基于短路电流约束的三绕组变压器阻抗值的计算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及环境监控领域，尤其涉及一种基于短路电流约束的三绕组变压器阻抗 值的计算方法。
【背景技术】
[0002] 电力变压器阻抗参数值设计是发电厂及变电站工程设计中的重要环节。目前，三 电压等级的变电站大多数采用三绕组变压器，其阻抗值的选择，直接影响三侧电压等级的 短路电流水平，而短路容量的大小，间接决定了变电站低压侧无功补偿设备的单组容量及 组数，与工程建设经济效益密切相关。
[0003] 如图1所示，为一典型的220kV变电站(三电压等级：高压侧220kV、中压侧110kV、低 压侧10kV)的短路电流计算原理图。三侧母线短路电流的大小均与不同等级之间的漏电抗 密切相关，只有合理地设计各电压等级之间的漏抗值^、^、^，才能同时保证各侧电压等级 的短路电流均在安全范围之内。而 X1、X2、X3的大小取决于三绕组变压器的短路阻抗百分数 值Ukl-2%、Ukl-3%、Uk2-3% (具体关系如式1所示），也就是说，在系统阻抗给定后，变电站 三侧短路电流水平水平完全取决于三绕组变压器的短路阻抗百分数值Ukl-2%、Ukl-3%、 Uk2-3%〇
[0004] xi= 0.5X(Ukl2%+Ukl3%-Uk23%)XSj/(100SN)
[0005] X2 = 0.5X(Ukl2%+Uk23%-Ukl3%)XSj/(100SN) (1)
[0006] X3 = 0.5X(Ukl3%+Uk23%-Ukl2%)XSj/(100SN)
[0007] 现有的实际工程设计中，往往采用阻抗值足够大的标准阻抗或通用阻抗作为设计 值。但对于不同地区的变电站，其处于电力系统的位置和地位不同，尤其对于电网耦合度较 低的末端变电站，由于系统阻抗相对较高，如果仍然采用阻抗值相对过高的通用阻抗值(标 准阻抗值），将会使得短路电流限制到过低的水平，而低压侧短路容量过度减小会带来无功 补偿设备投切引起的电压波动问题:系统短路容量降低后，如果无功补偿设备的单组容量 较大，就会引起投切时系统电压波动不满足电能质量要求，此时，只能通过增加无功补偿设 备的组数来弥补电压波动的问题，而采取这种措施将增加设备投资及变电站占地面积，从 而大大增加工程建设的造价:江苏地区目前220kV变电站中普遍采用阻抗值相对过高的通 用阻抗值变压器，同时采用单组容量偏小的6000kvar的电容器作为无功补偿，占地面积大， 一次性投资成本高。综上所述，降低变电站低压侧短路电流水平和提高无功补偿设备的单 组容量从原理上是相互矛盾，相互制约的。因此，研究如何优化选择变压器阻抗(或限流电 抗器)的阻抗设计值，使得低压侧短路电流水平控制在合理范围之内，同时提高变电站无功 补偿设备的单组容量，节省投资，是非常具有工程实际意义的课题。
[0008] 目前，关于三绕组变压器阻抗值的设计方案，大部分工程设计中均采用经验阻抗 值（通用的较高阻抗值），如220kV变电站通常采用的主变压器（180MVA)阻抗百分数为： Ukl2% = 13、Ukl3% =64、Uk23% =47;容量为240MVA的主变压器阻抗百分数一般取:服1-2 % = 11，Ukl-3 % = 34，Uk2-3 % = 22，并在低压侧建设串抗率为8 %~10 %的串联电抗器限 制短路电流。导致部分变电站低压侧短路电流水平过低；同时无功补偿方案采用数量较多、 单组容量较小的设备，以解决短路电流过小带来的电压波动问题，经济效益低下。
[0009] 现行的国内220kV电压等级三绕组变压器阻抗值设计方法可分成以下两种类型：
[0010] 1)大部分设计院采用国家电网通用设计方案(通用的较高阻抗值）。这种方法以偏 概全，不具有普适性，国家电网通用设计方案给出的参数范围只是一组参考数值，其通用阻 抗值对于大部分变电站来说，是及其不合理的。
[0011] 2)小部分设计院根据经验进行适当优化，其方法均是通过人工多次尝试改变阻抗 值并进行试算，直到找到一组较为满意的参数为止。这种方法具有偶然性，设计人员可能通 过少次试算就能找到相对合理的参数范围，也有可能经过很多次尝试也无法满足要求，而 且即使采用此方法找到相对的合理值，其优化目标也必然不是最优数值。
[0012] 综上，目前的三绕组变压器阻抗值设计优化方法无理论支撑、人工计算繁杂（需多 次试算、无规律性）、设计参数效益差(无法达到优化、建设成本高、经济效益差）
【发明内容】
[0013] 本发明目的在于克服以上现有技术之不足，提供一种基于短路电流约束的三绕组 变压器阻抗值的计算方法，具体有以下技术方案实现：
[0014] 所述基于短路电流约束的三绕组变压器阻抗值的计算方法，包括如下步骤：
[0015] 1)取电容器单组容量为低压侧三相短路容量的2.5%，如式（1)设定无功补偿单组 容量Qc，
[0016]
[0017] 其中，ILf3为低压侧三相短路电流，ULN低压侧三相电压，Sd为低压侧短路容量，QCmax 为电容器单组最大容量；
[0018] 2)在最大运行方式下和最小运行方式下，根据式1要求，设定目标函数如式(2)所 示：
[0019]
[0020] 式中，分别表示最大运行方式和最小运行方式下的单组最大电容器 容量；
[0021] 3)建立系统对短路点的等值正序阻抗Χη?4Ρ等值零序阻抗Χη?ο、相对于短路点的 等值阻抗与系统正序阻抗Hxl、Mxl、零序电抗Ηχ0、Μχ0以及变压器三侧等效电抗χι、Χ2、Χ3间 的关系式;建立乂似与高压侧三相短路电流lHf3、中压侧三相短路电流IMf3以及ΧηΣ1、Χη?ο与高 压单相接地短路电流Im、中压单相接地短路电流Im的关系式;建立低压侧三相短路电流 1[^3与叉1、叉2、叉3、]^1、]\^1的关系式；
[0022] 4)设定变电站各电压等级侧短路电流的限定值，并通过所述限定值对变电站各电 压等级侧短路电流进行约束，进而根据步骤3)中的关系式得到变电站各电压等级的正序、 零序阻抗的初值范围；
[0023] 5)设置生产制造条件的约束，对所述变电站各电压等级的正序、零序阻抗的初值 范围进行进一步的限定，最终求得三绕组变压器各电压等级对的正序、零序阻抗的取值范 围。
[0024] 所述三绕组变压器阻抗值的计算方法的进一步设计在于，所述步骤3)中单台变压 器的短路阻抗百分数分别为1^12%、1^13%、服23%，则变压器各侧等效电抗^、幻的表 达式如式(12)所示：
[0025] xi =〇.5X(Ukl2%+Ukl3%-Uk23%) XSj/(100Sn)
[0026] X2 =0.5X(Ukl2%+Uk23%-Ukl3%) XSj/(100Sn) (12)
[0027] X3 =0.5X(Ukl3%+Uk23%-Ukl2%) XSj/(100Sn)
[0028] 其中，Sj为基准容量，SN为变压器额定容量。
[0029] 所述三绕组变压器阻抗值的计算方法的进一步设计在于，所述步骤3)中系统对短 路点的等值正序阻抗Χη?4Ρ等值零序阻抗Χη?ο、相对于短路点的等值阻抗与系统正序阻抗 Hxl、Mxl、零序电抗Ηχ0、Μχ0以及变压器三侧等值电抗χι、Χ2、Χ3间的关系式如式(3)、式⑷所 示，
[0030]
[0031]
[0032] 所述三绕组变压器阻抗值的计算方法的进一步设计在于，所述步骤3)中，乂低:与高 压侧三相短路电流lHf3、中压侧三相短路电流IMf3以及ΧηΣ1、Χη?()与高压单相接地短路电流 Im、中压单相接地短路电流Imh的关系式如式(5)、式(6)所不，
[0033]
[0034]
[0035] 所述三绕组变压器阻抗值的计算方法的进一步设计在于，所述步骤3)中，低压侧 三相短路电流〗Lf3与11、1233、1^1、]\^1的关系式包括如下步骤：
[0036]A)进行Υ-Δ变换，计算等值后的阻抗112^13、123，计算公式如式(7)所示：
[0037]
[0038]B)将χ12与非故障变压器高中压支路并联后形成X12;
[0039]
(8)
[0040]C)进行Δ-Υ变换，按照式(9)计算等值后的Χ1