摘要：220kV变电站为限制系统10kV侧短路电流，可以采用两种方案：一种是采用常规阻抗变压器并在其回路中串联限流电抗器的方案，一种是采用高阻抗变压器的方案。高阻抗变压器方案由于取消了限流电抗器，优化了变压器低压侧的布置和接线、节省了占地面积、技术上更为可靠，得到了越来越多的应用。
自耦变压器相比于三绕组变压器具有自耦变压器具有制造成本低、损耗小、效率高、外形尺寸小、便于安装运输的优点。本文以YQ 220kV城市变电站工程为例，为限制10kV侧短路电流，给出了两种方案：方案一为高阻抗型自耦变压器方案，方案二为常规阻抗自耦变压器加限流电抗器方案。
通过两种方案在技术和经济上的对比分析，得出高阻抗自耦变压器技术上更加可靠，经济上更加合理。
0 引言
变压器是电力系统中非常重要的一次设备，它的可靠性与经济性直接关系着整个电力系统的稳定和经济运行。随着我国电网向特高压迈进，500kV主干电网日益完善，220kV变电站靠近负荷中心的趋势更加明显，这对大容量电力变压器提出了更高的要求。
前，220kV变电站中主要的变压器型式有三绕组变压器和自耦变压器等。相比于普通三绕组变压器，自耦变压器具有制造成本低、损耗小、效率高、外形尺寸小、便于安装运输的优点，因此，在220kV及500kV电力系统中，自耦变压器也逐渐成为主要的变压器型式。尤其是在电力负荷密度较大的地区，自耦变已成为变压器选型中优先考虑的对象。
常规阻抗变压器的中--低阻抗值一般偏低，在220kV变电站中为限制10kV低压侧短路电流，根据国内目前的运行习惯，当变电站中有多台变压器运行时，其低压侧一般是分列运行的，在此前提下，还要在变压器低压回路加装限流电抗器。随着技术的进步，高阻抗变压器的生产、制造和运行越来越成熟，采用高阻抗变压器来限制10kV低压侧短路电流的方案也得到越来越多的应用，并取得了很好的运行经验，这种方案由于取消了限流电抗器，对于优化布置、节约占地、提高可靠性等特别有意义，也因此成为变压器应用的一种趋势。
1．高阻抗型自耦变压器
1.1自耦变压器的特点
总体上讲，自耦变压器相对于纯电磁传输的普通变压器（如双绕组、三绕组）有以下优点：
（1）相同输送容量下，自耦变压器电磁容量较小即有功和无功损耗减少。这样不仅节约能耗，而且也提高了电网输送能力和稳定水平，此外还可减少无功补偿设备容量；
（2）相同输送容量下，自耦变压器外形尺寸和耗用铜铁材料量减小，一方面降低了设备造价，另一方面减轻运输压力，这一点对高电压大容量变压器特别有意义，因此自耦变压器技术经济效益明显。
但是同时也应注意，自耦变压器与普通三绕组变压器相比也存在着缺陷，主要有以下几点：
（1）自耦变压器的高中压绕组存在着电路联系，因此，自耦变压器产生过电压时，高压与中压侧会相互影响；而且这种电路联系对变压器的调压方式要求较高，电压调整有一定的难度；
（2）自耦变压器的中性点必须直接接地或经小电抗接地，当发生单相短路时，高中压接地系统串接在一起，造成零序电流的继电保护整定困难；
（3）自耦变压器零序阻抗较小，单相短路电流较大，在部分接近电源或500kV变电站的点可能会使单相短路电流超过三相短路电流，甚至超过开关设备制造能力。
目前，对于自耦变压器的问题（1）和（2），随着继电保护技术的进步和调压方式的优化在技术上都有很好的解决办法。而问题（3）是目前自耦变压器在电力系统应用中的最大问题，问题的解决需要统筹考虑电网结构和电源分布，如采用调整220kV电网结构和电源点的分布，或减少下一电压等级的中性点接地点，或采用在局部500kV变压器中性点增加中性点小电抗等方式解决。
综上所述，根据电力负荷发展及潮流变化，综合考虑系统短路电流、系统稳定、协调继电保护、对通信线路的危险影响，在条件符合时，选用自耦变压器具有很高的技术经济效益。
1.2高阻抗变压器的特点
高阻抗变压器与常规阻抗变压器不存在本质区别，但为实现变压器本体阻抗值的提高，两者在结构上存在较大差异。高阻抗变压器主要通过如下三种结构来实现：
1）分裂绕组：该结构将高压或中压绕组的一部分匝数分裂出来，在结构上形成单独的绕组，通过改变绕组的长度和磁链路径来增大变压器阻抗，该型式的变压器与常规阻抗变压器在绕组结构形式上差异较大；
2）高压内置：该结构高压绕组紧靠铁芯布置，改变了变压器内部的磁场分布，以达到增大变压器阻抗的效果；
3）内置电抗器：该结构在低压绕组的尾端串联空芯电抗器，增大了低压绕组的感抗，相当于将电抗器置于变压器内部。
三种类型高阻抗变压器的具有如下特点：
1）分裂绕组型：绝缘结构比较复杂，极限分接阻抗波动大，造价高，负载损耗高，运行不经济；
2）高压内置型：结构比较简单，极限分接阻抗波动大，造价较低，损耗低，运行比较经济；
3）内置电抗器型：结构简单，阻抗范围很宽，极限分接阻抗波动小，造价较低，损耗低，制造、运行都比较经济。
目前实现高阻抗变压器的技术已比较成熟，240MVA的高阻抗变压器在电网中已有所应用，目前其使用范围与形式主要由地区习惯决定，如河南通常采用分裂绕组形式，山东采用高压内置结构，而广东对此无要求，各种结构变压器均有使用。
除了在绕组结构上了差异之外，自耦变压器实现高阻抗的方式与标准三绕组实现高阻抗的方式没有本质区别。经过对国内各主要变压器厂商的调研，他们均有生产制造240MVA高阻抗型自耦变的能力，而且技术已经非常成熟，生产工艺标准也符合相关要求。
因此，在工程设计中，高阻抗自耦变压器的方案是完全可行的，而且具有实际应用价值。
2．YQ 220kV城市变电站变压器选型
2.1工程概况
YQ 220kV城市变电站采用220kV / 110kV / 10kV三级电压等级，主变规模为本期1×180MVA，远期3×240MVA，电压等级均为220/110/10kV。
2.2工程可选方案分析
根据调研，在该城市所处省电网，220kV变电站主变以自耦变压器为主要变压器型式。且在《电力系统设计手册》中也提出“在220kV及以上变电站中，宜优先选用自耦变压器”。因此，考虑到自耦变压器的优势，并结合该地区的变压器选型习惯和电网成功运行经验，本工程采用自耦变压器。
另一方面，从设备选择和限制10kV侧短路电流角度考虑，可以采用两种方案：一种是采用常规阻抗变压器并在其低压侧回路中串联限流电抗器的方案，一种是采用高阻抗变压器的方案。
因此，对于本工程的设计，给出以下两种方案：
方案一：本期采用一台180MVA的高阻抗自耦变，短路阻抗为：U1-2＝13%， U1-3＝54%，U2-3＝38%；远期采用三台240MVA的高阻抗自耦变，短路阻抗为：U1-2 = 13%, U1-3 = 64%, U2-3 = 47%；
方案二：采用标准阻抗自耦变压器加4000A，8%串联限流电抗器。本期一台主变短路阻抗：U1-2=13%, U1-3=24%, U2-3 = 10%；远期三台主变短路阻抗：U1-2=11%, U1-3=34%, U2-3 = 22%。
根据方案一的远期主变短路阻抗和远期系统短路阻抗参数，绘制系统阻抗图如图2-1和图2-2所示。
对远期系统进行短路计算，得到10kV侧系统三相短路电流为24.09kA；两相相间短路电流为20.86kA，满足系统要求。对于两种方案中其它情况下的短路电流见表2-1。
图2-1 远期系统正（负）序阻抗图
图2-2 远期系统零序阻抗图
表2-1 系统短路电流
3．两种方案的技术经济分析
3.1技术比较
在变压器10kV侧串接限流电抗器方案在实际工程应用中会遇到下列问题：
首先，限流电抗器在布置上占地较大，需要单独的电抗器间，其占地尺寸如图3-1所示。方案一取消了限流电抗器，节省占地和建筑房间，对于本工程远期三台主变的节省占地面积就比较可观，另外，取消电抗器之后优化了变压器低压侧的布置和接线，这一点对整个变电站的优化布置非常有意义。
图3-1 三相限流电抗器布置图
其次，串联电抗器运行中会产生较大漏磁场，影响主变及一些二次设备的正常运行。方案一采用高阻抗变压器，大大降低了磁场强度。
第三，电抗器及其回路发生短路故障相当于主变故障，短路电流过大，冲击变压器内部绕组，危及变压器安全。而高阻抗变压器当发生外部故障时，通过变压器等设备的短路电流小，相应的短路电动力和电流热效应也会减小，运行较为可靠，维护较为简单。
另外，串接限流电抗器的额定电流限制了变压器低压侧的输出电流，还会带来运行损耗大、主变后备保护灵敏度不足、电抗器与无功补偿电容器形成串联谐振等，这直接导致运行维护成本提高，不利于扩建。
综上所述，从技术层面讲，采用高阻抗变压器的方案要优于在常规变压器低压侧串联电抗器的方案。
3.2经济比较
对于两个方案的经济性，主要从工程投资、设备运行损耗和运行维护三个方面进行比较。
（1）工程投资
根据对国内主要变压器厂家的产品的综合比较，一般高阻抗变压器根据结构形式的不同，其价格要比常规阻抗变压器价格高出30～90万元，而一组额定电流4000A、阻抗8%的干式空心限流电抗器价格约为25万元。考虑到增加电抗器的建筑及安装费用，以及取消限流电抗器节省出来的征地费用，因此，仅就一次设备本体投资而言，高阻抗变压器方案并未显著增加，甚至方案一的总投资还有可能比方案二的还低。
（2）设备运行损耗
变压器阻抗对空载损耗的影响很小，阻抗值提高后，负载损耗将会变大。而对于方案二，限流电抗器的损耗将会占有很大一部分。对于一组额定电流4000A、阻抗8%的干式空心限流电抗器，运行时最大通过功率约70MVA，损耗约为63kW。根据对国内主要变压器厂家生产的高阻抗变压器进行分析，变压器损耗折算到70MVA时，比常规阻抗变压器损耗高20～50kW，可见，高阻抗变压器的负载损耗比常规阻抗变压器加限流电抗器方案的总损耗要低。按变电站运行30年计，方案一节省的运行损耗费用约合人民币150万元。
（3）运行维护
方案一运行可靠性更高，维护较为简单，因此维护工作量及其发生的费用相比方案二要少，更为经济。
从以上三点的分析中可以得出，高阻抗自耦变压器方案更加经济合理。本工程远期两种方案的经济对比见表3-1。
表3-1 工程远期方案经济性对比
4．结论
自耦变压器具有制造成本低、损耗小、效率高、外形尺寸小、便于安装运输的优点，且随着变压器设计和制造技术的日益成熟，高阻抗变压器的应用是一种趋势。本文以实际工程为例，通过高阻抗自耦变压器与常规阻抗自耦变压器加限流电抗器方案进行对比分析，得出高阻抗自耦变压器更加经济合理。
因此，高阻抗自耦变变压器可广泛应用在220kV电网中，尤其对于城市户内变电站，应用高阻抗自耦变变压器具有显著的经济效益。
参考文献：
[1] 水利电力部西北电力设计院编《电气工程电气设计手册 电气一次部分》，中国电力出版社.
[2] 电力工业部电力规划设计总院编《电力系统设计手册》，中国电力出版社.
论文作者:张亚魁
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/12
标签：变压器论文; 阻抗论文; 流电论文; 方案论文; 绕组论文; 变电站论文; 电流论文; 《基层建设》2019年第25期论文;