分裂绕组变压器对系统短路电流的影响

分裂绕组变压器对系统短路电流的影响

樊菊霞，孙艳明，易隆岩，刘隽楷，李娇

中国能源建设集团湖南省电力设计院 有限公司 湖南长沙 410000

摘要：针对三相双绕组分裂变压器的短路阻抗进行分析，得出分裂绕组变压器对系统短路电流的影响。首先求解三相双绕组分裂变压器的短路阻抗；其次，分析采取不同分裂系数时的三相双绕组分裂变压器的等值电路；最后，通过比较不同穿越阻抗下的分裂变压器短路电流值，得出分裂变压器对限制系统低压侧短路电流有较明显的作用。该方法原理简单，实用性强，并通过实际案例验证该方法的有效性。

关键词：分裂绕组变压器；穿越阻抗；分裂阻抗；分裂系数

0 引言

电力变压器是电网中的核心设备，起着电能传输、转换及分配的作用。它的综合性能与电力系统的可靠运行及效益紧密相关^[1]。在电力系统中短路故障时有发生，短路电流使变压器绕组内部产生较大应力，过大的短路电流会对变压器的安全运行产生重大影响，严重情况下将导致变压器损坏无法正常工作，同时将对系统中其他的电力设备的正常运行造成不利影响^[2]。

近年来，针对如何限制系统短路电流，国内外学者已进行了深入的研究，并得出一系列相关结论。文献[3]提出低压侧加装限流阻抗器的方式限制系统短路电流，限流阻抗器通过增加系统的等值阻抗限制系统短路电流，但也存在增加系统网损、增加对无功的需求和降低系统稳定性的弊端；文献[4]提出采用高阻抗变压器，论述了实现高阻抗的方法，与普通变压器相比短路阻抗提高，可以有效限制系统短路电流值，但是较大的阻抗值导致系统的稳定性降低；文献[5-6]介绍了单相及三相分裂变压器的等值电路、短路阻抗计算过程；文献[7]对三相双绕组分裂变压器的特点进行分析，提出使用双分裂变压器能有效地限制短路电流和增加变压器的单台容量。

本文在文献[7]的基础上，对三相双绕组分裂变压器的等值电路及短路阻抗进行分析推导，得出等值阻抗与分裂阻抗、穿越阻抗及分裂系数之间的关系，并进一步分析分裂变压器的等值电路及对系统短路电流的影响，最后得出穿越阻抗对系统短路电流的影响。

1 分裂绕组变压器等值阻抗求解

实际工程中广泛应用的是轴向双分裂变压器，即变压器低压侧分裂为两个绕组，两个绕组之间只有磁的联系，没有电气上的联系，具体结构如图1所示。分裂绕组变压器阻抗可分为：穿越阻抗、半穿越阻抗、分裂阻抗。

穿越阻抗：指当两个低压分裂绕组并联运行时，高低压绕组之间的阻抗；

半穿越阻抗：指当两个低压分裂绕组中任何一个绕组开路时，另一个低压绕组与高低压绕组之间的阻抗。

分裂阻抗：指两个低压分裂绕组之间的阻抗。

图1 双分裂绕组变压器结构原理图

根据《电力工程设计手册》变电站设计，第三章第二节中的表3-3可得：三相双绕组分裂变压器的等值阻抗如图2所示。其中，X₁、X₂₁、X₂₂分别为变压器高压侧及低压侧分裂等值阻抗。

图2 三相双绕组分裂变压器等值阻抗

（1）

（2）

其中，X_1-2为高压绕组与总的低压绕组间的穿越阻抗，X_21-22为分裂绕组间的分裂阻抗。

当低压侧的两个分裂绕组并联运行时，分裂阻抗与穿越阻抗的比值称为分裂系数K。由此可得：

（3）

将式（6）带入式（1）与式（2）可得：

（4）

（5）

由上式可知，对于三相双绕组分裂变压器，高压侧的等值阻抗大小由分裂阻抗及分裂系数共同确定；低压侧等值阻抗的大小仅由分裂阻抗大小决定。

2 分裂绕组变压器等值电路及对系统短路电流的影响

2.1 分裂绕组变压器的等值电路

上文分析已求得三相双绕组分裂变压器的等值阻抗计算公式，本节将分析针对不同的分裂系数取值，分裂绕组变压器的等值电路。

由式（4）可知：

当K=4时；X₁=0，X₂₁=X₂₂=1/2X_21-22；此时变压器的等值电路如图3所示：

图3 K=4时，三相双绕组分裂变压器等值电路

此时，低压侧的两个分裂绕组之间没有磁的联系，互相之间没有影响，等同于两台独立运行的双绕组变压器，此时，当任何一个绕组负荷发生变化对另外一个绕组没有影响。

当K=0时；X₁=∞，X₂₁=X₂₂=1/2X_21-22；此时变压器的等值电路如图4所示：

图4 K=0时，三相双绕组分裂变压器等值电路

此时，低压侧的两个分裂绕组之间联系最紧密，当任何一个绕组负荷发生变化均对另外一个绕组产生影响。

据统计，目前变压器厂家生产的三相双绕组分裂变压器的分裂系数均为0＜K＜4；此时变压器的等值电路如图2所示，即实际工程应用中的变压器的等值电路均为图2所示。

2.2 分裂绕组变压器对短路电流的影响分析

本文以三相短路为例进行分析。假设图2所示三相双绕组分裂变压器分别在f₁、f₂两点发生三相短路故障。下面分别分析不同点短路故障时的短路电流与穿越阻抗之间的关系。

1. 当f₁点短路时；

此时，短路等值阻抗只有高压侧X₁，根据式（4）可知，X₁的大小由分裂阻抗及分裂系数共同确定，与分裂变压器的穿越阻抗无关，因此，针对不同的穿越阻抗，变压器高压侧的短路电流值不变。

2. 当f₂点短路时；

此时，短路电流流经半穿越阻抗，半穿越阻抗为高压绕组和一个分支X₂₁的短路阻抗之和，比普通双绕组变压器短路阻抗大，所以短路电流比普通双绕组变压器小。

3 案例分析

本节以实际工程为例，说明采用三相双绕组分裂变压器对系统短路电流的影响。芙蓉云计算中心220kV专用变电站工程，本工程规模如下：本站为220kV、10kV两个电压等级，主变规模为本期1台240MVA，远期4台240MVA；220kV侧本期出线2回，远期出线3回；10kV侧本期出线30回，远期出线120回。

本站因低压侧出线回路较多，因此，考虑采用三相双绕组分裂变压器，低压侧双分裂，每个分裂绕组带15回出线负荷，本期30回出线负荷平均分配在两个分裂绕组上。

当分别在高压侧220kV母线及低压侧10kV单个分裂绕组支路母线发生三相短路故障时，针对不同的穿越阻抗，不同短路点的短路电流计算结果如表1所示。

由表可知，选取不同的穿越阻抗值，220kV侧的三相短路电流值相同，均为27.28kA，说明高压侧的短路电流不受穿越阻抗影响。但对于10kV侧而言，不同的穿越阻抗对应的短路电流不同，可知，穿越阻抗越大，分裂系数越小，短路电流越小，与第二章的分析结果一致。

表1 三相短路故障工况下短路电流计算结果（kA）

4结语

本文研究了三相双绕组分裂变压器的等值阻抗与变压器穿越阻抗、分裂阻抗及分裂系数的关系，通过分析系统不同点的三相短路故障得出，当高压侧短路时，短路电流不受穿越阻抗的影响，当低压侧短路时，短路电流与穿越阻抗成反比，即，穿越阻抗越大，分裂系数越小，系统短路电流越小。由此得出，采用分裂绕组变压器可有效限制系统低压侧的短路电流。该方法原理简单，实用性强，易于实现，通过工程实际案例分析，验证了该方法的有效性。

参考文献

李龙女, 张雅倩, 李岩, 刘晓明，等. 带平衡绕组的分裂式变压器短路电流计算分析[J]. 电力系统及其自动化学报, 2019, 31(3): 69-70.

1. 廖国栋，谢欣涛，侯益灵，等．特高压接入湖南电网后500 kV 母线三相短路电流超标问题分析［J］．高电压技术，2015，41 ( 3) : 747 -753．

[3] 程苒，李峰，等. 电网短路电流水平控制措施

[J]. 电气时代, 2019, 11(3): 66-67.

[4] 孙秋霞，韩强．高阻抗变压器串联阻抗器的接线方式浅析［J］．变压器，2015，52 ( 9) : 66 -67．

[5] 王念同，刘白刚，等. 分裂变压器的等效电路与参数测定［J］．上海工程技术大学学报，1998，12 ( 6) : 40 -44．

[6] 侯仰风，马冲，王田，等．双分裂变压器短路阻抗的分析求解[J]．测试测量技术，2017，364(7)：1-3．

[7] 王世荣．分裂变压器的特点及运行[J]．四川电力技术，2001，6(14)：53-55．

作者简介：樊菊霞（1973-）女，汉，山西运城人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：电气工程。