限流裝置對變壓器抗短路能力提升作用分析

王 軒，龍 飛，張江超，陸 聰

（1.國網(wǎng)伊犁伊河供電有限責(zé)任公司，新疆伊寧 835000；2.安徽正廣電電力技術(shù)有限公司，安徽合肥 230000）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展和系統(tǒng)短路容量的不斷增加，短路電流水平逐漸攀升，甚至超出了變壓器的耐受閾值，給變壓器繞組結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來不利影響。變壓器在受到短路電動力作用后會發(fā)生形變，當(dāng)形變累積到一定程度時(shí)，會造成變壓器繞組損壞。

為提高變壓器抗短路電流能力，國內(nèi)外電力工作者提出了多種方法和措施，例如采用分裂變壓器、調(diào)整網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、改變系統(tǒng)運(yùn)行方式等。電抗器作為限流元件，能夠減小短路電流，并使短路瞬間系統(tǒng)的電壓保持不變。

由電感器構(gòu)成的限流電抗器，在交流系統(tǒng)中會對回路電流產(chǎn)生阻抗的作用，限制回路的電流大小。不過，由于電抗器是感性元件，如果一直處于限流的狀態(tài)，則會消耗大量的感性無功功率，雖然可以對高壓長距離輸電線路進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，但對于中低壓配電系統(tǒng)來說，會對系統(tǒng)造成無功功率擾動、降低電能質(zhì)量。為此，對限流電抗器加以改進(jìn)，以避免無功功率的損耗。

分裂限流電抗器，可以在正常情況下保證流過兩分裂支路的電流大小相等、方向相反，從而使兩分裂支路電流所產(chǎn)生的磁場方向相反，可以互相抵消，理論上可以使限流電抗器的等值阻抗值降為零，將其對電力系統(tǒng)的影響降到最低。不過會因?yàn)楣に噯栴}，實(shí)際的等值阻抗不為零，還是會造成一定的無功功率消耗。

此外，還有一種零損耗限流電抗器，它利用控制開關(guān)進(jìn)行投切。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電抗器不接入線路。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，限流電抗器開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將電抗器投入系統(tǒng)進(jìn)行限流。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常后，電抗器與系統(tǒng)斷開連接。由于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)電抗器不接入線路，因此可以實(shí)現(xiàn)無損耗。目前，在高、中壓電網(wǎng)采用串聯(lián)型零損耗限流電抗器限制變壓器短路電流，已經(jīng)成為最為有效的措施。

1 變壓器短路電流電動力模型

變壓器通過主磁場傳遞能量，進(jìn)行電能—磁能—電能的耦合，從而實(shí)現(xiàn)功率傳輸。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，一次側(cè)電場轉(zhuǎn)換的磁場，并通過主磁通將其傳遞到二次側(cè)，二次側(cè)繞組再將磁場能轉(zhuǎn)換為電場能。由于空氣磁阻的作用，此時(shí)的漏磁通非常小，對繞組產(chǎn)生的電磁力也不大，不會造成繞組形變。而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障，流過繞組的電流劇增時(shí)，所產(chǎn)生的磁通將有很大一部分通過空氣間隙閉合，從而形成漏磁場。此時(shí)，變壓器繞組被漏磁場包圍并與漏磁場耦合作用。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通電導(dǎo)體在磁場中會受到電磁力作用。因此，繞組會受到漏磁場電磁力作用而產(chǎn)生形變，短路電流越大，漏磁通密度也會越大，對繞組產(chǎn)生電磁力也越大。根據(jù)麥克斯韋方程組，推得短路時(shí)軸向平均漏磁磁密為:

據(jù)此可以得到變壓器繞組輻向電磁力模型：

其中，I0max為短路沖擊電流，W 為每相額定匝數(shù)，d為繞組平均半徑，Hk為繞組電抗高度，ρ 為洛氏系數(shù)。

則變壓器應(yīng)力為:

其中，m 為相并聯(lián)支路數(shù)，n 為并繞導(dǎo)線根數(shù)，Ax為單根導(dǎo)線的截面積。

短路輻向電動力瞬時(shí)值為：

其中，Kd為非穩(wěn)定電流衰減系數(shù)，K1短路電流穩(wěn)定值倍數(shù)。

短路沖擊電流下的軸向電動力為：

其中，λ 為輻向漏磁寬度，ρs為輻向漏磁洛氏系數(shù)，Cpm為每區(qū)域匝數(shù)的百分比，

受軸向短路力作用，導(dǎo)線的軸向彎曲應(yīng)力為：

式中，am為最大不平衡安匝百分比，a、b 為導(dǎo)線厚度與寬度。

據(jù)此，可以分析短路電流作用下變壓器繞組在上述電動力影響下的形變。

2 零損耗限流電抗器作用機(jī)理

零損耗深度限流核心元件是電抗器，它主要由電感組成。不過，為達(dá)到零損耗運(yùn)行狀態(tài)，還需要給電抗器配置快速換流器、故障電流快速識別器及電流信號傳感器（圖1、圖2）。

圖1 零損耗限流器原理

圖2 零損耗限流器系統(tǒng)仿真

圖1 中，L1、L2 為限流電抗器，可以根據(jù)故障電流的大小來確定投入的阻抗；K1、K2 為快速投切開關(guān)，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)二者均閉合，以隔離L1、L2，發(fā)生故障后K1、K2 根據(jù)需要投切；C1、C2 為分壓器，CT 為電流互感器，用來監(jiān)測母線電流。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，L1、L2 均被隔離，不串入系統(tǒng)，因此也不會產(chǎn)生電壓降與無功功率損耗。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，電流信號傳感器裝置CT 將監(jiān)測到的母線電流送入故障電流快速識別器中。當(dāng)判定為故障電流時(shí)，根據(jù)電流幅值斷開開關(guān)K1、K2 或者二者均斷開，將電抗器L1 或L2 單獨(dú)投入系統(tǒng)，或?qū)⒍咄瑫r(shí)投入系統(tǒng)，對短路電流進(jìn)行限制，將短路電流降低至短路器可遮斷容量范圍內(nèi)，保證變壓器安全運(yùn)行。故障消失后，K1、K2 閉合，切除限流裝置，以保證其不會對系統(tǒng)造成影響。

由于要進(jìn)行短路電流的監(jiān)測與辨識需要消耗一定的時(shí)間，而短路故障作用時(shí)間越長對系統(tǒng)危害越大，因此需要K1、K2 能夠快速響應(yīng)。目前所研發(fā)的快速開關(guān)可以在7～8 ms 之內(nèi)動作，當(dāng)短路電流的第一次過零點(diǎn)時(shí)可以將L1、L2 串入線路，達(dá)到深度限流目的。采用真空斷路器可以實(shí)現(xiàn)快速投切，保證在20 ms 內(nèi)將電流限制在允許范圍之內(nèi)。事實(shí)上，零損耗深度限流裝置可以由多個(gè)類似于L1、L2 的電抗器構(gòu)成，可以達(dá)到足夠深的限流效果。同時(shí)，多個(gè)電抗器還能克服電壓波動問題。在正常運(yùn)行條件下時(shí)，如果快速換流器誤跳閘，還能利用快速識別器進(jìn)行判斷，自動控制其重新合閘，實(shí)現(xiàn)自愈。圖3 為投入限流電抗器前后的某系統(tǒng)故障電流波形。

圖3 限流電抗器投入前后故障電流

由圖3 可以看出，投入限流電抗器后故障電流大幅下降，達(dá)到了系統(tǒng)限流要求。

3 案例分析

某系統(tǒng)使用的SFSZ9-40000/110 型變壓器參數(shù)如表1 所示。

表1 SFSZ9-40000/110 型變壓器參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，利用COMSOL 對變壓器進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)建模（圖4）。

圖4 變壓器繞組形變仿真模型

變壓器鐵芯和繞組網(wǎng)格劃分剖分結(jié)果如圖5 所示。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出單相接地短路電流水平為變壓器額定電流的3 倍。不投入限流電抗器時(shí)，在短路電流沖擊下，變壓器繞組形變仿真結(jié)果如圖6所示。投入限流電抗器后，短路電流下降至額定電流的1.5 倍，此時(shí)變壓器繞組形變仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖5 變壓器模型網(wǎng)格劃分

圖6 未投入限流電抗器時(shí)變壓器繞組形變

圖7 投入限流電抗器后變壓器繞組形變

對比圖6、圖7 可知，投入限流電抗器后，變壓器繞組形變從最大值4.22×10-4dm 下降到3.68×10-4dm，有效提高了變壓器的動穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文基于零損耗限流電抗器作用機(jī)理進(jìn)行研究，通過對比投入限流電抗器前后，短路電流造成變壓器繞組形變的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了限流電抗器可以有效降低變壓器短路電流水平，減小變壓器繞組形變，有效提高了變壓器抗短路電流電動力的能力。