擴(kuò)容主變壓器短路電流校核方法及安裝要點(diǎn)

安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司朱集西分公司 張樂(lè)樂(lè)

電能資源已成為人們生產(chǎn)生活中不可或缺的能源，其支撐著社會(huì)生活的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在用電需求不斷提高的背景下，變壓器的供電壓力也逐漸提高[1]。為有效緩解這種壓力，以滿(mǎn)足用電需求為前提，變壓器擴(kuò)容處理成為了一種被廣泛應(yīng)用的變壓器改進(jìn)措施[2]。擴(kuò)容處理主要是通過(guò)以主變壓器為基礎(chǔ)安裝一定數(shù)量的擴(kuò)容裝置，提供其供電能力，并取得了良好的使用效果。但在實(shí)施過(guò)程中需要注意的是，短路電流的校核要具備較高精度，這樣才能切實(shí)確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，確保供電安全[3]。

為了提高擴(kuò)容主變壓器短路電流校核的可靠性，羅鵬飛等人研究了在334MVA/500kV 條件下，自耦變抗供電系統(tǒng)的短路能力，以電路電力流校核的方式確定其運(yùn)行極值[4]，取得了良好的研究成果，但主要是針對(duì)自耦變抗，應(yīng)用范圍存在一定局限性；陳鶴沖等人對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)用斷路器的動(dòng)穩(wěn)定電流值進(jìn)行校核研究，并通過(guò)仿真測(cè)試驗(yàn)證了所提方法的有效性[5]，但其同樣存在目標(biāo)定位局限性較強(qiáng)的問(wèn)題，對(duì)于大多數(shù)擴(kuò)容變壓器并不適用。

基于此，本文提出了關(guān)于擴(kuò)容主變壓器短路電流校核方法及安裝要點(diǎn)的研究。通過(guò)研究主變壓器繞組的受力情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)短路電流的校核，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。通過(guò)本文的研究，以期為實(shí)際擴(kuò)容變壓器的維護(hù)提供有價(jià)值的參考。

1 擴(kuò)容主變壓器短路電流校核方法

1.1 主變壓器繞組作用力分析

要實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)容變壓器電流的準(zhǔn)確校核，首先要明確主變壓器上受到的繞組作用[6]，綜合其對(duì)供電系統(tǒng)電流的影響，提高對(duì)短路電流計(jì)算的準(zhǔn)確性。

本文通過(guò)微分形式的Blot Savart 定律對(duì)主變壓器在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)環(huán)境中受到的電磁力進(jìn)行表觀(guān)處理，其表示為f=(Bi)V。其中，V 表示主變的體積大小，Bi表示在i 電流條件下主變所收到的磁通密度，f 表示主變受到電磁力作用大小。加強(qiáng)對(duì)電容主變體積變化的范圍，構(gòu)建完整的磁力作用結(jié)構(gòu)。觀(guān)測(cè)此時(shí)電路中的電流是否處于額定狀態(tài)，如果超出范圍需要增加電阻進(jìn)行管控，確保主變壓器的正常運(yùn)行。

按照左手定則，主變裝置三者之間是以相互垂直的方式存在的、互相關(guān)聯(lián)，在目標(biāo)執(zhí)行過(guò)程中，電壓會(huì)發(fā)生反復(fù)地變化。此時(shí)主變與擴(kuò)容裝置之間的電動(dòng)力可表示為F=λdf/(4πd)，其中，F(xiàn) 表示在i 電流條件下主變與擴(kuò)容裝置之間的電動(dòng)力值，λ表示主變與擴(kuò)容裝置周?chē)橘|(zhì)的磁導(dǎo)率，d 表示主變與擴(kuò)容裝置之間的距離。

當(dāng)主變與擴(kuò)容裝置中都有電流流過(guò)時(shí)，在這兩種裝置間會(huì)產(chǎn)生相互作用的力。這種作用力覆蓋范圍是極大的，會(huì)對(duì)周?chē)脑O(shè)備和裝置在無(wú)形中產(chǎn)生不同程度的壓力，造成設(shè)備中電流量增強(qiáng)，電壓無(wú)控制增加，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的關(guān)聯(lián)性損壞，出現(xiàn)不可控制的經(jīng)濟(jì)損失。但是在特定的電力環(huán)境之下，兩個(gè)裝置之間的力也可是相互吸引的，說(shuō)明裝置中流過(guò)的電流為同向，如果排斥，則裝置中流過(guò)的電流為相反的方向。需要注意的，在一次繞組和二次繞組之間會(huì)產(chǎn)生互相排斥的作用力，對(duì)原有的電磁力作用效果產(chǎn)生抵消。

這部分雖然可對(duì)電磁力進(jìn)行有效地控制處理，但在預(yù)設(shè)的管控校核范圍之內(nèi)，還是要定期對(duì)電力設(shè)備以及裝置進(jìn)行維穩(wěn)核驗(yàn)，每一個(gè)繞組單元之間預(yù)設(shè)監(jiān)控設(shè)備，與變壓器形成串聯(lián)的狀態(tài)，與此同時(shí)，在擴(kuò)容電阻的作用之下，進(jìn)一步控制整體的電力回流狀態(tài)，確保校核結(jié)果的精準(zhǔn)性與可靠性。因此，本文以?xún)?nèi)力和外力對(duì)變壓器繞組的受力進(jìn)行描述和分析。

其中，定義內(nèi)力為繞組中單元之間的作用力，外力為不同繞組之間的作用力。兩種力在基礎(chǔ)環(huán)境之上是會(huì)發(fā)生排斥的，結(jié)合上面的分析不難看出，一旦出現(xiàn)排斥變壓器短路概率便會(huì)增加，電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前，電流在不斷變化的狀態(tài)下會(huì)引起變壓器不同部位出現(xiàn)受力變化。作用在變壓器繞組上的力與電流之間的關(guān)系可表示為Fb=Fw-Fn=exp(λdf/4πd-Lf)i2，其中Fb表示主變繞組受力，F(xiàn)w表示主變繞組受到的外力，F(xiàn)n表示主變繞組受到的內(nèi)力，L 表示繞組的直徑。

1.2 短路電流校核

在上述基礎(chǔ)上，可得到擴(kuò)容主變?cè)肼暊顟B(tài)下的主要受力情況，但這種模式并不是固定的，通常會(huì)隨著變壓器的執(zhí)行情況以及電容的變化狀態(tài)更改受力的現(xiàn)狀，同時(shí)控制電流的單相傳輸量，在合理的范圍之內(nèi)，增設(shè)繞組范圍，以此為基礎(chǔ)，在電壓為零時(shí)擴(kuò)容變壓器會(huì)發(fā)生短路的故障問(wèn)題，短路電流可表示為id=Fb/L2cosωt，其中，ω表示短路是電流在主變繞組中的運(yùn)行速度，t 表示短路時(shí)間，id表示短路電流大小。在這種情況下，變壓器繞組上受到的電磁力將在非周期分量、周期分量以及穩(wěn)態(tài)分量上出現(xiàn)明顯的衰減特征。

以此為基礎(chǔ)，當(dāng)變壓器發(fā)生短路故障時(shí)，電路設(shè)備中的實(shí)際電壓是極難控制的，并且整體的設(shè)備電路常會(huì)出現(xiàn)混電或爆電的狀況，周期分量處于最大狀態(tài)，其幅值達(dá)到了穩(wěn)態(tài)分量的4倍，測(cè)試電路處于短路的狀態(tài)，需測(cè)定電路中的額定電流，控制在合理的范圍之內(nèi)，并形成基礎(chǔ)的主變繞組結(jié)構(gòu)；在短路中間階段，周期分量和穩(wěn)態(tài)分量逐漸衰減，致使短路范圍發(fā)生延伸、擴(kuò)展，并在5～6個(gè)交流周期內(nèi)衰減到極值，這部分表明電路的承壓與電路控制效果存在問(wèn)題，可采用雙向重疊增壓的方式，來(lái)營(yíng)造更加穩(wěn)定的電路執(zhí)行情況。

同時(shí)，在變壓器的安裝區(qū)域增設(shè)雙向控制電源，與主控電源形成并聯(lián)控制的模式，隨即在電路中還需安裝監(jiān)控裝置，用來(lái)對(duì)電流的變化現(xiàn)狀進(jìn)行掌握，獲取實(shí)時(shí)的變化數(shù)據(jù)，降低短路發(fā)生的整體概率。當(dāng)短路即將完成時(shí)電流逐漸接近固定值，表明其短路的問(wèn)題雖未擴(kuò)散，但存在可控的途徑，此時(shí)的主變受力（電磁力）也逐漸趨于穩(wěn)定，并且在非周期分量、周期分量以及穩(wěn)態(tài)分量也均處于穩(wěn)定狀態(tài)。在此過(guò)程中，變壓器繞組受力的動(dòng)態(tài)過(guò)程可表示為：(F～Fb)=F(λdf/(4πd)-Lf)id2/L2cosωt。在F 之間趨近于Fb的過(guò)程中主要受限于ib的變化，當(dāng)其達(dá)到Fb時(shí)，則此時(shí)的ib則為擴(kuò)容變壓器的短路電流。雖然并不在額定的電流規(guī)范之內(nèi)，但是由于主變?nèi)萜鞯南拗?，可在電路中增加預(yù)設(shè)容量的電阻，分別設(shè)定在電路5個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之中，每一個(gè)電阻的內(nèi)置容量均是不同的，所限制的電路區(qū)域也是不同的。在校核之前，可先依據(jù)需求進(jìn)行區(qū)域性的劃定，增設(shè)核心點(diǎn)，并將每一個(gè)擴(kuò)容電阻依據(jù)特殊的形式關(guān)聯(lián)在一起，形成校核結(jié)構(gòu)，避免短路問(wèn)題的進(jìn)一步延伸。

2 擴(kuò)容安裝要點(diǎn)分析

通過(guò)上文的計(jì)算不難看出，出現(xiàn)短路時(shí)電路的安全性主要是由主變的繞組決定的，因此為了提高電力系統(tǒng)的安全性，在對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)容安裝時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注以下問(wèn)題：

由于變壓器受力的作用變化范圍以低壓側(cè)容量為極值，但是在實(shí)際校核的過(guò)程中，仍然會(huì)出現(xiàn)高壓側(cè)容量極限側(cè)繞的狀況，需要設(shè)定限制的電阻，擴(kuò)大變壓器的作用覆蓋面積，增強(qiáng)額定電流的傳輸途徑，形成更加穩(wěn)定、安全的校核環(huán)境。因此對(duì)于額定運(yùn)行狀態(tài)電流的選取，要以低壓側(cè)繞組為準(zhǔn)。

擴(kuò)容裝置的阻抗選擇要以電力系統(tǒng)短路的額定容量為準(zhǔn)，為了降低短路問(wèn)題出現(xiàn)的概率，需要設(shè)定層級(jí)性的電容阻抗模式，依據(jù)擴(kuò)展的校核范圍設(shè)定相對(duì)應(yīng)的阻抗目標(biāo)，對(duì)于額定電流的控制會(huì)更加穩(wěn)定一些。但是需要注意的是，由于不同地點(diǎn)出現(xiàn)短路時(shí)造成的容量差異不同，導(dǎo)致擴(kuò)容裝置的阻抗也不同，所以在執(zhí)行管控的過(guò)程中也要注意差異化選擇。

3 試驗(yàn)測(cè)試

為了對(duì)本文提出的短路電流校核方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行測(cè)試，將其應(yīng)用在實(shí)際的測(cè)試環(huán)境中，并將文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]提出的方法作為對(duì)照組。

3.1 測(cè)試環(huán)境

本文以某選煤廠(chǎng)為本次的試驗(yàn)對(duì)象，其地面110/10.5kV 主變電原安裝兩臺(tái)容量為25000kVA的主變，主變電所需要的兩回110kV 電源分別引自?xún)勺?20kV 國(guó)網(wǎng)變電站，主變電主要為整個(gè)礦井及選煤廠(chǎng)提供生產(chǎn)用電電源。為了滿(mǎn)足礦井的預(yù)計(jì)達(dá)量需求，主變負(fù)荷率難以適應(yīng)其使用需求，根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)定對(duì)主變壓器實(shí)施處理。選擇2臺(tái)容量為40000kVA 主變作為擴(kuò)容裝置，技術(shù)參數(shù)分別為：SFZ11-40000/110kV，110±8×1.25/10.5，40000kV，詳情如表1所示。

表1 擴(kuò)容主變壓器容量設(shè)置

在上述基礎(chǔ)上，分別采用三種方法計(jì)算110kV和10kV 條件下擴(kuò)容變壓器的短路電流。

3.2 校核結(jié)果

在上述環(huán)境下，三種方法的校驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法的短路電流校核結(jié)果

為了驗(yàn)證三種方法校核結(jié)果的可靠性，將其各自的計(jì)算結(jié)果作為輸出電流值，觀(guān)察電力體系的穩(wěn)定性，其結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可看出，對(duì)比三種方法的校核結(jié)果，本文方法的結(jié)果更加接近電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的極值，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]方法的計(jì)算結(jié)果狀態(tài)下，電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，表明其已經(jīng)處于波動(dòng)狀態(tài)。表明本文核驗(yàn)的擴(kuò)容變壓器短路電流結(jié)果更加可靠。

圖1 不同短路電流值對(duì)應(yīng)電力系統(tǒng)狀態(tài)

4 結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)用電需求不斷提高，原有的主變壓器極有可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)法滿(mǎn)足使用需求的情況，以最小成本提高變壓器的使用價(jià)值成為了現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)，其中擴(kuò)容處理是主要手段之一。在實(shí)施擴(kuò)容階段，準(zhǔn)確地短路電流校核是確保其穩(wěn)定安全供電的重要基礎(chǔ)。本文提出擴(kuò)容主變壓器短路電流校核方法及安裝要點(diǎn)研究，校核的擴(kuò)容主變壓器短路電流具有較高的可靠性，并指出了在具體的擴(kuò)容處理階段的安裝要點(diǎn)，以期為現(xiàn)實(shí)施工提供有價(jià)值的參考。