小议10kv系统中变压器并列运行问题及其解决方法
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摘要:本文探讨了变压器在运行中遇到的问题,并对此提出相应的解决方法,保证电网安全可靠的运行。
关键词:变压器；问题分析；物质条件；短路
一、变压器并列运行存在的问题分析
在具有两路独立中压电源进线的供配电系统(尤其是具有一、二级负荷的系统)设计中,中压系统采用两段母线独立运行(中间不设母联或设母联但正常情况下断开),而低压系统则采用单母线分段、中间设联络的系统形式。
低压侧的母线联络有两大功能:其一是当一段母线失去电源(即有一台变压器退出运行)时,通过母线联络向该段母线供电,以保证该段母线上的一级负荷及二级负荷的正常供电;其二是当两段母线(即两台变压器)负荷极不平衡时,通过母线联络使两台变压器并列运行,均衡其负荷,以达到节能目的。然而,变压器的并列运行将带来以下3大问题:
(1)当系统内低压侧( d1、d2 点)发生短路时,流过故障点的短路电流比变压器分列运行大1倍左右,故要求设备具有较高的遮断能力。
(2)当中压侧( d3、d4及d5点)发生短路时,将有一个通过母联及两变压器流向短路点的反送电流。由于阻抗及各种电流保护的参数配合等原因,这一反送电流较难迅速切除。特别是在中压进线断路器前端的供电线路( d5点)发生短路时,这一反送电流将对电网及供电部门的抢修构成较大威胁。这是供电部门不能接受的。
(3)发生短路时完好侧的变压器会严重过负荷。若母联断路器不能及时跳闸,则会使完好侧电源跳闸,从而扩大事故停电范围,造成一、二级负荷也同时停电的严重后果。
尽管设计中已考虑到各变压器的负荷平衡,但在实际运行中,各变压器负荷不平衡的情况仍时有发生。尤其是在民用建筑(如宾馆、商场、写字楼等)中,由于季节性、时间性负荷所占比例较大,各变压器负荷不平衡问题就更加突出。二、问题的解决措施
(一)前提条件
首先,必须取得供电局的认可。供电局是电力、电网生产、运行及管理的部门,必须保证整个电网的安全可靠运行。就安全性而言,变压器的并列运行要略低于分列运行。所以,除采取必要的技术和管理措施外,还必须取得供电局的认可,否则项目将无法实施。
其次,对一般情况而言,可采用两路中压进线一用一备,中压系统主接线为单母线分段中间设联络且母联常合的方式。这实际上等同于单路中压进线的变压器并列运行,不存在反送电问题。当然,对各变压器发生负荷不平衡概率较小的场所,也可采用两路中压进线同时工作,独立运行。低压系统通过连锁装置确保变压器不并列运行的方式。
然而,对于各变压器发生负荷不平衡概率较大,且对电源切换时间要求较高的场所(如医院) ,应考虑变压器并列运行。医院中具有较多的季节性、时间性负荷,易出现负荷不平衡,而其对电源切换时间要求又很高。
(二)并列运行变压器的技术要求
两个变压器并列运行必须满足下列基本技术要求:
1. 两个变压器的电压和变比应相同(变比差不得超过0. 5 %,调压范围与每级电压均应相同),否则两个变压器二次绕组内将出现环流,造成电能损耗,严重时将导致绕组过热并烧毁。
2. 两个变压器的连接组别应相同(连接方式、极性、相序等均必须相同) 。由于组别不同,将使两个变压器的低压侧产生相位差,由此产生电位差,而这一电位差会在低压侧形成较大的环流。
3. 两个变压器的阻抗电压应相等(最多不超过±10 % ) 。这是因为并列运行变压器的负荷是按其阻抗电压值成反比分配的,若阻抗电压值相差过大,则起不到均衡负荷的作用,严重时将会使阻抗电压值较小的变压器过负荷。
4. 两个变压器的容量之差不宜过大(最多不超过3∶1) 。如果差距过大,两个变压器的特性不可能完全相同,则两个变压器间的环流就会较大,极易造成容量较小的变压器过负荷。
(三)必要的物质条件
系统中必须采用满足系统遮断要求的元器件及开关柜。由于低压侧短路时,短路电流流过变压器,而变压器的阻抗较大(一般变压器的短路电压百分比Ud %约为4. 5,而民用建筑中常用的干式变压器的Ud %约为6) ,根据我国电力系统目前的状况,城市的10kV侧最大短路容量约为300MVA,则在变压器并列运行下,低压侧发生短路时,其流过短路点的超瞬变短路电流I″<50 kA。而现今的低压电器有了很大的发展,如Prisma、ArTu、MNS、GCK等开关柜,以及MT、E、CW、NS、T、CM、SM40等空气断路器,其遮断电流均能达到50kA及以上。这为解决问题提供了必要的物质基础。
至于中压系统,其短路电流要比低压系统的小得多(变比关系),且变压器是否并列对其短路电流的影响不是很大(即使发生反送,因反送短路电流要通过两台变压器及相连的低压线路,短路阻抗很大,故其值远小于短路侧电源送来的短路电流),常用的设备均能满足要求。
(四)应对低压侧发生短路的措施
应对低压侧发生短路有以下几种措施:
1. 适当选择变压器容量。变压器容量与其阻抗成反比,故与流过其短路电流成正比。再者,变压器容量越大,供电范围也就越大,一旦发生事故,影响就越大,则供电可靠性降低,系统的调配、管理也不方便,且容易出现“大马拉小车”的耗能情况。笔者认为,除特殊情况外,应尽量不选1600 kVA及以上容量的10 /0. 4 kV变压器。
2. 必须设置母联断路器。母联断路器可在一段母线发生故障时迅速断开,而使完好的母线段继续正常运行,同时切断了向系统反送短路电流,以提高供电的安全性和可靠性。
3. 尽量配平各变压器的负荷,尤其是配平一、二级负荷(误差应在10 %左右) 。这样,可将母联断路器的脱扣电流整定为进线断路器的70%以下,以确保发生短路时母联断路器先于低压总断路器跳闸。这一点是保证完好侧继续供电的必要前提,必须严格实施。
4. 避免系统中出现单一回路容量超过整个母线段容量的50%。在一段母线中,若有一回路容量非常大,将会使这一回路的断路器与母联断路器、低压总断路器的脱扣电流无法按有效级差进行整定,则断路器的保护选择性降低,有可能产生越级跳闸,扩大事故停电面。这是不能允许的。
5. 必须严格校核设备的遮断容量及动、热稳定参数。
(五)应对中压侧发生短路的措施
当中压侧发生短路时,流向短路点的短路电流由两部分组成,即直接来自于中压电源和通过两台变压器由低压侧反送过来。由于变压器的阻抗比10kV 线路阻抗大得多,则由低压侧反送过来的短路电流要比直接从中压电源侧来的短路电流小得多,故其危害性也小得多。以S9-1250 /10型油浸式变压器(相应的干式变压器的阻抗更大)与5km的10kV电缆相比较,变压器的电抗标幺值为3. 6,而电缆的电抗标幺值却只有0. 36,且反送短路电流要经过两台变压器。对切除这一反送电流,一般无需采用速断保护,可允许保护的动作带有一定的时限。对这一低压反送短路电流可采取以下几种措施:
1. 变压器的中压电源断路器及该侧中压总进线断路器与其低压总断路器应相互连锁,即只有当中压断路器合闸后,低压总断路器才能合;反之,若中压断路器跳闸,则低压总断路器也应随之跳闸。当然,应设置连锁解除装置,以满足检修、调试的需要。对于在d3、d4点发生短路时,这一连锁将非常迅速地切断低压反送短路电流。
2. 低压母联断路器应带有失压脱扣,并设置变压器严重过负荷保护,动作于低压母联断路器跳闸。当中压侧发生短路时,系统内的所有负荷包括短路侧的变压器(此时其也成为负荷)及反送短路电流均由完好侧变压器来带,这将使该变压器严重过负荷,并使母线电压急剧下;又因为低压断路器的保护特性均为反时限型,只要母联断路器的脱扣电流整定为低压总断路器的70%以下,便可确保母联断路器先于低压总断路器跳闸。以上措施能使两段低压母线迅速分列,以保证系统的安全及完好母线段的正常运行。注意,两个低压总断路器不能带有失压脱扣,且其速断整定应躲过上述的反送短路电流,否
3. 在中压进线侧设置电流方向保护,动作于高压总进线断路器或低压母联断路器的跳闸,也可同时动作于以上两断路器的跳闸,以确保d5点发生短路时,迅速地切断低压反送短路电流。由于保护可能出现误动作,造成不必要的停电,笔者认为宜仅动作于低压母联断路器的跳闸为好。如果确是发生短路( d5点) ,母联断路器的跳闸已切断低压反送短路电;如为误动作,则仅是变压器分列运行,不会造成停电,且短期内的负荷不平衡也不会对供电系统造成危害。
除了采取以上各种措施(包括应对低压侧短路的具体措施),还应在低压母联断路器跳闸后,尽快切除故障点,以使低压母联断路器能尽早重新合闸,恢复对故障侧低压母线段的供电。
三、结束语
以上各种措施都是简便易行的,不会给系统的保护增加多少复杂程度。与其节能效果相比,这些措施的投入是微乎其微的。故应在设计中充分考虑变压器的并列运行。对于一个完善的供配电系统,在确保供电安全性的同时,还应十分重视并切实做到供电可靠性、环保性和经济性。
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