應(yīng)用高阻抗變壓器限制系統(tǒng)的短路電流

蘇國友，袁軍芳

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司,安徽馬鞍山 243000)

引言

冶金企業(yè)配電系統(tǒng)的一個主要特點是:供電變壓器容量大，負荷集中；供電線路多為大容量、長度短的電纜；電動機負荷多，構(gòu)成電動機群組。此外，冶金企業(yè)為解決蒸汽問題，大都建設(shè)了集供熱和供電于一體的熱電廠。20 世紀90 年代起，高爐TRT、焦爐CDQ、燒結(jié)余熱發(fā)電等能源綜合利用小發(fā)電機組成為企業(yè)電力系統(tǒng)的標配，且基本都在就近的總降類變電所中低壓母線并網(wǎng)。進入21世紀后，為保護環(huán)境，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建設(shè)了燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組即CCPP 發(fā)電機組。上述情況，導致冶金企業(yè)中低壓配電系統(tǒng)母線短路容量逐步上升，甚至達到或超過在役開關(guān)的開斷能力限值，嚴重影響系統(tǒng)安全和人身安全。

1 變電所概況

某企業(yè)110 kV 燒結(jié)總降變電所建于20 世紀90年代初期，安裝有2 臺31.5 MVA、電壓為110/10.5/6.3 kV 的變壓器。變電所設(shè)備均為屋內(nèi)布置，占地約（90×60）m2，主變壓器室與10 kV、6 kV 開關(guān)室緊鄰，只有2 m 左右的母線通道相隔，10 kV 和6 kV 系統(tǒng)采用了GG1A 高壓開關(guān)柜。隨著公司產(chǎn)線改造及產(chǎn)能增加，2001 年和2002 年分別將2 臺變壓器增容到50 MVA，2003 年第二臺燒結(jié)機建成投運，2005 年投運了1 套17.5 MW 的余熱發(fā)電機組，并網(wǎng)于該站所10 kV 母線。變電所10 kV 和6 kV 母線最大短路電流分別由最初的15.14 kA和15.90 kA增加到目前的27.86 kA 和27.12 kA。隨著國家鋼鐵去產(chǎn)能的推進，公司生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及環(huán)保設(shè)施的增加，為提高供電可靠性、消化自發(fā)電,2013年，燒結(jié)總降變電所10 kV 和6 kV 原GG1A 開關(guān)柜更新為KYN28-12 中置柜，同時，將開關(guān)的開斷能力由31.5 kA 提升到40 kA。現(xiàn)有50 MVA 變壓器供電能力日趨緊張，無法滿足N-1 方式下的供電需求，為此，決定將目前運行的50 MVA 變壓器再次增容到63 MVA。

2 新變壓器阻抗的選擇

該總降變電所下有十余座10 kV、6 kV 高配室，開關(guān)的開斷能力均為31.5 kA。大部分供電線路為大截面多根并聯(lián)的銅芯電纜，長度在100～500 m 不等，導致近距離高配室的短路容量與總降相差無幾。如果按常規(guī)的變壓器來選擇各繞組間的短路阻抗（一般為10.5%/18%/6.5%），經(jīng)計算其總降變電所10 kV、6 kV 母線的短路電流達到33.12 kA 和38.96 kA,無法滿足下級廠礦開關(guān)設(shè)備的開斷能力要求，且6 kV 系統(tǒng)的短路電流已接近總降變電所6 kV開關(guān)的開斷能力。為保證系統(tǒng)及人身安全，必須對10 kV、6 kV 系統(tǒng)的短路電流水平加以限制，以滿足開關(guān)開斷能力要求。

文獻[1]介紹了5種限制短路電流的方法，但就該項目，都不適用。如前所述，由于該總降變電所全部電氣設(shè)備為屋內(nèi)布置，現(xiàn)場不具備安裝大電流（4 000～6 000 A）限流電抗器的空間，且限流電抗器會造成系統(tǒng)接線復雜，降低系統(tǒng)供電的可靠性。后經(jīng)與變壓器制造商交流、討論與比較，決定選用高阻抗變壓器，以達到限制短路電流，解決現(xiàn)場無法安裝大型限流電抗器的問題，并滿足各級開關(guān)31.5 kA 的開斷能力要求，同時縮短設(shè)備更新改造的工期。

結(jié)合總降變電所運行方式及負荷情況，經(jīng)試算，63 MVA 變壓器擬選擇高-中、高-低、中-低之間的短路阻抗分別為13.5%、24%和9.5%（到貨變壓器的實際短路阻抗分別為13.15%、24.61%和9.35%），這時總降變電所10 kV、6 kV 母線的最大短路電流分別為27.86 kA 和30.55 kA，基本滿足要求。2016年7月完成變壓器的更新安裝。

3 推廣應(yīng)用

該企業(yè)另一座高爐總降變電所，亦建設(shè)于20世紀90年代初期，電氣設(shè)備同樣為屋內(nèi)布置，配置了2臺31.5 MVA、110/6.3 kV 的變壓器，該變電所也是公司熱電廠接入系統(tǒng)的變電所。由于后期建設(shè)了TRT發(fā)電機組，并網(wǎng)于6 kV 母線，造成6 kV 配電系統(tǒng)短路電流超標。為此2002 年對6 kV 開關(guān)室屋頂進行加固改造，增加安裝了8%的戶外限流電抗器，串接在變壓器低壓側(cè)和6 kV 進線柜之間，并對連接母線做了絕緣處理。盡管如此，該戶外限流電抗器仍然發(fā)生因孔明燈落在連接母線上，引發(fā)相間短路事故，造成變壓器差動保護動作，6 kV 母線失電，對高爐生產(chǎn)造成沖擊。同時因變壓器服役時間長，器身滲漏油嚴重。結(jié)合設(shè)備更新改造及燒結(jié)總降變電所高阻抗變壓器更新和運行經(jīng)驗，2019 年選擇了短路阻抗為18%的高阻抗變壓器（到貨變壓器的實際短路阻抗為17.91%），更新了現(xiàn)有的31.5 MVA 常規(guī)阻抗的變壓器，并取消了戶外限流電抗器。

4 高阻抗變壓器參數(shù)選擇與運行存在問題及解決思路

在上述計算中，均未考慮燒結(jié)同步電機及高壓異步電動機群對短路電流的影響。根據(jù)《三相交流系統(tǒng)短路電流計算 第1 部分 電流計算》（GB/T 15544.1-2013），具有勵磁調(diào)節(jié)器的同步電動機對短路電流的貢獻應(yīng)視同發(fā)電機。此外由于冶金企業(yè)大量安裝使用了高壓異步電動機，組成電動機群，按照上述國標計算要求，在滿足一定條件下，亦應(yīng)考慮異步電動機對短路電流的影響。如果考慮上述兩個因素，則燒結(jié)總降變電所10 kV、6 kV 母線對應(yīng)的短路電流為36.5 kA 和34.5 kA。如此大的短路電流對開斷電流為40 kA 的開關(guān)而言，安全余量有限，因此在燒結(jié)總降變電所出線發(fā)生三相短路后，需要對跳閘斷路器進行嚴格的性能測試。作為教訓，應(yīng)綜合考慮負載的性質(zhì)，合理選擇變壓器的阻抗電壓，進一步降低系統(tǒng)的短路電流。

高阻抗變壓器的應(yīng)用，限制了系統(tǒng)的短路電流，保證了系統(tǒng)的安全運行，降低了中低壓系統(tǒng)短路對上一級電網(wǎng)的沖擊。但對于負荷變化較大的高阻抗變壓器，可能會造成中低壓側(cè)電壓偏差或波動超標，圖1、圖2 分別是高爐總降變電所變壓器某日負荷電流變化曲線和對應(yīng)的6 kV 母線電壓變化曲線。

圖1、圖2 顯示，約18:30，由于變壓器負荷下降（實際是TRT 發(fā)電機在6 kV 并網(wǎng)），其運行電壓值上升，基本維持在6.5 kV 左右，最大值約6.58 kV，依據(jù)《電能質(zhì)量供電電壓偏差》（GB/T 12325-2008）計算系統(tǒng)的最大電壓偏差為：

圖1 高阻抗變壓器負荷變化曲線

圖2 高阻抗變壓器負荷變化引起的電壓變化曲線

可見，其偏差已大大超過上述標準規(guī)定的±7%限值，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成一定風險。因此，運行值班或調(diào)度人員需要對系統(tǒng)電壓進行監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常及時調(diào)整變壓器的分接頭，維持系統(tǒng)電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)。