10．5／0．4kV干式變壓器承受短路沖擊電流能力的分析與研究

李燁，張瑜

（上海核工程研究設計院有限公司，上海，200233）

變壓器廠家說明書中的突發短路試驗電流值為44kA，低于設計規格書短時耐受電流65kA的要求。本文針對技術參數的偏差值，根據相關標準，通過理論計算的方法來分析變壓器承受短路沖擊電流的能力。

1 分析過程

1.1 計算變壓器二次側短路電流

變壓器技術參數如下:

型號：SCB13-2500/10.5

容量：2500kVA、3125kVA（風冷）

額定電壓（中壓側）：10.5kV

額定電壓（低壓側）：0.4kV

短路阻抗：8%

短路電流的計算過程如下：

變壓器一次側的短路阻抗為：

根據GB 1094.5-2008，10kV電壓等級的系統短路視在容量為500MVA。但是考慮到電廠運行的特殊性，其系統容量較大，故將系統短路視在容量增加到1500MVA。

高壓繞組內的短路電流為：

變壓器二次側的短路電流為

通過以上的計算結果可以看出，由于變壓器阻抗較大（為8%），因此具有較大的限流能力，系統短路視在容量為1500MVA（超過相關國家標準值3倍）的情況下，變壓器低壓出口側的短路電流也只有44kA，遠遠小于65kA。

1.2 負荷中心母線短路時的變壓器短路耐受能力分析

低廠變與低壓負荷中心通過銅排連接在一起，負荷中心母線處發生三相短路（最嚴重故障）時，短路點處的大電流也會對變壓器產生影響。

由表1可知，母線三相短路電流峰值：70.327kA，其有效值為7.0327/1.414=49.736kA。變壓器短路電流峰值為51.077kA，其有效值為51.077/1.414=36.1kA，遠小于44kA，因此變壓器突發短路試驗采用短路電流值44kA是合理的。

表1 ECS負荷中心母線處三相短路計算的計算結果

1.3 變壓器罩殼內低壓銅排承受突發短路的能力分析

GB 1094.5和IEC 60076.5中沒有專門針對安裝在罩殼內銅排的熱穩定計算公式，故只能參考針對繞組的相關計算公式：

1.3.1 熱穩定

式中，θ1—繞組短路t秒后的平均溫度（按GB和IEC標準的規定其溫度限值為350℃）；θ0—繞組起始溫度；J—短路電流密度A/mm2

因為銅排直接裸露在空氣中，其散熱條件遠優于被絕緣材料層層包裹或包封的高低壓線圈，故銅排的溫度要遠低于線圈的溫度，現假定銅排的溫升為130℃（B級溫升）。

按該變壓器可能達到的最大短路電流為44kA（系統容量1500MVA時），該變壓器低壓側的額定電流為3608.5A，按設計原則規定低壓銅排的貫穿電流密度≤2.6A/mm2，故選取低壓側連接銅排的規格為120×12＝1440mm。（貫穿電流密度2.5A/mm2）

式中t—持續時間，按GB和IEC相關標準規定為2S。最終的計算結果為：

因此，突發短路電流時，變壓器罩殼內低壓銅排能夠滿足熱穩定要求。

1.3.2 動穩定

對于動穩定，主要是考慮夾持銅排的夾件的數量和距離，按照慣例，兩個夾持件之間的距離不能大于800mm,考慮到核電項目對產品可靠性的特殊要求，供應商在設計時，兩個夾持件之間最大的距離按不超過700mm來設計。

1.4 變壓器耐受短路沖擊電流65kA能力分析

變壓器基本技術參數：

式中Sr—變壓器的額定容量：2.5MVA

Zt—在參考溫度額定電流和額定頻率下所測出的主分接短路阻抗：8%

Ur—所考慮繞組的額定電壓：10kV（高壓繞組）/0.4kV（低壓繞組）

Is—系統短路電流：65kA

S—系統短路視在容量

Zs——系統短路阻抗

Zt—折算到所考慮繞組的變壓器的短路阻抗

高壓繞組：

I對稱短路電流的方均根值：

高壓繞組：

高壓繞組銅帶截面積：49mm2

低壓繞組銅箔截面積：1670mm2

式中J—短路電流密度，A/mm2

高壓繞組J=1756/49=35.84A/mm2

低壓繞組J=43900/1670=26.28A/mm2

式中θ0—繞組起始溫度，為155℃（即假定變壓器在滿載且溫度環境為40℃時發生短路）

t—持續時間,按GB和IEC相關標準規定為2S

θ1—繞組短路（ts）后的平均溫度℃

結論：根據GB 1094.5和IEC 60076.5中的規定銅繞組，且絕緣耐熱等級為H級的干式變壓器繞組在短路后的平均最大允許值為350℃。通過計算可知，該變壓器的高低壓繞組在短路后的平均溫度遠低于以上最大允許值。因此，該變壓器承受短路的耐熱能力是能夠滿足要求的。

2 對后續項目變壓器短路耐受能力分析的借鑒意義

2.1 熱穩定能力可通過下面四個步驟分析：

（1）對稱短路電流的計算

變壓器的短路電流是由額定電壓、系統的短路阻抗和變壓器的短路阻抗決定的。

（2）對稱短路電流的持續時間。

（3）每個繞組平均溫度的最大允許值。

（4）溫度θ1的計算公式。

式中θ1—繞組短路t秒后的平均溫度，℃

θ0—繞組起始溫度，℃

J—短路電流密度，A/mm2

t—持續時間，s

2.2 動穩定能力

突發短路試驗是對變壓器制造的綜合技術能力和工藝水平的考核，利用試驗中強短路電流產生的電動力檢驗變壓器和各種導電部件的機械強度。

3 后續項目變壓器采購過程中的關注點

采用銅繞組，認真做好線圈制造的軸向壓緊工作，短路阻抗值應綜合考慮。高阻抗變壓器短路電流小，受到的短路電動力小，安全系數較高，但是高阻抗變壓器成本相對較高，體積較大，重量較大。

變壓器阻抗的計算公式為

式中：f—頻率；I—額定電流；W—主分接的總匝數；∑D—漏抗；ρ—洛氏系數；K—附加電抗系數；et—匝電勢；H—電抗高度。

從以上公式可以看出：增加線圈的匝數是提高短路阻抗值的有效手段。但是隨著匝數增加，變壓器的用銅量也會相應增加，進而增加變壓器的材料成本。

4 結論

在后續變壓器的采購環節中，采購技術協議書中應明確要求提供同型號變壓器的抗短路能力型式試驗報告，對變壓器線圈材質、制造工藝等提出具體要求，并加強制造過程中的工藝管控。