CN109543322A - 抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统网络技术领域，尤其是涉及一种抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法。抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法为，对变压器建立BPA模型，确定变压器阻抗参数的取值范围；根据变压器短路电压百分值取值范围，选取模型中的短路电流值；根据不同电流值，取得变压器高、中、低压侧的电压实际值；求取在不同变压器短路阻抗情况下，低压侧所带有功功率负荷的收敛极限值；结合得到的数据和实际应用中对于此变压器的参数要求，选取Z₀₃＝14％/64％/50％为最后使用参数。本发明可模拟现实电力网络，计算出高阻抗变压器的短路电压百分比取值，节省了设备投资，避免了电网失稳的发生和资源的浪费。

Description

抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法

技术领域

本发明涉及电力系统网络技术领域，尤其是涉及一种抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法。

背景技术

电力变压器作为电力系统的枢纽设备，在电力系统中承担着电压变换、电能分配和转移的任务，其安全稳定运行对于系统稳定运行至关重要，然而，随着系统容量不断扩容，系统阻抗越来越小，导致系统短路电流随之增加，对变压器的安全运行产生严重危害，为了限制系统短路电流，国内外学者开展了诸多研究，采取的限制电网短路电流措施主要如下：

(1)提升电压等级，下级电网分层分区运行：该方法将原电压等级的网络分成若干区，辐射型接入更高一级的电网，原有电压等级电网的短路电流将随之降低。

(2)变电所采用母线分段运行：该方法将母线分列运行可以增大系统阻抗，有效降低短路电流水平。该措施会削弱系统的电气联系，降低系统安全裕度和运行灵活性，同时有可能引起母线负荷分配不均衡。

(3)采用高阻抗变压器和发电机：加大发电机阻抗会增大正常情况下发电机自身的相角差，对系统静态稳定不利，采用高阻抗的变压器同样也会有增加相角差的问题。因此在选择是否采用高阻抗变压器和发电机时需要综合考虑系统的短路电流问题和稳定问题。

(4)加装变压器中性点小电抗接地：该措施适用于单相短路电流过大而三相短路电流相对较小的场合，对限制短路电流的零序分量有明显的效果。

综合对比以上措施可以看出，措施(1)投入成本较大且安全性有所降低；措施(2)会对起动安全裕度和运行灵活性产生不利影响；措施(4)仅适用于单相短路电流较大的场合。因此，对于某一个区域电网，在投入成本要求较少的前提条件下，措施(3)的实用性及可操作性较强，该方法也是目前国内外学者研究的一个热点问题。

短路阻抗作为变压器的重要参数，其不仅反映变压器本身的性能，还会对系统的稳定性产生影响。变压器的高阻抗可以减小系统的短路电流，同时也会使得系统处于弱连接，从而导致系统的稳定性下降。因此，如何合理选择变压器阻抗参数使得限制短路电流的同时又不会对系统稳定性产生太大的影响，具有重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，以能够合理选择变压器阻抗参数。

本发明提供的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，用于电力电网模拟系统，对变压器建立BPA模型，确定变压器阻抗参数的取值范围；根据变压器短路电压百分值取值范围，选取模型中的短路电流值；根据不同电流值，取得变压器高、中、低压侧的电压实际值；分别求取在不同变压器短路阻抗情况下，低压侧所带有功功率负荷的收敛极限值；结合所得到的数据和实际应用中对于此变压器的参数要求，最终可选取Z₀₃＝14％/64％/50％为最后使用参数。

进一步的，确定高阻抗变压器阻抗参数的取值范围的方法为：

变压器出厂参数提供变压器短路电压百分值，通过公式：

可得到变压器阻抗参数。

进一步的，以高阻抗变压器常用短路电压百分值参数为基准，可计算出一组短路电压百分值参数：

进一步的，Z₀₁取典型变压器短路电压百分值：Z₀₁＝14％/23％/9％，即变压器高中短路电压百分值为U_1-2＝14％，高低电压百分值为U_1-3＝23％，高低电压百分值为U_2-3＝9％。

进一步的，高中低压侧短路电压百分值的计算公式为：

进一步的，变压器中压侧短路电流I_s-c-m≤3.45p.u.，变压器低压侧短路电流I_s-c-l≤1.57p.u.。

进一步的，根据变压器容量，分别求取不同短路电压百分值参数下，低压侧带变压器容量25％、43.54％，50％，66.67％，83.33％，100％情况下的有功功率负荷，取得不同短路电压百分值时变压器高、中、低压侧的电压实际值。

进一步的，分别求取在不同变压器短路阻抗情况下，低压侧所带有功功率负荷的收敛极限值，当高压侧电压降低百分值ΔU_V-S-λ(％)≥6％，或中压侧电压降低百分值ΔU_V-S-m(％)≥2.67％，或低压侧电压降低百分值ΔU_V-S-l(％)≥20％时，系统将不收敛。

进一步的，系统发生故障后的暂态稳定性及功角失稳范围的选取方法：

设置此高阻抗变压器低压侧母线短路，并在5个周波时间后切除故障线路；

通过逐渐增大扰动前的初始功角δ₀，直到扰动后功角曲线在第一摆失去稳定，从而得到系统的暂态稳定临界功角(δ_lim)和临界功率(P_lim)，当发电机功角δ_lim≥72°时，系统将失去暂态稳定。

进一步的，确定变压器阻抗参数时，需考虑以下三方面因素：

1)考虑高阻抗变压器接入系统后，系统的短路电流值；

2)考虑高阻抗变压器接入系统，随所带负载增加，系统的电压稳定性；

3)考虑高阻抗变压器接入系统，系统发生故障后的暂态稳定性。

本发明提供的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，可模拟现实电力网络，计算出高阻抗变压器的短路电压百分比取值，节省了设备投资，避免了电网失稳的发生和资源的浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法中的变压器不同短路阻抗下低压侧母线三相短路时低压侧电压变化曲线；

图3为本发明实施例提供的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法中的变压器不同短路阻抗下低压侧母线三相短路时中压侧电压变化曲线；

图4为本发明实施例提供的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法中的变压器不同短路阻抗下低压侧母线三相短路时高压压侧电压变化曲线；

图5为本发明实施例提供的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法中的变压器不同短路阻抗下低压侧母线三相短路时中压侧支路电流变化曲线；

图6为本发明实施例提供的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法中的变压器不同短路阻抗下低压侧母线三相短路时发电机相对功角变化曲线；

图7为本发明实施例提供的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法中的变压器不同短路阻抗下低压侧母线三相短路时发电机电磁功率变化曲线；

图8为本发明实施例提供的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法中的变压器不同短路阻抗下低压侧母线三相短路时发电机频率变化曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

短路阻抗作为变压器的重要参数，其不仅反映变压器本身的性能，还会对系统的稳定性产生影响。变压器的高阻抗可以减小系统的短路电流，同时也会使得系统处于弱连接，从而导致系统的稳定性下降。因此，如何合理选择变压器阻抗参数使得限制短路电流的同时又不会对系统稳定性产生太大的影响，具有重要的理论和实际意义。

为实现上述目的，本发明提供了一种适合于工程应用的高阻抗变压器参数选择的方法。

确定高阻抗变压器阻抗参数，需考虑三方面因素：

1)考虑高阻抗变压器接入系统后，系统的短路电流值；

2)考虑高阻抗变压器接入系统，随所带负载增加，系统的电压稳定性；

3)考虑高阻抗变压器接入系统，系统发生故障后的暂态稳定性。

以下介绍考虑上述三方面因素的处理过程

1.确定高阻抗变压器阻抗参数的取值范围

变压器出厂参数提供变压器短路电压百分值，通过公式(1)：

可得到变压器阻抗参数。以高阻抗变压器常用短路电压百分值参数为基准，可计算出一组短路电压百分值参数，方法如下，流程图如附图1所示。

令Z₀₁取典型变压器短路电压百分值：Z₀₁＝14％/23％/9％，即变压器高中短路电压百分值为U_1-2＝14％，高低电压百分值为U_1-3＝23％，高低电压百分值为U_2-3＝9％。根据公式(2)：

可分别求得高中低压侧短路电压百分值：高压U₁＝14％，中压U₂＝0％，低压U₃＝9％。高阻抗变压器，指其阻抗电压的百分值超过同一电压等级同一容量的国家标准规定的百分值，高阻抗变压器高中短路电压百分值变化不大，主要变化为高低短路电压百分值与中低短路电压百分值。故，首先，保持高中U_1-2＝14％保持不变，即保持高压U₁＝14％，中压U₂＝0％不变，改变低压U₃的值，使高低U_1-3的值按10％的增幅增加，分别取到54％、64％、75％、85％，可得到Z₀₂＝14％/54％/40％，Z₀₃＝14％/54％/40％，Z₀₄＝14％/75％/61％，Z₀₅＝14％/85％/71％。由于变压器高中压测短路电压百分值基本保持不变，故在变压器高中U_1-2＝14％的基础上按3％的增幅增加两次，而后按照如上方式进行短路电压百分值求取，即求取变压器高中压测短路电压百分值为17％，20％时的两组数据，可得到另外10个短路电压百分值参数：Z₀₆＝17％/23％/9％，，Z₀₇＝14％/54％/40％，Z₀₈＝14％/54％/40％，Z₀₉＝14％/75％/61％，Z₁₀＝14％/85％/71％，Z₁₁＝17％/23％/9％，Z₁₂＝14％/54％/40％，Z₁₂＝14％/54％/40％，Z₁₄＝14％/75％/61％，Z₁₅＝14％/85％/71％。

2.建立模型观察系统的短路电流值

将高阻抗变压器建立BPA模型接入系统，保持变压器有功负载恒定，分别求取在不同短路电压百分值时，高阻抗变压器中压侧母线短路的短路电流和高阻抗变压器低压侧母线短路的短路电流。观察短路电流随短路电压百分值变化的增减率。高阻抗变压器中压侧短路电流I_s-c-m≤3.45p.u.，高阻抗变压器低压侧短路电流I_s-c-l≤1.57p.u.。

3.观察系统的电压稳定性

因为高阻抗变压器主要改变变压器低压侧短路电压百分值，所以只改变变压器低压侧所带有功功率负荷参数，高、中压侧有功功率负荷参数保持不变。根据变压器容量，分别求取不同短路电压百分值参数下，低压侧带变压器容量25％、43.54％，50％，66.67％，83.33％，100％情况下的有功功率负荷，取得不同短路电压百分值时变压器高、中、低压侧的电压实际值，观察不同短路电压百分值在不同负荷时的电压偏移程度。

4.求取系统电压稳定范围

分别求取在不同变压器短路阻抗情况下，低压侧所带有功功率负荷的收敛极限值，观察此时实际电压偏差率，得出当高压侧电压降低百分值ΔU_V-S-λ(％)≥6％，或中压侧电压降低百分值ΔU_Y-S-m(％)≥2.67％，或低压侧电压降低百分值ΔU_Y-3-l(％)≥20％时，系统将不收敛。

5.求取系统系统发生故障后的暂态稳定性及功角失稳范围

使用BPA仿真软件编写暂态稳定程序，设置此高阻抗变压器低压侧母线短路，并在5个周波时间后切除故障线路，观察为此变压器供电发电机的功角曲线变化。通过逐渐增大扰动前的初始功角δ₀，直到扰动后功角曲线在第一摆失去稳定，从而得到系统的暂态稳定临界功角(δ_lim)和临界功率(P_lim)。并可知，当发电机功角δ_lim≥72°时，系统将失去暂态稳定。

本发明充分考虑了网络的潮流分布，在控制降低短路电流的同时保证了系统的稳定性。

具体的，以某新建高阻抗变压器为例，阐述抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法具体实施过程。

首先，对此高阻抗变压器建立BPA模型，容量为：240/240/120MVA，电压分接头为：230±8×1.25％/121/10.5kV，初始阻抗电压为：14％/64％/50％，变压器中压侧所带总有功负载为：169.67MW，变压器低压侧所带总有功负载为：52.25MW，并根据接线图接入电力系统网络。

之后，确定高阻抗变压器阻抗参数的取值范围，根据我们所述方法，可知：

矩阵中具体数值如下：Z0_1＝14％/23％/9％，Z₀₂＝14％/54％/40％，Z₀₃＝14％/54％/40％，Z₀₄＝14％/75％/61％，Z₀₅＝14％/85％/71％，Z₀₆＝17％/23％/9％，Z₀₇＝14％/54％/40％，Z₀₈＝14％/54％/40％，Z₀₉＝14％/75％/61％，Z₁₀＝14％/85％/71％，Z₁₁＝17％/23％/9％，Z₁₂＝14％/54％/40％，Z₁₃＝17％/64％/50％，Z₁₄＝14％/75％/61％，Z₁₅＝14％/85％/71％。

而后，观察系统短路电流变化情况。分别求取在不同短路电压百分值时，高阻抗变压器中压侧母线短路的短路电流和高阻抗变压器低压侧母线短路的短路电流。具体结果见表1、表2、表3。

表1：变压器高中侧短路电压百分值恒为14％时的短路电流值

表2：变压器高中侧短路电压百分值恒为17％时的短路电流值

表3：变压器高中侧短路电压百分值恒为20％时的短路电流值

以Z₁₁＝14％/23％/9％所求数据为基准，求取其他短路电压百分值取值时，短路电流的增减情况，结果见表4。

表4：相对短路阻抗百分值为14％/23％/9％的短路电流降低百分值

在实际应用时，短路电流值越小越好，所以选取短路电流降低百分值较大的一组参数，这是第一点考虑条件。

之后观察系统的电压稳定性，因为高阻抗变压器主要改变变压器低压侧短路电压百分值，所以只改变变压器低压侧所带有功功率负荷参数，高、中压侧有功功率负荷参数保持不变。根据变压器容量，分别求取不同短路电压百分值参数下，低压侧带变压器容量25％、43.54％，50％，66.67％，83.33％，100％情况下的有功功率负荷，取得变压器高、中、低压侧的电压实际值，观察系统的电压稳定性，结果见表5、表6、表7。

表5：变压器高中侧短路电压百分值恒为14％时不同有功负载下的变压器实际电压值

表6：变压器高中侧短路电压百分值恒为17％时不同有功负载下的变压器实际电压值

表7：变压器高中侧短路电压百分值恒为20％时不同有功负载下的变压器实际电压值

理想变压器实际电压值与期望值应保持一致，所以在实际应用时，应选择在不同网络情况下电压平均变化率最小的一组变压器短路阻抗参数，这是第二点考虑条件。

之后，分别求取在不同变压器短路阻抗情况下，低压侧所带有功功率负荷的收敛极限值，观察此时实际电压偏差率，得出变压器电压变化极限值范围，当电压超出此范围，系统将不收敛。各短路阻抗下，低压侧有功功率负荷极限值及电压降低百分值见表8。

表8：系统潮流收敛时变压器低压侧有功功率负荷极限及此时变压器电压降落百分值

从长远发展来看，系统负荷会逐步增大，故所承载的负荷值越大越好，这是第三点考虑条件。且可以判断，当高压侧电压降低百分值超过6％，或中压侧电压降低百分值超过2.67％，或低压侧电压降低百分值超过20％时，系统可能会不收敛；且随变压器短路阻抗的降低，系统收敛性电压降低百分值判断数值增大。

最后，使用BPA仿真软件编写暂态稳定程序，设置此高阻抗变压器低压侧母线短路，并在5个周波时间后切除故障线路，观察为此变压器供电发电机的功角曲线变化。分别观察不同短路电压百分比取之情况下，通过逐渐增大扰动前的初始功角δ₀，直到扰动后功角曲线在第一摆失去稳定，从而得到系统的暂态稳定临界功角(δ_lim)和临界功率(P_lim)。不同短路阻抗下的最大失稳角度以及临界功率结果见表9。

表9不同短路阻抗下的最大失稳角度以及临界功率

U<sub>k</sub>[％]	4	14	24	38	48	64	80
								δ[°]	72°	70°	69°	68°	67°	67°	65°
P[MW]	421	398	378	355	339	320	307

考虑系统的暂态稳定性，变压器所带有功负荷越大越好，这是第4点考虑因素。并且可知，当发电机功角δ_lim＝72°时，系统将失去暂态稳定。

综合考虑上述四点，结合所得到的数据和实际应用中对于此变压器的参数要求，最终可选取Z₀₃＝14％/64％/50％为最后使用参数，因为此时，高阻抗变压器接入电力系统网络后，短路电流值降低幅度，不同负荷下的电压稳定性，系统收敛最大负荷值与暂态稳定最大负荷值均处于中间偏上水平，满足目前现状及未来50年的发展适用条件，是最为合适的参数选择。

本发明的有益效果为：

随着电力系统容量的日益增加，系统阻抗的减小导致短路电流越来越大，过大短路电流会对造成系统中变压器及其它电力设备造成及较大危害。越来越多的变压器设备将采用高阻抗变压器来控制短路电流，通过本文发明可模拟现实电力网络，计算出高阻抗变压器的短路电压百分比取值，节省了设备投资，避免了电网失稳的发生和资源的浪费。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，用于电力电网模拟系统，其特征在于，对变压器建立BPA模型，确定变压器阻抗参数的取值范围；根据变压器短路电压百分值取值范围，选取模型中的短路电流值；根据不同电流值，取得变压器高、中、低压侧的电压实际值；分别求取在不同变压器短路阻抗情况下，低压侧所带有功功率负荷的收敛极限值；结合所得到的数据和实际应用中对于此变压器的参数要求，最终可选取Z₀₃＝14％/64％/50％为最后使用参数。

2.根据权利要求1所述的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，其特征在于，确定高阻抗变压器阻抗参数的取值范围的方法为：

变压器出厂参数提供变压器短路电压百分值，通过公式：

可得到变压器阻抗参数。

3.根据权利要求2所述的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，其特征在于，以变压器常用短路电压百分值参数为基准，可计算出一组短路电压百分值参数：

4.根据权利要求3所述的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，其特征在于，Z₀₁取典型变压器短路电压百分值：Z₀₁＝14％/23％/9％，即变压器高中短路电压百分值为U_1-2＝14％，高低电压百分值为U_1-3＝23％，高低电压百分值为U_2-3＝9％。

5.根据权利要求4所述的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，其特征在于，高中低压侧短路电压百分值的计算公式为：

6.根据权利要求5所述的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，其特征在于，变压器中压侧短路电流I_s-c-m≤3.45p.u.，变压器低压侧短路电流I_s-c-i≤1.57p.u.。

7.根据权利要求6所述的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，其特征在于，根据变压器容量，分别求取不同短路电压百分值参数下，低压侧带变压器容量25％、43.54％，50％，66.67％，83.33％，100％情况下的有功功率负荷，取得不同短路电压百分值时变压器高、中、低压侧的电压实际值。

8.根据权利要求7所述的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，其特征在于，分别求取在不同变压器短路阻抗情况下，低压侧所带有功功率负荷的收敛极限值，当高压侧电压降低百分值ΔU_V-S-λ(％)≥6％，或中压侧电压降低百分值ΔU_V-s-m(％)≥2.67％，或低压侧电压降低百分值ΔU_v-s-l(％)≥20％时，系统将不收敛。

9.根据权利要求8所述的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，其特征在于，系统发生故障后的暂态稳定性及功角失稳范围的选取方法：

设置此高阻抗变压器低压侧母线短路，并在5个周波时间后切除故障线路；

通过逐渐增大扰动前的初始功角δ₀，直到扰动后功角曲线在第一摆失去稳定，从而得到系统的暂态稳定临界功角(δ_lim)和临界功率(P_lim)，当发电机功角δ_lim≥72°时，系统将失去暂态稳定。

10.根据权利要求1-9任一项所述的抑制系统短路电流的高阻抗变压器阻抗参数确定方法，其特征在于，确定变压器阻抗参数时，需考虑以下三方面因素：

1)考虑高阻抗变压器接入系统后，系统的短路电流值；

2)考虑高阻抗变压器接入系统，随所带负载增加，系统的电压稳定性；

3)考虑高阻抗变压器接入系统，系统发生故障后的暂态稳定性。