变压器并列运行在低压配电系统中的应用探讨

变压器并列运行在低压配电系统中的应用探讨

叶海明

竹中（中国）建设工程有限公司广东广州510000

摘要：在低压配电系统中，选择变压器并列运行方式，可提高系统运行的经济性，减小电能损耗。本文针对某研究堆厂房配电变压器容量不足的问题，采用变压器并列运行方式进行解决，分析了此方式对低压母线动热稳定性、保护电器分断能力、保护选择性等方面的影响，并介绍了具体的计算、校验、保护整定，可供参考。

关键词：低压配电系统；变压器；并列运行；计算

引言

近年来，随着我国经济的快速发展，社会对电力系统提出了更高的要求，对电网容量的需求也随之不断扩大，一般情况下，一台变压器的容量可能难以承担全部负荷。因此，为保证系统的安全运行，可采取两台或两台以上变压器并列运行的方式，当其中一台变压器发生故障或需要检修过程中，可确保另一台变压器正常供电，增强了供电灵活性，大大提高了供电可靠性和运行的经济性。目前，变压器并列运行方式在低压配电环节的应用较少，缺乏一定的研究，鉴于此，本文结合实例，就变压器并列运行在低压配电系统中的应用进行探讨，侧重于介绍变压器并列运行方式下的计算、校验、保护整定等。

1.概述

某研究堆厂房共有5段380V低压交流供电母线，其中b段母线由厂房6kV母线经一台型号为S9－m－630/6/0.4的油浸式三相变压器提供电源。由于科研生产任务需要，b段母线上需新增约310kW的用电负荷，随反应堆运行而投入。反应堆运行期间，该母线段上持续运行的负载约为448kW，若加上新增负荷部分，则现有配电变压器容量过小，因此必须制定相应的变压器扩容方案，提高b段母线的带载能力。

2.工况分析及方案选择

2.1工况分析

新增负荷随反应堆的运行而投入，当反应堆停闭时，部分负荷也将随反应堆停闭而停运。新增负荷在不同工况下的运行情况见表1。由此可知，在反应堆运行工况下，b段母线需带载的总负荷＝248kW＋448kW＝696kW，原有变压器容量无法满足原负载与新增负荷的运行需求，因此进行变压器扩容十分必要。

2.2方案选择

针对变压器容量不足的问题，主要有两种扩容方式。第一种方式是选择一台容量1000kVA的变压器来替换原变压器；第二种方式是新增一台与原变压器相同型号的变压器，与原变压器并列运行为母线提供电源。这两种方式均能满足负载的运行需求，但b段母线带载负荷类似季节性负荷，反应堆运行时的负荷为696kW，反应堆停闭时的负荷为180kW＋79kW＝259kW，负荷变化较大，因此从负载的特点和运行经济性来看，两台变压器并列运行的方式更适合当前的实际工况。

若采用两台630kVA变压器并列运行的方式，则在反应堆停闭时，退出其中一台变压器，改由单台变压器运行时的负载率约为46％。若采用单台1000kVA变压器运行方式，则在反应堆停闭时的负载率仅为29％，会造成能耗增加、资源浪费。

3.变压器并列运行的影响

变压器数量、运行方式的改变，对变压器低压侧母线、设备的影响主要表现在短路电流上[1]。变压器并列运行时，在系统内低压侧发生短路的情况下，流过故障点的短路电流比分列运行时大一倍左右。而短路电流的增大将对母线的动热稳定能力、保护电器的短路分断能力有更高的要求，同时为确保低压配电系统运行的安全性、保护动作的可靠性，必须对相应保护电器动作的灵敏性、保护选择性进行校验，并对保护脱扣电流值进行整定。

4.短路电流计算

4.1单台变压器运行

原变配电系统由一段6kV供电母线、一台6/0.4kV变压器、一段380V供电母线及其它馈电回路构成，系统接线如图1所示。选择低压母线、某二级配电柜对应的短路故障点K1、K2进行短路电流计算（忽略变压器至母线线路及断路器的阻抗）。

图1原系统接线图

变压器高压侧短路容量为200MVA，低压铜母线规格为4（80×8）mm、长10m，线路L1型号为YJV3×70＋2×35mm2、长60m。由《工业与民用配电设计手册》可知，变压器高压侧系统阻抗（归算到400V）RS＝0.08mΩ，XS＝0.8mΩ；变压器阻抗RT＝2.5mΩ，XT＝11.15mΩ；低压铜母线阻抗Rm＝0.031×10＝0.31mΩ，Xm＝0.195×10＝1.95mΩ；线路L1阻抗RL1＝0.251×60＝15.6mΩ，XL1＝0.078×60＝4.68mΩ。

（1）故障点K1阻抗为：

R1＝RS＋RT＋Rm＝2.89mΩ

X1＝XS＋XT＋Xm＝13.65mΩ

总阻抗为：

式中，ｃ为铜母线短路热稳定系数，取171。

低压铜母线实际截面S＝80×8＝640mm2＞Smin，因此母线满足短路热稳定的要求。

5.4断路器动作灵敏性校验

为使低压断路器可靠切断接地故障电路，GB50054—2011《低压配电设计规范》规定被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。即，断路器动作的灵敏性必须满足Idmin≥1.3Iset2或Idmin≥1.3Iset2的要求，其中Idmin为线路末端接地故障电流最小值，Iset2、Iset3分别为断路器短延时、瞬时脱扣器整定电流。经计算，单台变压器运行时，故障点K1、K2的单相接地故障电流分别为13.8、2.9kA；变压器并列运行时，故障点K1、K2的单相接地故障电流分别为21.6、3.0kA。

首先对进线断路器QF2、QF4进行灵敏性校验。变压器并列运行时，当故障点K1发生单相接地故障，流经QF2、QF4的故障电流应按照母线单相接地故障电流的1/2（即10.8kA）计算，则QF2、QF4的瞬时或短延时脱扣电流整定值Iset3·Ａ或Iset2·Ａ≤10.8/1.3＝8.3kA。若Iset3·Ａ≤8.3kA，则QF2、QF4不满足保护选择性的要求，因此故障点K1的短路保护由断路器QF2、QF4的短延时保护实现，其整定值Iset3·Ａ≤8.3kA。单台变压器运行时，断路器QF2、QF4的短延时整定值Iset3·Ａ≤13.8/1.3＝10.6kA。因为断路器的短延时整定值必须同时满足两种运行方式，所以Iset3·Ａ≤8.3kA。

接着对馈线回路断路器QF5进行灵敏性校验。变压器并列运行时，线路阻抗降低，QF5馈线回路末端发生单相接地故障产生的短路电流必然比单台变压器运行时略大，即ID并＞ID单≥1.3Iset3·b。若单台运行方式下，断路器QF5的灵敏性是满足要求的，则并列运行方式下必定满足要求。需要指出的是，非选择型断路器QF5的瞬时脱扣电流Iset3·b为额定电流Ir·B的10倍，即Iset3·b＝10Ir·B，因此线路末端的短路电流必须满足ID≥13Ir·B。若末端短路电流不满足上述条件，则必须增设剩余电流保护装置作接地故障保护。

5.5保护选择性校验

5.5.1选择型断路器与非选择型断路器的级间配合

为满足被保护线路各级间选择性要求，选择型低压断路器瞬时脱扣器的电流整定值必须大于下一级保护电器所保护线路的故障电流[3]。以图2为例，当馈线回路断路器QF5至电机间的线路发生短路故障时，要求断路器QF5保护动作，低压母线进线断路器QF2、QF4不动作，才满足保护的选择性要求。在断路器QF5下端位置短路时产生的短路电流取最大值（接近母线短路电流27.9kA），忽略馈线回路在母线中位置的影响，则流经断路器QF2、QF4的短路电流均为13.95kA，因此断路器QF2、QF4的瞬时脱扣电流Iset3·Ａ＞13.95kA。另外，为防止QF5下端发生短路故障时，短路电流值大于QF2、QF4的短延时整定值ISｅT2·Ａ，而小于QF5的瞬时脱扣电流值Iset3·b，导致QF5不能瞬时动作，造成断路器QF2、QF4经短延时动作，破坏选择性，必须对QF2、QF4的短延时脱扣电流进行校验，要求Iset2·Ａ≥1.2Iset3·b＝12IR·b。

5.5.2选择型断路器与熔断器的级间配合

当馈线回路QS1下端发生短路时，要使QS1的熔丝先于上级断路器QF2、QF4脱扣前熔断，必须确保熔丝的熔断时间T熔断满足t熔断＜t短延时－0.2S＝0.2S的条件，其中T短延时为断路器QF2、QF4的短延时整定时间，取0.4S。根据熔断器的时间－电流特性，预期短路电流越小，熔断时间越长，因此需按照QS1下端产生的最小短路电流来计算熔断时间。通过以上计算可知，在单台变压器运行方式下，故障点K2产生的单相接地故障电流最小（为2.9kA）。通过查阅NH型熔丝的时间－电流曲线可知，预期电流为2.9kA时的熔断时间t熔断＝0.02S＜0.2S，满足保护选择性要求。

5.5.3熔断器与熔断器的级间配合

二级配电柜馈线回路发生短路故障时，根据熔断器的时间－电流特性可知，一级馈线回路QS1的熔丝额定电流IR1与二级馈线回路QS3的熔丝额定电流IR2的比值大于1.6倍，就能满足保护动作的选择性要求。以图2为例，QS1的熔体额定电流IR1＝160Ａ，当QS3的熔体额定电流IR2≤100Ａ，即保护具有选择性。

6.保护整定

结合以上分析，对选择型断路器QF2、QF4的长延时、短延时、瞬时脱扣电流值进行整定。

6.1长延时脱扣电流

由以上计算结果可知，反应堆运行时，母线上产生的最大电流Imax1＝1172Ａ；反应堆停闭时，单台变压器运行，母线上的最大运行电流Imax2＝ＰΣ停闭/（Uncosφ）＝259/（×0.38×0.9）＝436Ａ。根据过载保护的要求，长延时脱扣电流整定值需满足条件Iｃ≤Iset1≤Iｚ，其中Iｃ为线路计算电流，Iｚ为导体运行持续载流量。根据变压器并列运行的特点，Iｃ取max｛Imax1/2，Imax2｝＝586Ａ，Iｚ取铜母线额定载流量的一半，即1371/2＝685.5Ａ。

由于断路器QF2、QF4的额定电流为IR·Ａ＝1000Ａ，因此只能将长延时脱扣电流Iset1·Ａ由原整定值0.9IR·Ａ调整为0.6IR·Ａ，其6倍整定值脱扣延时时间整定为4S。

6.2短延时脱扣电流

由以上计算结果可知，断路器QF2、QF4短延时脱扣电流整定值需满足条件12Ir·B≤Iset2·Ａ≤8.3kA，整定时Ir·B应取一级配电柜所有馈线回路中非选择型断路器的最大额定电流值（250Ａ），因此可将Iset2·Ａ整定为Iset1·Ａ的6～10倍，延时时间为0.4S。6.3瞬时脱扣电流变压器并列运行时，瞬时脱扣电流需满足条件Iset3·Ａ＞13.95kA；单台运行时，需满足条件Iset3·Ａ＞16.5kA。综合两种工况，瞬时脱扣电流必须取最大值，即16.5kA。但是由于该型号断路器瞬时脱扣电流最大整定值只有15IR·Ａ＝15kA，不满足保护选择性的要求，因此不作瞬时脱扣电流整定，将整定旋钮调至ＯＦＦ位置。

7.结语

总而言之，变压器并列运行是目前电网运行中最为经济可靠且易实施的节电措施，随着社会对供电质量及可靠性的提高，变压器并列运行将越多越多。在本研究中，指出了变压器并列运行对低压母线动热稳定性、保护电器分断能力、动作灵敏性、保护选择性等方面的影响，并给出了具体的计算、校验、保护整定过程，可为此方面的研究提供一定的参考作用。

参考文献

[1]徐建伟.变压器并列运行在工厂内应用分析[J].电工技术，2015（11）：00176-00176.

[2]陈晓辉.刍议配网系统中配电变压器并列运行[J].企业技术开发，2013，32（z1）：79-79.

[3]范茜勉，王文飞.变压器并列运行研究[J].技术与市场，2015（5）：103-103.