統(tǒng)一潮流控制器用串聯(lián)變壓器設(shè)計(jì)

李曉明，曹冬明，田　杰，董云龍（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

統(tǒng)一潮流控制器用串聯(lián)變壓器設(shè)計(jì)

李曉明，曹冬明，田杰，董云龍
（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

串聯(lián)變壓器作為統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著換流器與交流系統(tǒng)交換功率的重要作用，一方面需要匹配交流系統(tǒng)電壓與換流器直流電壓，另一方面在電氣結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)與換流器的隔離。UPFC用串聯(lián)變壓器在電氣結(jié)構(gòu)上不同于常規(guī)電力變壓器，其一次側(cè)繞組（線路側(cè)繞組）分相接入三相線路，變壓器一次側(cè)繞組每相的首尾端拆開，經(jīng)6個端口接入線路；二次側(cè)繞組（閥側(cè)繞組）與換流器連接，采用常規(guī)的星型或者角型接法。串聯(lián)變壓器的繞組需要具備承受系統(tǒng)短路電流的能力，同時需要具備持續(xù)一定時間的4倍過激磁耐受能力，對變壓器的電氣、結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)酷的要求。文中結(jié)合南京220 kV西環(huán)網(wǎng)統(tǒng)一潮流控制器工程，分析了串聯(lián)變壓器的運(yùn)行工況，以此為基礎(chǔ)提出了串聯(lián)變壓器的關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)，并對其惡劣工況下的耐受能力進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）；UPFC；串聯(lián)變壓器；TBS

作為第三代柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）設(shè)備代表，統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）是迄今為止功能最全面的FACTS裝置，能分別或同時實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相和端電壓調(diào)節(jié)等多種基本功能。UPFC既能在電力系統(tǒng)穩(wěn)定方面實(shí)現(xiàn)潮流調(diào)節(jié)，合理控制有功功率、無功功率，提升線路的輸送能力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行；也能在動態(tài)方面，通過快速無功吞吐，動態(tài)地支撐接入點(diǎn)的電壓，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性［1，2］。串聯(lián)變壓器作為UPFC工程項(xiàng)目中的組成部分，其高壓側(cè)直接串入線路，實(shí)現(xiàn)UPFC與交流電網(wǎng)的互聯(lián)。與常規(guī)并聯(lián)方式的電力變壓器相比，串聯(lián)變壓器高壓側(cè)首末端的主絕緣與線路側(cè)相同，在本項(xiàng)目中高壓側(cè)對地的額定電壓為220 kV。但正常運(yùn)行時，變壓器高壓側(cè)端間的額定電壓僅為15.3 kV，額定容量為70 Mvar。當(dāng)線路發(fā)生接地故障時，故障電流將流經(jīng)變壓器高壓側(cè)繞組，對變壓器的短路應(yīng)力、繞組溫升、鐵心過激磁等方面都將造成很大的影響，在進(jìn)行串聯(lián)變壓器的設(shè)計(jì)時，需著重考慮以下4個方面：

（1）短路電流耐受水平。導(dǎo)線的電流密度及屈服強(qiáng)度需進(jìn)行優(yōu)化選型，加強(qiáng)各組件間墊塊的強(qiáng)度以及絕緣紙筒與鐵心之間的撐緊結(jié)構(gòu)；

（2）絕緣耐受水平。串聯(lián)變壓器高壓側(cè)為全絕緣變壓器，主絕緣與線路側(cè)絕緣水平一致，縱絕緣與跨接避雷器的保護(hù)水平相配合；

（3）過激磁耐受水平。變壓器在鐵心結(jié)構(gòu)以及磁密的設(shè)計(jì)上，需充分考慮變壓器可能承受的最大過激磁倍數(shù)及持續(xù)時間。

（4）出線型式。串聯(lián)變壓器端部出線的型式需結(jié)合變電站實(shí)際情況，采用兩側(cè)出線的方式，經(jīng)鋼芯鋁絞線接入線路。

1　　運(yùn)行工況

南京西環(huán)網(wǎng)UPFC工程的主接線如圖1所示。

圖1 UPFC結(jié)構(gòu)

雙回線路的2臺串聯(lián)變壓器結(jié)構(gòu)一致，利用電力電子設(shè)備（換流器）及控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)串聯(lián)變壓器高壓側(cè)端間電壓的相角及幅值，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制線路潮流及系統(tǒng)電壓的目的。串聯(lián)變壓器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2串聯(lián)變壓器結(jié)構(gòu)

高壓側(cè)繞組采用開口Y型式，每相的首尾端子串聯(lián)接入線路；低壓側(cè)為yn型式，連接換流器，中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地；平衡繞組采用三角形型式，不帶負(fù)載，三相端子均引出，其中一相端子直接接地，其余兩相端子經(jīng)避雷器接地。

為實(shí)現(xiàn)對換流器以及串聯(lián)變壓器的保護(hù)，成套系統(tǒng)配置了閥側(cè)晶閘管旁路開關(guān)（TBS）、TBS閥避雷器、線路側(cè)快速旁路開關(guān)、閥側(cè)快速旁路開關(guān)、串聯(lián)變壓器高壓側(cè)跨接避雷器、線路開關(guān)共6道保護(hù)措施，如圖3所示。

圖3換流器和串聯(lián)變壓器保護(hù)措施

正常運(yùn)行時，線路開關(guān)合、線路側(cè)和閥側(cè)快速旁路開關(guān)分、晶閘管旁路開關(guān)閉鎖、閥側(cè)跨接避雷器未達(dá)到動作電壓，換流閥投入運(yùn)行，串聯(lián)變線路側(cè)閥側(cè)繞組按設(shè)定的額定工況運(yùn)行。

當(dāng)控制保護(hù)系統(tǒng)檢測到系統(tǒng)發(fā)生故障時，立即發(fā)換流器閉鎖、晶閘管旁路開關(guān)解鎖、低壓側(cè)旁路開關(guān)合閘、高壓側(cè)旁路開關(guān)合閘等命令。3 ms內(nèi)低壓側(cè)晶閘管旁路開關(guān)快速動作，將串聯(lián)變壓器低壓側(cè)短路以保護(hù)換流器，低壓側(cè)快速旁路開關(guān)及高壓側(cè)快速旁路開關(guān)在30～40 ms內(nèi)合閘，低壓側(cè)快速旁路開關(guān)代替晶閘管旁路開關(guān)承受短路電流，高壓側(cè)快速旁路開關(guān)將串聯(lián)變壓器從系統(tǒng)中隔離。

當(dāng)上述六道保護(hù)措施發(fā)生N-1故障時，變壓器需要承受較為嚴(yán)苛的2種工況。

（1）TBS動作、高壓側(cè)旁路開關(guān)拒動。在本工況下，變壓器處于短路狀態(tài)，以本項(xiàng)目實(shí)際的短路耐受水平為依據(jù)，對串聯(lián)變的短路耐受水平進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)電網(wǎng)的規(guī)劃，采用2020年網(wǎng)架進(jìn)行短路電流計(jì)算，在無UPFC時，鐵北220 kV母線短路電流為50 kA，當(dāng)UPFC接入系統(tǒng)后，串聯(lián)變壓器的短路阻抗Uk%較大范圍地影響了系統(tǒng)的短路水平，嚴(yán)重情況下，流經(jīng)串聯(lián)變壓器繞組的短路電流可達(dá)26 kA。為確保變壓器的安全運(yùn)行，變壓器高壓繞組耐受短路電流水平設(shè)計(jì)值不低于30 kA有效值，持續(xù)2 s，同時需要考慮該工況下鐵心飽和對變壓器器身的影響。

（2）TBS拒動、高壓側(cè)旁路開關(guān)動作。在本工況下，高、低側(cè)快速旁路開關(guān)動作時間為30～40 ms，在這段時間內(nèi)，串聯(lián)變壓器將處于二次側(cè)開路狀態(tài)，高壓側(cè)繞組端間電壓有很大突變（最大4 p.u.左右）且流過較大的系統(tǒng)短路電流，鐵心處于非常嚴(yán)重的過激磁狀態(tài)，變壓器需按持續(xù)承受50 ms的4倍過激磁進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時流經(jīng)串聯(lián)變壓器線路側(cè)繞組電流為30 kA。

2　　關(guān)鍵參數(shù)

串聯(lián)變壓器一次側(cè)額定電壓取決于UPFC項(xiàng)目的系統(tǒng)需求，經(jīng)仿真計(jì)算，本項(xiàng)目串聯(lián)變壓器注入線路的最大線電壓為26.5 kV，即可滿足對該區(qū)域電網(wǎng)近、遠(yuǎn)期潮流控制的需求，二次側(cè)電壓需要與換流器的直流電壓相匹配，設(shè)計(jì)值為20.8 kV，UPFC所安裝線路的額定電流為1525 A。串聯(lián)變壓器的短路阻抗Uk%在設(shè)計(jì)時需兼顧以下2點(diǎn)：短路阻抗越大，在UPFC提升線路功率時，串聯(lián)變壓器閥側(cè)的電壓降增大，換流閥的額定容量將增加，增大投資；短路阻抗越大，在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，其短路電流限制能力越高，可以降低主設(shè)備的短路耐受水平，有利于設(shè)備的安全。本項(xiàng)目串聯(lián)變壓器的基本電氣參數(shù)設(shè)計(jì)值如表1所示。

表1串聯(lián)變壓器基本參數(shù)

串聯(lián)變壓器與常規(guī)電力變壓器相比，其用途、要求都比較特殊，額定容量和額定電壓等級取決于系統(tǒng)的實(shí)際需求，但均比常規(guī)電力變壓器小很多。由于串聯(lián)變壓器一次（線路）側(cè)繞組串聯(lián)在線路中，因此當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，串聯(lián)變壓器會有較嚴(yán)重的過電壓和過電流問題。在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)時針對上文中描述的典型工況，結(jié)合變壓器實(shí)際的運(yùn)行方式，其技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）變壓器的額定容量和額定電壓等級均比較小，但由于高壓側(cè)繞組串聯(lián)在線路上，因此其主絕緣水平與線路側(cè)相同，為220 kV等級且為全絕緣水平。但是因高壓端間正常運(yùn)行時的電壓較低，與閥側(cè)電壓接近，所以其高壓側(cè)端間雷電全波耐受電壓需特殊設(shè)計(jì)。

（2）變壓器高壓側(cè)繞組出口發(fā)生接地短路故障，且變壓器低壓側(cè)繞組處于開路狀態(tài)時，變壓器高壓側(cè)繞組需承受短時4倍過勵磁。為保證變壓器的過勵磁能力，需特殊設(shè)計(jì)硅鋼片參數(shù)；鐵心結(jié)構(gòu)上采用三相五柱式結(jié)構(gòu)，其上下鐵軛采用板式夾件；鐵軛采用鋼質(zhì)支撐件和墊腳，利用綁帶拉緊夾件，心柱采用專用綁帶綁扎；上下夾件通過拉板和軸頭連接；變壓器鐵心和夾件接地通過小套管引出，同時由支柱瓷瓶引下接地；鐵心與上下節(jié)油箱之間采用多點(diǎn)強(qiáng)力定位，保證串聯(lián)變壓器滿足4倍過勵磁工況下持續(xù)運(yùn)行50 ms的要求。

（3）線路側(cè)發(fā)生接地故障時，變壓器高壓繞組會流過較大的短路電流，對繞組抗短路能力要求比較高。為確保變壓器的抗短路能力，需按國標(biāo)GB 1094.5—2008［3］的相關(guān)要求進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和驗(yàn)證，且所有繞組的導(dǎo)線采用自粘換位導(dǎo)線，在換位處加墊硬紙板條，以增加電氣強(qiáng)度，所有墊塊撐條倒圓角，在電場中保證較好的電極形狀，靠鐵心繞組內(nèi)徑側(cè)采用高強(qiáng)度硬紙筒，外徑側(cè)采用鎖撐條，平衡繞組、低壓繞組內(nèi)徑側(cè)增加附撐條。通過上述結(jié)構(gòu)確保變壓器各繞組在要求短路電流條件下具有足夠的動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

（4）壓器高壓側(cè)串入線路中，繞組接線為特殊的開口設(shè)計(jì)方案，采用端部出線結(jié)構(gòu)，分別單獨(dú)引出并連接至套管 （共6根220 kV級套管）；同時低壓繞組以66 kV絕緣水平進(jìn)行設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于換流閥的額定電壓，并在變壓器內(nèi)部連接為星接，中性點(diǎn)單獨(dú)引出，分別連接至各自套管；另外，單獨(dú)設(shè)置平衡繞組，且平衡繞組的3個端子均引出。

（5）根據(jù)變壓器的上述特殊運(yùn)行工況和使用特點(diǎn)，高壓引線采用端部水平出線結(jié)構(gòu)，低壓引線采用端部出線結(jié)構(gòu)；所有線圈出線以及引線之間的連接均采用先進(jìn)的冷壓或高頻焊接工藝；對高壓引線所經(jīng)過區(qū)域附近的電極進(jìn)行圓化處理，以改善電極形狀；所有引線每間隔350～400 mm設(shè)有導(dǎo)線夾夾緊固定。考慮變壓器引出線方式滿足現(xiàn)場接線的布置要求，變壓器內(nèi)部繞組排列順序?yàn)椋鸿F心—平衡繞組—低壓繞組—高壓繞組。

3　　仿真計(jì)算

3.1過勵磁能力仿真

變壓器鐵心過勵磁時，鐵心中磁通密度增加達(dá)到飽和，因飽和產(chǎn)生的漏磁通將使夾件、油箱等金屬結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗增加，空載損耗增加，造成鐵心溫度升高，同時還會增大漏磁通，在靠近鐵心的繞組導(dǎo)線、油箱箱壁和其他金屬結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生渦流損耗，使變壓器過熱，絕緣老化，影響變壓器壽命，嚴(yán)重時造成局部變形及絕緣油損傷。變壓器過勵磁還會造成設(shè)備噪聲增加，空載電流中高次諧波含量增大等問題。通過計(jì)算，串聯(lián)變壓器在額定電壓下勵磁電流峰值大小為3.3 A（折算到高壓側(cè)），變壓器在4倍過勵磁電壓下勵磁電流峰值為9600 A，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高壓繞組耐受短路電流值，其引起的機(jī)械力不會導(dǎo)致繞組損壞。為研究串聯(lián)變壓器4倍過勵磁電壓下對鐵心溫升產(chǎn)生的影響，首先對變壓器長期運(yùn)行時鐵心內(nèi)部熱點(diǎn)溫升的計(jì)算過程進(jìn)行分析。

鐵心內(nèi)部最熱點(diǎn)與鐵心表面溫差計(jì)算（單位為K）：

鐵心表面對油面的溫升計(jì)算：

鐵心表面溫升計(jì)算：

鐵心熱點(diǎn)溫升計(jì)算：

式（1—4）中：PFe為硅鋼片單位質(zhì)量（kg）的損耗瓦數(shù)；Kgy為校正系數(shù)；b為疊壓厚度；B為最大片寬；GA為安全系數(shù)。

變壓器長期過勵磁運(yùn)行，會使鐵心內(nèi)部飽和而增大鐵心損耗和附加損耗，鐵心內(nèi)部熱點(diǎn)溫升會增加。鐵心內(nèi)部過熱是需要一定時間積累并通過熱量交換傳遞才完成的，由于50 ms時間太短，短時產(chǎn)生的熱量不會將整個鐵心的熱點(diǎn)溫升提高。因此在4倍過勵磁下持續(xù)運(yùn)行50 ms，鐵心熱點(diǎn)溫升幾乎不變。

通過程序仿真計(jì)算，變壓器在4倍過勵磁下，可以持續(xù)空載運(yùn)行60 ms，完全滿足設(shè)計(jì)要求。串聯(lián)變壓器的空載過勵磁曲線如圖4所示。

圖4串聯(lián)變壓器空載勵磁曲線

3.2繞組機(jī)械力仿真計(jì)算

串聯(lián)變壓器的另一惡劣工況是變壓器近端的線路發(fā)生接地短路時，將有很大的短路電流流經(jīng)變壓器繞組，對變壓器各繞組內(nèi)部、繞組間、繞組與結(jié)構(gòu)件之間等承受的力或應(yīng)力等提出了很高的要求，參照GB 1094.5—2008標(biāo)準(zhǔn)，高壓繞組按照30 kA短路電流進(jìn)行核算，低壓繞組按照38 kA短路電流進(jìn)行核算，平衡繞組按照高壓單相對地短路感應(yīng)短路電流26.5 kA進(jìn)行核算，串聯(lián)變壓器在此工況下，各繞組機(jī)械力仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2串聯(lián)變壓器高壓短路時各繞組力和應(yīng)力的對比

4　　結(jié)束語

作為以南京西環(huán)網(wǎng)統(tǒng)一潮流控制項(xiàng)目為依托的全新電力設(shè)備，國產(chǎn)化的串聯(lián)變壓器在設(shè)計(jì)上需要充分結(jié)合系統(tǒng)各種惡劣的運(yùn)行工況，為確保產(chǎn)品的質(zhì)量，在產(chǎn)品正式投運(yùn)前，從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)以及運(yùn)行階段需要著重注意以下方面：（1）在設(shè)計(jì)階段，利用各種仿真計(jì)算軟件，對變壓器繞組及結(jié)構(gòu)件的短路應(yīng)力、過激磁水平、磁場分布、各繞組間沖擊電壓傳遞水平、器身電場分布以及設(shè)備的抗震水平等方面進(jìn)行充分驗(yàn)證，確保產(chǎn)品具有充分的裕度；（2）作為特殊的電力變壓器，在型式試驗(yàn)方案制定上需結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行情況。當(dāng)對變壓器高壓側(cè)端間進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)時，低壓側(cè)和平衡繞組經(jīng)避雷器接地，以驗(yàn)證變壓器高-低和高

-平間的過電壓傳遞水平；（3）變壓器的特殊試驗(yàn)中含短路試驗(yàn)，因串聯(lián)變壓器短路試驗(yàn)對電源容量（不低于60 MV·A）有較高要求，目前國內(nèi)試驗(yàn)站均無法滿足，可以通過現(xiàn)場人工短路的方式對變壓器的繞組短路耐受水平進(jìn)行考核。

［1］何大愚.柔性交流輸電技術(shù)和用戶電力技術(shù)的新進(jìn)展［J］.電力系統(tǒng)自動化，1999，23（6）：8-13.

［2］趙 賀.電力電子學(xué)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用——靈活交流輸電系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2001：181-186.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 1094.5—2008，電力變壓器第5部分承受短路的能力［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

The Design of Series Transformer Applied in the Unified Power-Flow Controller

LI Xiaoming，CAO Dongming，TIAN Jie，DONG Yunlong
（Nanjing Nari-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

As the key equipment in the UPFC，the series transformer plays an important role in the power transmission between the convertor and the AC system.The voltage of the transformer should match the AC system voltage with the DC voltage of the convertor on one hand；on the other hand the transformer can provide the electrical insolation between AC and convertor.The electrical structure of the series transformer is different with the normal one.The primary wings of the series transformer are connected in the lines in split-phase with 6 terminals and the secondary ones are connected to the convertor with the connection of star or delta.The wings of the series transformer should be capable to withstand the short-circuit current of the power system；and the equipment should also be able to withstand four times of over-excitation capacity within certain time，which require a lot to the electric and structure of the transformer.The operation conditions of the series transformer of Nanjing UPFC project have been analyzed.Based on the analysis the key parameters for the series transformer are recommended，and the tolerance conditions of the series transformer have been simulated in the end.

FACTS；UPFC；Series Transformer；TBS

TM402

B

1009-0665（2016）01-0041-04

2015-10-21；

2015-11-30

李曉明（1982），男，四川遂寧人，工程師，從事FACTS設(shè)備的研究及開發(fā)工作；

曹冬明（1972），男，江蘇泰興人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)自動化工作；

田杰（1969），男，四川秀山人，教授級高級工程師，從事超高壓直流輸電的研究及開發(fā)工作；

董云龍（1977），男，安徽安慶人，高級工程師，從事超高壓直流輸電的研究及開發(fā)工作。