高阻抗变压器的应用

高阻抗变压器的应用2009年9月0.概述进入“十一五”以来，江苏电力需求迅猛增加，年均增长在10％以上。到“十一五”中期，江苏500KV主网架已建成了“四纵四横”的电网格局，主网结构已经形成．500KV变电所变电容量建设也有大的发展，单组1000MVA的大容量变压器已成为500KV变电站的主要设备选型配置，苏南负荷中心的500KV变电站主变安装容量绝大部分皆按不少于双变配置，并逐渐达到规划设计的规模容量。随着电网容量在逐步扩大，电网短路电流水平也持续上升。短路电流水平的控制成为电网进一步发展所面临的主要问题，短路电流水平的控制主要表现在:（1）500kV变电所的220kV母线及部分主力电厂220kV母线，在个别站点已逼近目前开关设备开断水平（220kV，50kA）;（2）220kV变电所的低压侧，尤其是距离负荷中心较近，低压为10kV的变电所，其短路电流水平接近目前开关设备开断水平（10kV，25kA）;（3）随着省内大容量110kV变压器的逐步推广应用，大容量110kV变压器低压侧（主要为10kV）额定电流和短路电流水平较之常规容量变压器也有了较大提高。0.1电网概况和主要问题0.概述上表可见，江苏电网枢纽厂站短路电流水平增长迅速。0.概述1.合理分配新建电源,均衡500kV、220kV电网短路容量新建电厂应合理接入220kV电网,以减少500kV电网的短路电流。220kV电网通过分片运行对短路电流加以限制。2.电源分散接入电网大型电源根据送电方向和范围,分散接入不同的主干输电线路。使主网有较好的适应性,在不削弱系统可靠性的条件下拉开电网的电气距离,电厂和区外线路分层接入主网。3.调整和优化电网结构可采取解开过于紧密的环网结构、控制变电所500kV进出线路的数量、开辟大容量输电通道,主要输电通道采用大截面导线降低回路数等措施来满足短距离、大容量的输电要求,避免多回通道并列运行给电网带来短路电流过大的问题,达到既加大电气距离又满足电力输送的要求,使变电所到各电源之间保持合理的综合阻抗,以控制短路电流。0.2目前短路电流问题解决的主要途径0.概述4.采用母线分段分排等措施随着省内500kV变电所主变规模向4台过渡，500kV变电所的220kV母线逐步具备分段运行的条件，通过对220kV分区电网结构和变电所出线排列的优化设计，可以在不降低电网可靠性的前提下，将500kV变电所的220kV母线分段运行，从而达到降低220kV母线短路电流水平的目的。５.采用高阻抗变压器上述系统措施需要长期逐步的全局调整，而在目前情况下，当一定时期内负荷增加较快而电网结构变化无法完全跟上，或现有电网结构经过长期构造已较为完善的情况下，单纯采用调整电网结构的方式在经济性方面并不合适，此时可以考虑采用高阻抗变压器，可以在保持现有电网结构基本不变的情况下降低系统短路电流水平。６．采用大截面、多分裂导线取代多回小截面导线、单导线输电在电网安全稳定可控的情况下，由于大截面、多分裂导线相对多回小截面、单导线有着基本相同的工作电流，但由于传输电阻抗较大，因此可以使得短路电流较小。0.2目前短路电流问题解决的主要途径第一部分：高阻抗变压器主要优势（1）有效降低220kV侧短路电流水平：可见在220kV短路电流构成中通常50－70％为500kV系统通过变压器提供。所以，提高主变压器阻抗对抑制220kV母线短路电流有明显的作用。1.1500kV采用高阻抗变压器的主要优势第一部分：高阻抗变压器主要优势以上以南京城网东善桥和龙王山两变电所为例，维持现有12％、15％阻抗和更换20％阻抗变压器对降低220kV侧短路电流的影响比较，可见效果明显。（2）提高分区供电能力：目前江苏220kV电网已开始规划分片运行，通常每片区有一到两个500kV变电所和若干220kV接入的发电厂作为支撑。当500kV变电所采用高阻抗主变后，使得该片区来自500kV系统的短路电流水平降低，从而使得片区内220kV接入的发电厂容量可以提高或可以增加并列运行的变压器容量，进而提高分区供电能力。以下为几种220kV片区模式下短路电流和供电能力分析。第一部分：高阻抗变压器主要优势（模式1）1个500kV变电所，3台主变独立成一片。第一部分：高阻抗变压器主要优势（模式1）供电能力与500kV变压器阻抗关系第一部分：高阻抗变压器主要优势第一部分：高阻抗变压器主要优势（模式2）二变电所相距约50～60km，220kV4回线相联。第一部分：高阻抗变压器主要优势（模式2）供电能力与500kV变压器阻抗关系（模式3）第一部分：高阻抗变压器主要优势（模式3）供电能力与500kV变压器阻抗关系第一部分：高阻抗变压器主要优势第一部分：高阻抗变压器主要优势从目前省内短路电流水平看，由于110kV网架已经分片解环，故无论苏南还是苏北，220kV变电所的110kV侧短路电流水平距离设备耐受水平裕度都较大。故无论采用三圈还是自耦变，采用标准短路阻抗都不会对110kV短路电流产生影响。但在低压方面，由于220kV主变容量的增加，额定电流和短路电流水平较之常规容量变压器也有了较大提高。尤其是部分处于大城市中心地区的变电所，需考虑采用220kV直降10kV供电，其10kV侧短路电流水平接近目前10kV开关柜制造水平25kA，目前主要的解决方案是低压串连限流电抗器和采用高阻抗变压器两种，采用限流电抗器技术难度较小，但与高阻抗变压器相比存在增加设备占地较大、设备可靠性相对较低等缺点，随着变压器厂家技术进步，220kV高阻抗变压器方案优势正日益体现。1.2220kV采用高阻抗变压器的主要优势第一部分：高阻抗变压器主要优势随着江苏城市化建设的发展，省内大城市中心区域高层建筑日益增多，造成城市中心区域负荷密度加大，迫切需要新建110kV变电所，但在已发展成熟的城市中心区域新建变电所难度非常大，项目建设推进困难重重，难以满足负荷发展的需要。基于以上原因，省公司提出了110kV采用大容量变压器的发展思路，但随着主变容量的增加，与220kV大容量变压器情况相似，110kV大容量变压器也存在额定电流和短路电流水平升高问题。在现有10kV设备开断和耐受短路电流水平条件下，采用110kV高阻抗大容量变压器是一种较好的解决方案。1.3110kV采用大容量高阻抗变压器的主要优势高阻抗变压器主要优势及必要性归纳•500/220KV高阻抗变压器：•-----控制220KV短路电流，形成合理电网结构，提高供电可靠性；•-----提高220KV分区的供电能力，减少电网分区数，发挥电网规模效益•220KV高阻抗变压器：•-----在负荷高密度区采用220KV直降中压配电电压等级可控制配网系统的短路电流水平，并可采用大容量变压器以节约资源•-----在需要的情况下低压可并列运行以提高供电可靠性，并获得较好的电能质量．•110KV高阻抗变压器：•----可采用大容量变压器并控制低压的短路电流水平；•----在需要的情况下低压可并列运行以提高供电可靠性,并获得较好的电能质量．高阻抗变压器主要优势及必要性归纳第二部分：高阻抗变压器制造可行性国家标准的500kV自耦变压器主要参数如下。左表所示，涂红部分为省网常用250MVA和333MVA单相变压器（即三相75万和100万）主要参数，其高中阻抗电压百分数为Uk1-2＝12％。我们称为标准阻抗。省内已建500kV变电所主变在500kV张家港变以前Uk1－2均为12％，张家港、三叉湾、龙王山、梅里为15％。晋陵变为18％。随着电网的发展，短路电流水平的提高，迫切需要更高阻抗的变压器。本文讨论之高阻抗变压器为Uk1-2＝18％以上。2.1500kV高阻抗变压器的制造可行性根据系统计算及与变压器制造厂了解的结果，目前国内主要变压器厂承诺能够制造的高阻抗变压器主要参数序列有Uk1-2%＝20％、22％、24％、26％、30％几种。按产品结构主要有内置电抗器和双主柱两种。1.内置电抗器结构高阻抗变压器该种结构主要为重庆ABB公司主推。其主要特点是：在公共绕组中性点侧串联一台内置电抗器，电抗器的放置位置:与变压器主体共用油箱,与变压器主体之间只有电气连接而无磁路连接。详见下图。第二部分：高阻抗变压器制造可行性电抗器的放置位置:与变压器主体共用油箱,与变压器主体之间只有电气连接而无磁路连接。详见上图，右侧为完整的变压器线圈，左侧为独立的电抗器，变压器自耦线圈中性点侧引出线串接电抗器后引出变压器中性点接地。即采用独立电抗器方式解决高阻抗变压器漏抗增加导致主柱附近局部过热问题。电抗器本体结构：油浸式空心电抗器第二部分：高阻抗变压器制造可行性2.双主柱结构高阻抗变压器该种结构采用厂家较多，有东芝、西变等。其主要特点是：针对高阻抗漏磁增加采用双主柱线圈结构（普通阻抗为三柱，高阻抗为四柱），从而避免局部过热发生。详见左图。单主柱结构：当阻抗增加（主要就是线圈漏抗增加）时，自耦合的高中压线圈附近局部过热。这就是高阻抗变压器设计主要难点。双主柱结构：自耦合的高中压线圈主柱一分为二，从而避免附近局部过热。第二部分：高阻抗变压器制造可行性3.两种结构高阻抗变压器比较（1）两种结构高阻抗变压器较之常规结构变压器重量及造价方面均增加有限。（2）内置电抗器方案负载损耗较双主柱方案略低，但内置电抗器方案在短路情况下会发生饱和，故实际限制短路电流能力有折扣。（3）内置电抗器方案需从线圈中引线出来，结构较复杂，按设计说法“设计需十分小心”，相对可靠性可能较差。第二部分：高阻抗变压器制造可行性4.高阻抗变压器损耗问题第二部分：高阻抗变压器制造可行性由上表可见，两个厂家产品重量、损耗相差较大，以20%阻抗变压器为例，负载损耗分别为475kW和590kW，相差近25%，如考虑变压器30年寿命期内，两种产品的年电能损耗差值近1０万元，如折算到产品价格上，相当于价格上有约3%(5100万元）的差距。这主要是因为两家由于制造理念的不同，相对来讲损耗小的一方产品标准较高、用料较足，但也造成价格、运输重量较高的缺点，故选型时应与设备价格在全寿命内综合比较考虑。同时也应该看到两种产品（20%高阻抗）损耗值均接近甚至低于现行国家标准（12％），这主要归功于新材料、新工艺的应用，故高阻抗变压器在提高阻抗、降低短路电流的同时，其能耗水平也是可以接受的。第二部分：高阻抗变压器制造可行性左表为国家标准中220kV三绕组和自耦变压器参数表。由前节介绍可知，220kV高阻抗变压器与500kV高阻抗变压器不同，在于重点控制低压侧短路电流水平。目前国内厂家制造水平，即增加变压器高低、中低压阻抗，从目前国内厂家制造水平看，220kV180MVA容量的三绕组变压器可以做到：UK1-2＝14%；Uk1-3=34%；UK2-3=17%，即高中、中低阻抗可以做到国标1.4~1.8倍。2.2220kV高阻抗变压器的制造可行性与500kV高阻抗变压器相似，220kV高阻抗变压器也有两种不同制造方案，分裂绕组和内置电抗器方案。与500kV高阻抗变压器不同在于220kV高阻抗变压器重点在于提高中低绕组阻抗。1.分裂绕组结构高阻抗变压器该种结构主要是将中压绕组的部分匝数剥离到高压绕组外侧，将高压绕组置于中低压绕组之间，通过分裂绕组方式增大绕组间的漏磁通道，从而增大中低绕组阻抗。详见下图。第二部分：高阻抗变压器制造可行性2.内置电抗器高阻抗变压器该种结构主要是主要是将低压绕组的线端串联内置空心电抗器，从而限制低压侧短路电流水平。第二部分：高阻抗变压器制造可行性3.两种结构高阻抗变压器比较上述两种方案均为切实可行，相对来说分裂绕组方案应用较多，如：常州东芝在苏州虎丘变（180MVA自耦变Uk1-3＝52.86%）；泰州洋思变（180MVA自耦变Uk1-3＝64.58%）；合肥ABB在南京高桥变（180MVA自耦变Uk1-3＝47%）。济南西门子的内置电抗器方案最近在苏州地区备用变压器有订货。第二部分：高阻抗变压器制造可行性第二部分：高阻抗变压器制造可行性目前省内新建110kV变电所主变压器容量最大为6.3万kVA。根据国标G