特高压变压器突发短路试验的可行性分析

洪深++郑占锋++万德春++胡冠++汪海波

摘 要：在全球能源问题日益严峻的形势下，特高压交流输电技术将获得大量应用。特高压变压器作为输电线路的重要设备之一，其质量和可靠性直接关系到电力系统的安全稳定运行。目前，特高压变压器的抗短路电流能力还需依赖仿真验证的方式。该文从变压器短路试验要求出发，对1 000 kV等级特高压变压器开展短路试验的技术方案及最小系统需求进行了分析，并提出了大致的设备投资规模。

关键词：特高压 变压器 突发短路试验 IEC 60076

中图分类号：TM723 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（c）-0013-04

Abstract：As the global energy problem becomes more and more severe， the ultra-high voltage （UHV） AC transmission technology will get a large number of applications. The UHV transformer， as one of the important equipment of the transmission system， its quality and reliability is directly related to the safe and stable operation of power system. At present， the ability to withstand short circuit of the UHV transformer still need have the aid of calculation and simulation. Based on transformer short-circuit test requirements， the technical scheme and the minimum test system requirement of the UHV transformer short-circuit test were analyzed respectively， and the equipment investment scale was put forward approximately.

Key Words：Ultra high voltage； Transformer； Short-circuit withstand testing； IEC 60076

隨着用电负荷的不断增加，电力系统输电规模越来越大。特高压交流输电技术以输送容量大、送电距离长、线路损耗低、占用土地少等特点，在远距离大容量输电领域获得青睐[1]。截至2016年9月，商业运营目的的特高压交流输电工程投运4项，在建3项，全部采用我国自主研发的1 000 kV等级特高压输电技术。可以预见，随着全球能源互联网建设的不断推进，特高压交流输电技术将获得越来越多的应用。

特高压变压器作为输电线路的重要设备之一，其质量和可靠性直接关系到电力系统的安全稳定运行[2]。目前，特高压变压器的抗短路电流能力还需依赖仿真验证的方式。

专门用于检验变压器承受短路故障能力的试验项目为突发短路试验，是利用试验系统产生的短路电流来考核变压器的动稳定性，是对变压器综合技术能力和工艺水平的考核[3，4]。目前，我国开展大型电力变压器突发短路试验的机构主要有沈阳变压器研究所和苏州电器科学研究院。沈阳变压器研究所最高可对220 kV等级变压器开展短路试验，苏州电器科学研究院最高可对500 kV等级变压器开展短路试验。国际上，KEMA和CESI目前最高可对500 kV等级变压器开展短路试验，远期KEMA可对750 kV等级变压器开展试验[4，5]。总之，世界范围内尚无任何机构具备1 000 kV特高压变压器的突发短路试验能力。

该文从变压器突发短路试验要求出发，对1 000 kV等级特高压变压器开展短路试验的技术方案及最小系统需求进行了分析，并提出了大致的设备投资规模。

1 变压器突发短路试验

标准IEC 60076-5中，明确规定了双绕组变压器进行短路试验时的非对称电流峰值和对称电流均方根值。而对于多绕组变压器和自耦变压器，需要根据对所有可能出现故障情况下短路电动力计算结果的分析来选择试验工况[3]。而该文的重点是试验系统的需求分析，因此仅以双绕组变压器为例进行分析。

1.1 标准要求

由标准IEC 60076-5可知，变压器短路试验的对称电流均方根值It需满足下式，

其中，S为系统短路视在容量，US为系统标称电压，Is为系统侧短路电流，ZS为系统短路阻抗，Sr为试品变压器的额定容量，Ur为施压绕组的额定电压，Uk为折算到施压绕组侧的短路阻抗百分数，Zt为折算到施压绕组的试品变压器短路阻抗，I为施压绕组在额定容量下的短路电流值，Ut为额定短路电流下施压绕组上承受的电压，U2为加到施压绕组上的试验电压，Zr为折算到U2侧的系统短路阻抗，It为U2试验电压下绕组的对称电流均方根值。

正常情况下，It应该等于I。当试验系统容量有限时，可以取最大允许负偏差来放宽要求。标准规定试验电流峰值偏离规定值应不大于5%，而对称电流偏离规定值应不大于10%。即使考虑到大型电力变压器使用场合中，系统感抗与电阻之比要大于该变压器的对应值[6]，相应的峰值系数会较大，但是90%对称电流试验条件下生成95%的峰值电流仍然较难。因此，对称电流也最多取5%的负偏差，式（5）中0.95·I为满足标准要求的It最小允许值。

1.2 试验方法

短路试验可采用两种方法[6，7]。

（1）先短路法：将被试变压器的一侧绕组（一般为靠近铁芯的绕组）预先短接，另一侧绕组通过选相合闸开关接到电源。当合闸开关闭合时，变压器产生试验的短路电流。也称为“对预先短路的变压器施加电压的短路试验”。

使用先短路法，在合闸开关接通前，变压器不受电压的作用。因此为了提高试验能力，可将系统电压提高。根据最大功率传输原理，当系统阻抗和试品阻抗相等，并且系统电压为2倍的试品绕组在短路时承受电压，系统容量的利用率最高。即需同时满足下式（7）和（8）。也就是说，在系统容量固定情况下，满足上述条件时，系统可以试验的变压器容量最大。此时，系统容量为试品试验容量的4倍。

（2）后短路法：即变压器一次绕组施加励磁电压，二次绕组利用短路装置进行短路的方式。也称为“对预先励磁变压器进行短接的短路试验”。这种方式更接近实际运行状态。

后短路法在形成短路之前，变压器要受到外施电压的作用。为避免变压器在短路前承受过高电压，标准规定外施电压不应超过绕组额定电压的1.15倍。后短路法情况下，需求的试验系统容量比先短路法要大得多。

由于容量限制，后短路法多数被用于中小型变压器的短路试验。而大型电力变压器的短路试验只能采用先短路法。

2 特高压变压器的突发短路试验

1 000 kV等级变压器的主要技术参数为：高压绕组额定电压为1 050/1.732 kV；高压-中压绕组短路阻抗百分数为18%；1 000 kV侧系统短路电流为63 kA[8， 9]。因此，将上述参数代入式（1）（2）（3），可得下列等式：

式（11）即为试验需要产生的对称电流均方根值。

2.1 变压器规格

目前，1 000 kV等级变压器共有3个容量规格，具体如表1所示[10]。由表1可知，特高压变压器最小容量规格为400 MVA。

2.2 试验方案

特高压变压器突发短路试验方案如图1所示，m台短路发电机与n台试验变压器一次侧并联联接；试验变压器二次侧采用中间接地、反向级联的Cascade接线方式；试品变压器放置于绝缘平台之上，以解决试验时中性点对地绝缘水平不够的问题。

短路发电机采用哈电集团生产的6 500 MVA冲击发电机，具体参数：超瞬变电抗Xd"为30 mΩ；负序电抗X2为30 mΩ；额定电压为14 kV。

试验变压器可根据需要定制，该文在双重考虑了制造能力和成本的情况下，预设其参数为：中压侧短路阻抗40 mΩ；中压侧电压14 kV；高压侧电压由联接方式调节，最高可至1 050/1.732 kV；高压侧绝缘水平为1 000 kV等级。

中压侧回路采用多根同轴电缆并联的方式，阻抗XL1为7 mΩ；高压侧回路阻抗XL2为500 mΩ。

2.3 最小试验系统需求

由上可知，该试验系统的内部阻抗为

当m=9，n=22时满足式（16）。即1 500 MVA特高压断路器短路试验的最小系统要求为：9台6 500 MVA短路发电机+22台短路阻抗为40 mΩ的高压试验变压器。

2.4 投资规模

根据类似工程经验，1套6 500 MVA短路发电机系统约需1.2亿元；1套发电机回路及相关设备约需4 000万元；1台短路阻抗为40 mΩ的百万伏级高压试验变压器约需3 000万元；变压器试验回路、绝缘平台及测控和保护系统约需8 000万元；设备相应的安装、调试等费用约为前述费用的15%。

因此，不考虑基建施工费用的情况下，针对特高压变压器开展短路试验的设备投资规模见表2。

3 结语

（1）虽然特高压变压器都为多绕组和自耦式结构，但在计算短路试验系统容量需求时，可以按照双绕组变压器进行考虑。

（2）采用先短路法，系统电压为2倍的试品绕组在短路时承受电压，并且系统阻抗和试品阻抗相等时，试验系统容量利用率最高。

（3）中间点接地，反向级联的Cascade接线方式，虽然需要将试品变压器放置于绝缘平台上，但是可以大大降低试验变压器的绝缘水平，进而节约投资。

（4）进行特高压变压器的短路试验，需要非常巨大的系统短路容量。若突发短路试验全覆盖目前的特高压变压器规格，仅设备投资就需约27亿元。

参考文献

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