240 MVA高阻抗主變壓器在220 kV變電站中的應用研究

蔡燕　耿偉

摘 要：首先，介紹大型變壓器出口短路電流的產生及影響，限制變電站10 kV母線短路電流的措施，南網標準設計中220 kV變電站采用240 MVA主變時低壓側限制10 kV短路電流的通用設計方案；然后，針對限制10 kV側短路電流，基于一個具體項目對采用常規阻抗變壓器加10 kV限流電抗器和采用高阻抗變壓器兩個方案進行討論和對比，兩種方案在短路電流水平、綜合能耗上有差異；最后，從運行維護、經濟性、電費損耗等角度進行分析，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220 kV變電站240 MVA主變的選擇提供更有價值的借鑒。

關鍵詞：高阻抗變壓器；綜合能耗；經濟性

中圖分類號：TM401? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）13-0027-03

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

0? ? 引言

電網容量逐步擴大，用電負荷增加，導致電網短路電流劇增，短路容量增大；而由于設計和制造過程中技術水平的限制，大型電力變壓器抵抗出口短路沖擊的能力不足。主變低壓側發生故障，將造成主變低壓側出口的短路電流水平超出10 kV設備制造水平，尤其是在使用大容量240 MVA變壓器的220 kV變電站，影響更為嚴重。

配網設備承受的短路開斷電流是25 kA，需將變電站10 kV母線短路電流控制在25 kA以內，因此必須結合變電站的具體情況采取相應的限流措施。通常降低10 kV短路電流的措施有：1）變壓器低壓側分列運行；2）裝設出線電抗器，但占據空間大，投資花費也極高；3）提高10 kV系統運行電壓等級，但升級改造難度大；4）常規阻抗變壓器10 kV出線加裝限流電抗器；5）選用高阻抗變壓器。在低壓側分列運行仍無法降低10 kV短路電流時，在南方電網的標準設計中，220 kV變電站240 MVA主變壓器限制低壓側10 kV短路電流的主要設計方案是采用常規阻抗變壓器加裝限流電抗器[1]，該措施設備占地面積大，設備可靠性低，且未能從根本上解決主變低壓側出口短路電流大的問題。

本文以具體工程為例，針對常規阻抗變壓器10 kV出線側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、綜合能耗等方面進行分析和對比。

1? ? 工程概況

220 kV某變電站最終建設規模為4×240 MVA主變，由220/110/10 kV三個電壓等級構成。遠景年歸算到本站等值電路阻抗標幺值為：220 kV母線側正序X1=0.007，負序X2=0.007，零序X0=0.013；110 kV母線側阻抗為無窮大，高、中壓側4臺主變并列運行，低壓側分列運行。

2? ? 短路電流計算

根據南方電網企業標準Q/CSG 1107001—2018《35 kV～500 kV變電站裝備技術導則（變電一次分冊）》要求，為取得合理的經濟效益，應從網架設計、采用的電壓等級、主接線、變壓器容量和阻抗的選擇、運行方式等方面著手。變電站各級母線的短路電流水平限值：220 kV電壓等級不超過50 kA，110 kV電壓等級不超過40 kA，10 kV電壓等級不超過25 kA。

南網標準設計中220 kV變電站選用240 MVA主變壓器時，均按照常規阻抗變壓器10 kV進線側配置10%電抗率的10 kV限流電抗器設計，以達到限制10 kV母線短路電流水平的目的。優化結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在引入高阻抗變壓器Uk1-2%=14，Uk2-3%=50，Uk1-3%=65的方案，計算3種規格變壓器出口短路結果，如表1所示。

220 kV變電站主變中性點采用直接接地的方式，限制了單相故障短路電流水平，三相短路故障卻會引起非常嚴重的后果，在短路電流沖擊下，變壓器會發生低壓側繞組嚴重變形、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行的最重要因素之一[2]。

當采用高阻抗變壓器時，主變低壓側10 kV母線短路電流為22.3 kA，無須設置限流電抗器即可滿足低壓側短路電流要求。計算結果表明，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，各短路點短路電流均滿足南方電網短路電流限值要求。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，同時降低了對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，加強了電力系統的穩定性。

3? ? 技術分析比較

下面從系統接線、平面布置、綜合能耗、運行維護等方面，對上述3種阻抗電壓的主變壓器進行技術分析比較。

3.1? ? 接線及平面布置

高阻抗變壓器的接線比常規阻抗變壓器的接線方式更加簡單，給運維帶來了極大的便利。采用高阻抗變壓器10 kV出口側不需要加裝10 kV限流電抗器，與南網V3.0版典設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，橫向為80 m，節約建筑面積約400 m2。

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

可見，普通阻抗和高阻抗變壓器外形尺寸差別不大，長和寬差別均不到1.5 m，南網標準設計中考慮主變的區域面積為19.8 m（長）×15 m（寬），均可以放置，節省了用地指標，不會因為采用高阻抗變壓器而增加主變區域的占地面積。

3.2? ? 綜合能耗

采用常規阻抗變壓器加10 kV限流電抗器，電能損耗除需考慮常規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散熱的風機損耗。

限流電抗器需安裝在室內，由于設備發熱比較大，因此需要在電抗器室內考慮通風散熱措施。經核算，每間限流電抗器室需要配置2臺功率為0.75 kW的風機。240 MVA常規阻抗變壓器損耗為250 kW，每間電抗器室內的3臺電抗器損耗為70 kW，風機損耗為1.5 kW，則單臺變壓器損耗總量為321.5 kW。

10 kV限流電抗器室布置在配電裝置樓內靠主變側，出于對主變防火要求考慮，綜合樓內限抗器室和高壓室之間的通道兩側的門均需采用防火門，防火門比較緊密，影響空氣流動進走廊，限抗器室進風百葉在走廊側墻上，進風量小，則風阻力大，為了抵消阻力，風機的功率需要加大，則實際損耗會比理論計算值還要大。

經咨詢國內主要的主變供應廠家，根據項目需求，采用高阻抗變壓器額定損耗可以做到315 kW，比常規阻抗變壓器的損耗略高，但是不存在電抗器的損耗和通風設備的損耗，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側沒有配置限流電抗器，而采用常規阻抗變壓器需在10 kV側加裝限流電抗器。綜合考慮，采用高阻抗變壓器的損耗比采用常規阻抗變壓器加限流電抗器的損耗總和要低，每年每臺主變減少損耗電量約5.694萬kW·h，按30年使用年限計算變壓器損耗，則每臺變壓器在全壽命周期內減少損耗電量約170.82萬kW·h。

3.3? ? 運行維護

常規阻抗變壓器投產后會產生10 kV限抗器及限抗器室內通風設備的維護問題，并且10 kV限抗器運行時產生的渦流效應會使得室內溫度很高，當受限于建筑布局通風設備熱量無法及時排出時，則會導致電抗器發生火災等事故。10 kV空芯限流電抗器是干式型，構造比較簡單，器身沒有保護，在沒有保護的情況下發生故障，也極易導致重大火災事故。

長期以來，限抗器的設備質量和發熱一直都是困擾設計和運行單位的問題，無法有效地解決限抗器室內的通風散熱問題，如能減少10 kV限流電抗器的使用，則可徹底避免運維問題，并減少故障點的存在。

3.4? ? 經濟性和電費損耗

從建筑工程費、設備購置費、安裝工程費、運維費用等工程造價方面對兩種阻抗變壓器進行經濟性分析比較。高阻抗變壓器和常規阻抗變壓器安裝工程費用一樣，區別在于設備購置費，常規阻抗變壓器每臺約860萬元，高阻抗變壓器每臺約1 000萬元；常規阻抗變壓器在變低側需要加裝10 kV限抗器，每臺主變10 kV限抗器安裝工程費用為33.5萬元；每間限抗器室建筑工程費和室內銅排、通風等設備材料安裝費用按照3 500元/m2（綜合投資費用）概算考慮，節省面積400 m2，合計4間電抗器室綜合投資費用140萬元；投產后因限抗器室每年產生的運維費用按資產原值的2.5%計算約為5.5萬元，設備使用年限為30年，則多增加運維費用165萬元。綜合投資費用包含建筑、通風、照明等內容，按4臺主變規?？紤]電抗器的安裝，變壓器按照本期投運2臺考慮，則高阻抗變壓器因沒有產生電抗器室的投資費用，所以比常規阻抗變壓器節省投資約80萬元。

上述費用僅按本期新建2臺主變規模進行對比，沒有按照終期4臺主變規模比較，高阻抗變壓器比常規阻抗變壓器設備費用高，但常規阻抗變壓器加裝限抗器的綜合費用較高，且后期存在運維費用，而高阻抗變壓器后期顯然不會產生10 kV限抗器這部分運維費用。綜合而言，采用高阻抗變壓器更具有經濟性。

針對220 kV變電站建設240 MVA主變壓器，比較采用高阻抗變壓器和常規阻抗變壓器加限流電抗器兩個方案的損耗：采用高阻抗變壓器方案，按30年使用年限計算，每臺主變減少損耗電量約170.82萬kW·h。變電站首期按2臺主變建設，按0.61元/（kW·h）電費核算，每年節約主變損耗費用約6.95萬元，運行30年節約費用208.4萬元。由此可見，使用高阻抗變壓器方案不僅具有較好的經濟性，節能降損效果也更加顯著。

4? ? 結束語

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側母線電流，相比采用常規阻抗變壓器加10 kV限流電抗器方案，減少了占地面積，布置清晰，接線簡單，減少了故障點，限制了變壓器出口短路電流，提高了變壓器抗短路能力，從而提高了系統穩定性、供電可靠性。240 MVA主變采用高阻抗變壓器方案更為經濟，更加節能降耗。

[參考文獻]

[1] 南方電網公司35 kV～500 kV變電站標準設計[Z]，2017.

[2] 黃華.三繞組高阻抗電力變壓器聯合運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

作者簡介：蔡燕（1978—），女，廣西桂平人，工程師，研究方向：變電站電氣設計。