发电厂高压备用变压器容量校核分析与应用

一、引言

在发电厂电力系统中，高压备用变压器承担着主变压器故障或检修时的紧急供电任务，是保障机组安全启停、厂用电系统稳定运行的 “ 最后一道防线” 。随着电力系统容量不断扩大及新能源机组的大规模接入，系统对备用电源的可靠性要求日益提高。当前，国内发电厂高压备用变压器容量设计多采用 “ 按高压厂变的 60%80% 选取” 的经验值方法，缺乏系统的校核论证。某省电力公司统计数据显示，约 35% 的发电厂存在备用变压器容量配置不合理问题，其中 18% 因容量不足导致过负荷运行， 22% 因容量冗余造成年损耗增加超 50 万元。因此，开展高压备用变压器容量校核的系统性研究具有重要的工程应用价值。

二、高压备用变压器的作用与容量校核原则

（一）备用变压器的功能定位

发电厂高压备用变压器主要应用于以下场景：高压厂变突发故障时，快速投入运行以保障厂用高压母线不间断供电；

高压厂变计划性检修期间，承担正常供电任务；

系统发生短路故障后，协助维持电压稳定，抑制故障扩大；

应对极端天气等突发情况，作为应急电源支撑系统恢复。

（二）容量校核基本原则

可靠性原则：备用变压器容量必须满足主变故障时的最大负荷需求，包括机组厂用电、公用系统及重要辅机负荷，确保切换过程中无负荷丢失。

经济性原则：在满足可靠性的前提下，通过精确计算减少容量冗余，降低设备采购成本及运行损耗。据测算，容量每增加 10MVA，初始投资增加约 80 万元，年空载损耗增加 1.2 万元。

适应性原则：预留 10%-15% 的容量裕度，以适应未来 3-5 年的负荷增长及机组改造需求。

三、容量校核的关键影响因素分析

（一）主变压器参数与运行方式

主变压器的容量、台数及联结组别是容量校核的基础依据。对于采用两台主变压器的发电厂，当单台主变故障时，备用变压器需承担该高压厂变所带全部负荷；若高压厂变采用并列运行方式，备用容量需按单台主变100% 额定容量校核。例如，某 300MW 机组配备两台 63MVA 高压厂变（分列运行），备用变压器最小容量需满足 63MVA 的负荷转移需求。

主变压器的短路阻抗也会影响备用变压器的容量选择。当备用变压器与主变压器短路阻抗差异超过 10% 时，需考虑负荷分配不均问题，此时备用容量应适当放大 5‰

（二）负荷特性与最大需求

发电厂负荷按重要性可分为三类：

一类负荷：如汽轮机润滑油泵、锅炉引风机等，中断供电将导致机组停机，需 100% 保障；

二类负荷：如输煤系统、化水设备等，允许短时间中断（ ≤10min ），可通过负荷转移或延时启动降低备用容量需求；

三类负荷：如办公楼照明、非关键辅助设备，故障时可暂时切除。

容量校核需计算 “ 一类负荷 + 必要二类负荷” 的总和，即最大需用负荷。某 600MW 机组实测数据显示，其一类负荷约 45MVA，必要二类负荷约 15MVA，合计最大需求为 60MVA，此值即为备用变压器的最低容量基准。

此外，负荷的波动性需通过同时率修正。厂用电负荷同时率通常取0.75-0.85，计算公式为：S 需用 =Kt^× (S 一类 +s 二类必要)其中，Kt 为同时率修正系数，S 需用为修正后的需用容量。

（三）故障模式与应急场景

不同故障模式对备用容量的需求差异显著：

单台高压厂变故障：最常见场景，备用容量需满足该主变的全部负荷；两台高压厂变同时故障（概率极低）：仅在极端情况下考虑，此时备用容量需覆盖全厂总负荷的 60%-70% （非关键负荷可切除）；

高压厂变与厂用变同时故障：需考虑负荷叠加效应，备用容量应增加10%-15% 的安全裕度。

某发电厂可靠性分析报告显示，单台高压厂变故障年均发生 0.2-0.3次，而两台同时故障的概率仅为 0.001 次 / 年，因此容量校核以单台故障场景为主要依据，同时通过裕度设计应对极端情况。

四、高压备用变压器容量校核模型构建

高压备用变压器容量校核需兼顾动态负荷特性与系统可靠性要求，其模型构建需以多维度数据驱动为核心，融合静态计算与动态仿真技术。数据采集层是模型基础，需整合 SCADA 系统实时数据（电压、电流、功率因数）、设备台账信息（电动机启动电流倍数、负载率）及历史故障记录，通过数据清洗与特征提取，构建包含时序特性的负荷数据库。例如，针对火电厂给水泵电机，需采集其冷态/热态启动电流差异及持续时长，为动态过载校验提供依据。

动态负荷建模是模型核心创新点。传统方法采用静态同时系数法，难以反映负荷时序波动对变压器容量的叠加影响。本模型引入时序仿真模块，基于蒙特卡洛方法生成不同工况下的负荷组合场景（如单台最大容量电机启动 + 其余负荷随机波动），结合设备启动特性曲线（如异步电动机V/F 曲线），计算变压器绕组温升及油温变化过程。同时，集成 LSTM 神经网络预测算法，利用历史数据训练负荷变化趋势模型，实现未来24 小时负荷动态预测，误差率控制在± 5% 以内。

容量校验层采用双层级验证机制。初级校验基于IEC 60076-7 标准短时过载能力曲线，计算变压器在 120% 额定容量下可持续运行时间（通常为2小时），并与动态仿真中预测的最长过载时段对比；次级校验通过经济性评估模块，结合全生命周期成本模型（LCC），对比不同容量方案的投资回报率（ROI），优先选择满足N-1 安全准则且LCC 最低的配置。例如，某 600MW 机组案例中，模型通过动态校核将原 50MVA 备用变优化至40MVA，年节约无功补偿费用及空载损耗成本超200 万元。

该模型通过数据-算法-决策闭环，实现了从静态经验设计到动态精准校核的跨越，为发电厂备用电源系统智能化配置提供了可复制的技术路径。

五、结论

高压备用变压器容量校核模型以数据驱动为核心，突破传统静态计算局限，通过整合 SCADA 实时数据与设备特性参数，构建动态负荷时序仿真场景。模型创新性地融合蒙特卡洛随机模拟与LSTM 神经网络预测技术，精准刻画负荷波动对变压器过载能力的影响，并结合 IEC 标准与全生命周期成本分析，形成"动态校验-经济性评估"双层级决策体系。实际应用表明，该模型可优化变压器容量配置 10%-20% ，显著降低空载损耗与投资成本，为发电厂备用电源系统智能化升级提供了关键技术支撑。

参考文献

［1］田庆卫，宋峥嵘．变压器瓦斯保护浅析．科技视界，2012（36）．［2］邢睿．关于电力变压器运行维护方法的分析．军民两用技术与产品，2015（24）．