0.75 kW的風(fēng)機(jī)。240 MVA常規(guī)阻抗變壓器損耗為250 kW，每間電抗器室內(nèi)的3臺(tái)電抗器損耗為70 kW，風(fēng)機(jī)損耗為1.5 kW，則單臺(tái)變壓器損耗總量為321.5 kW。

10 kV限流電抗器室布置在配電裝置樓內(nèi)靠主變側(cè)，出于對(duì)主變防火要求考慮，綜合樓內(nèi)限抗器室和高壓室之間的通道兩側(cè)的門(mén)均需采用防火門(mén)，防火門(mén)比較緊密，影響空氣流動(dòng)進(jìn)走廊，限抗器室進(jìn)風(fēng)百葉在走廊側(cè)墻上，進(jìn)風(fēng)量小，則風(fēng)阻力大，為了抵消阻力，風(fēng)機(jī)的功率需要加大，則實(shí)際損耗會(huì)比理論計(jì)算值還要大。

經(jīng)咨詢國(guó)內(nèi)主要的主變供應(yīng)廠家，根據(jù)項(xiàng)目需求，采用高阻抗變壓器額定損耗可以做到315 kW，比常規(guī)阻抗變壓器的損耗略高，但是不存在電抗器的損耗和通風(fēng)設(shè)備的損耗，只考慮高阻抗變壓器本身的損耗315 kW即可。

在綜合能耗方面，高阻抗變壓器變低10 kV側(cè)沒(méi)有配置限流電抗器，而采用常規(guī)阻抗變壓器需在10 kV側(cè)加裝限流電抗器。綜合考慮，采用高阻抗變壓器的損耗比采用常規(guī)阻抗變壓器加限流電抗器的損耗總和要低，每年每臺(tái)主變減少損耗電量約5.694萬(wàn)kW·h，按30年使用年限計(jì)算變壓器損耗，則每臺(tái)變壓器在全壽命周期內(nèi)減少損耗電量約170.82萬(wàn)kW·h。

3.3? ? 運(yùn)行維護(hù)

常規(guī)阻抗變壓器投產(chǎn)后會(huì)產(chǎn)生10 kV限抗器及限抗器室內(nèi)通風(fēng)設(shè)備的維護(hù)問(wèn)題，并且10 kV限抗器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的渦流效應(yīng)會(huì)使得室內(nèi)溫度很高，當(dāng)受限于建筑布局通風(fēng)設(shè)備熱量無(wú)法及時(shí)排出時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致電抗器發(fā)生火災(zāi)等事故。10 kV空芯限流電抗器是干式型，構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，器身沒(méi)有保護(hù)，在沒(méi)有保護(hù)的情況下發(fā)生故障，也極易導(dǎo)致重大火災(zāi)事故。

長(zhǎng)期以來(lái)，限抗器的設(shè)備質(zhì)量和發(fā)熱一直都是困擾設(shè)計(jì)和運(yùn)行單位的問(wèn)題，無(wú)法有效地解決限抗器室內(nèi)的通風(fēng)散熱問(wèn)題，如能減少10 kV限流電抗器的使用，則可徹底避免運(yùn)維問(wèn)題，并減少故障點(diǎn)的存在。

3.4? ? 經(jīng)濟(jì)性和電費(fèi)損耗

從建筑工程費(fèi)、設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、安裝工程費(fèi)、運(yùn)維費(fèi)用等工程造價(jià)方面對(duì)兩種阻抗變壓器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析比較。高阻抗變壓器和常規(guī)阻抗變壓器安裝工程費(fèi)用一樣，區(qū)別在于設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，常規(guī)阻抗變壓器每臺(tái)約860萬(wàn)元，高阻抗變壓器每臺(tái)約1 000萬(wàn)元；常規(guī)阻抗變壓器在變低側(cè)需要加裝10 kV限抗器，每臺(tái)主變10 kV限抗器安裝工程費(fèi)用為33.5萬(wàn)元；每間限抗器室建筑工程費(fèi)和室內(nèi)銅排、通風(fēng)等設(shè)備材料安裝費(fèi)用按照3 500元/m2（綜合投資費(fèi)用）概算考慮，節(jié)省面積400 m2，合計(jì)4間電抗器室綜合投資費(fèi)用140萬(wàn)元；投產(chǎn)后因限抗器室每年產(chǎn)生的運(yùn)維費(fèi)用按資產(chǎn)原值的2.5%計(jì)算約為5.5萬(wàn)元，設(shè)備使用年限為30年，則多增加運(yùn)維費(fèi)用165萬(wàn)元。綜合投資費(fèi)用包含建筑、通風(fēng)、照明等內(nèi)容，按4臺(tái)主變規(guī)模考慮電抗器的安裝，變壓器按照本期投運(yùn)2臺(tái)考慮，則高阻抗變壓器因沒(méi)有產(chǎn)生電抗器室的投資費(fèi)用，所以比常規(guī)阻抗變壓器節(jié)省投資約80萬(wàn)元。

上述費(fèi)用僅按本期新建2臺(tái)主變規(guī)模進(jìn)行對(duì)比，沒(méi)有按照終期4臺(tái)主變規(guī)模比較，高阻抗變壓器比常規(guī)阻抗變壓器設(shè)備費(fèi)用高，但常規(guī)阻抗變壓器加裝限抗器的綜合費(fèi)用較高，且后期存在運(yùn)維費(fèi)用，而高阻抗變壓器后期顯然不會(huì)產(chǎn)生10 kV限抗器這部分運(yùn)維費(fèi)用。綜合而言，采用高阻抗變壓器更具有經(jīng)濟(jì)性。

針對(duì)220 kV變電站建設(shè)240 MVA主變壓器，比較采用高阻抗變壓器和常規(guī)阻抗變壓器加限流電抗器兩個(gè)方案的損耗：采用高阻抗變壓器方案，按30年使用年限計(jì)算，每臺(tái)主變減少損耗電量約170.82萬(wàn)kW·h。變電站首期按2臺(tái)主變建設(shè)，按0.61元/（kW·h）電費(fèi)核算，每年節(jié)約主變損耗費(fèi)用約6.95萬(wàn)元，運(yùn)行30年節(jié)約費(fèi)用208.4萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，使用高阻抗變壓器方案不僅具有較好的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)能降損效果也更加顯著。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

220 kV變電站240 MVA容量主變采用高阻抗變壓器的方案限制出口短路電流和限制10 kV側(cè)母線電流，相比采用常規(guī)阻抗變壓器加10 kV限流電抗器方案，減少了占地面積，布置清晰，接線簡(jiǎn)單，減少了故障點(diǎn)，限制了變壓器出口短路電流，提高了變壓器抗短路能力，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性、供電可靠性。240 MVA主變采用高阻抗變壓器方案更為經(jīng)濟(jì)，更加節(jié)能降耗。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 南方電網(wǎng)公司35 kV～500 kV變電站標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[Z]，2017.

[2] 黃華.三繞組高阻抗電力變壓器聯(lián)合運(yùn)行損耗的特征及溫升考核方法探討[J].變壓器，2021，58（2）：24-29.

收稿日期：2023-03-02

作者簡(jiǎn)介：蔡燕（1978—），女，廣西桂平人，工程師，研究方向：變電站電氣設(shè)計(jì)。