基于PSCAD/EMTDC的1000 kV特高壓變壓器仿真

李建生

(國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

基于PSCAD/EMTDC的1000 kV特高壓變壓器仿真

李建生

(國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

特高壓變壓器是電網(wǎng)核心設(shè)備之一，其電磁暫態(tài)仿真模型是繼電保護(hù)研究的基礎(chǔ)。通過分析1000 kV特高壓變壓器運(yùn)行基本原理，充分考慮主體變和調(diào)補(bǔ)變繞組連接特點(diǎn)，建立了基于PSCAD/EMTDC的主體變和調(diào)補(bǔ)變聯(lián)合仿真模型，并對(duì)其正常運(yùn)行、空載合閘和出口短路故障進(jìn)行了仿真分析。

特高壓變壓器；PSCAD/EMTDC；非線性；空載合閘

為解決我國能源、負(fù)荷分布不均及環(huán)境污染問題，國家電網(wǎng)公司從2009年開始大力發(fā)展特高壓電網(wǎng)，目前已建成±800 kV錦蘇、1000 kV淮上南環(huán)工程等，大大緩解了上海、江蘇等地區(qū)能源壓力，同時(shí)增加了清潔能源比重、提高了煤炭資源利用效率[1，2]。作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，保護(hù)控制至關(guān)重要，其研究的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確的仿真模型[3，4]。目前，為研究1000 kV特高壓變壓器保護(hù)控制策略，文獻(xiàn)[5]以單相分體500 kV自耦變壓器模型為基礎(chǔ)，利用整體變壓器基本技術(shù)參數(shù)，通過設(shè)置4個(gè)繞組，模擬變壓器內(nèi)部短路故障；同樣的文獻(xiàn)[6]也建立單相分體500 kV自耦變壓器模型基礎(chǔ)上，根據(jù)變壓器回路平衡方程和勵(lì)磁電感，對(duì)變壓器內(nèi)部故障進(jìn)行識(shí)別。由于500 kV自耦變壓器采用中壓線端調(diào)壓方式，通過改變中壓繞組的匝數(shù)對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)壓過程中對(duì)高壓側(cè)和低壓側(cè)電壓變化影響很?。欢鴮?duì)于1000 kV特高壓變壓器，由于絕緣問題，采用中性點(diǎn)調(diào)壓方式，這就需要引入調(diào)壓變和補(bǔ)償變減少高壓及中壓側(cè)電壓波動(dòng)。由于1000 kV特高壓變壓器與500 kV變壓器結(jié)構(gòu)差異，文獻(xiàn)[4，5]中建立的變壓器模型未考慮主體變、調(diào)壓變和補(bǔ)償變的非線性特征，適用于仿真主體變正常運(yùn)行狀態(tài)、故障后穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，難以準(zhǔn)確仿真暫態(tài)過程。此外，主體變和調(diào)補(bǔ)變各個(gè)繞組電壓、電流情況也無法直接反映。

為準(zhǔn)確模擬1000 kV特高壓變壓器運(yùn)行情況，通過分析主體變和調(diào)壓補(bǔ)償變結(jié)構(gòu)特征、連接方式，基于PSCAD/EMTDC軟件建立主體變和調(diào)補(bǔ)變聯(lián)合仿真模型，并進(jìn)行了正常運(yùn)行、空載合閘和出口處短路狀態(tài)仿真。

1 特高壓變壓器基本原理

（1）特高壓變壓器基本結(jié)構(gòu)。1000 kV特高壓變壓器由主體變和調(diào)壓補(bǔ)償變組成，主體變與調(diào)壓補(bǔ)償變利用架空分裂導(dǎo)線連接，如圖1所示。主體變壓器采用雙柱或三柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)，高壓、中壓、低壓繞組均為并聯(lián)；調(diào)壓補(bǔ)償變壓器內(nèi)設(shè)置調(diào)壓變壓器和補(bǔ)償變壓器，調(diào)壓開關(guān)放置在調(diào)壓補(bǔ)償變壓器油箱內(nèi)。

圖1 特高壓變壓器示意圖

由于特高壓變壓器中壓側(cè)為500 kV，若采用500 kV線端調(diào)壓，絕緣水平相對(duì)較高，調(diào)壓開關(guān)和調(diào)壓繞組絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且目前尚無可用的調(diào)壓開關(guān)。因此現(xiàn)階段特高壓變壓器均采用中性點(diǎn)變磁通調(diào)壓方式，通過設(shè)置單獨(dú)的調(diào)壓變壓器減少主體變壓器電壓波動(dòng)、提高設(shè)備運(yùn)行的安全性。主體變和調(diào)補(bǔ)變之間主要有2種連接方式，如圖2所示。圖2（a）中調(diào)壓變勵(lì)磁繞組與主體變低壓繞組并聯(lián)，圖2（b）中調(diào)壓變勵(lì)磁繞組與整體變低壓繞組并聯(lián)。對(duì)于主體變，其鐵心常采用四柱或五柱結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的SV，CV，LV繞組分別由2個(gè)或3個(gè)繞組并聯(lián)得到，并聯(lián)的繞組匝數(shù)、容量完全相同。

圖2 特高壓變壓器端子連接示意圖

（2）特高壓變壓器電磁耦合矩陣方程。根據(jù)圖2（a），可得到2種不同接線方式下特高壓變壓器的電磁耦合矩陣方程：

式（1，2）中；e1，e2，e3分別為繞組SV，EV，LE中每匝電勢(shì)；NSV，NCV，NTV，NLV，NEV，NLT，NLE分別為對(duì)應(yīng)下標(biāo)繞組的匝數(shù)；UAX，UAmX，Uax分別為特高壓變壓器高、中、低壓側(cè)電壓。

同理，得到圖2（b）接線方式下電磁耦合矩陣方程：

由式（1—4）知，任一繞組運(yùn)行狀態(tài)變化都直接影響特高壓變壓器整體運(yùn)行，而現(xiàn)有仿真模型無法仿真任一繞組的電磁耦合情況，也未考慮主體變、調(diào)壓變和補(bǔ)償變的非線性特征差異。

2 特高壓變壓器PSCAD/EMTDC模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

主體變繞組連接示意圖如圖3所示。

圖3 主體變繞組連接示意圖

圖3中，其高壓、中壓、低壓繞組在同一鐵心，磁通分布相同，考慮鐵心的非線性特征，得主體變的方程：

式（5）中：uAX，uAmX，uax分別為高、中、低壓繞組電壓；iA，iAm，ia分別為高、中、低壓側(cè)電流；im1為勵(lì)磁電流，φ1為磁通，φ1與im1之間為非線性函數(shù)關(guān)系，由鐵磁材料決定，如圖4所示。

圖4 鐵磁材料基本磁化曲線

同理，可獲得調(diào)壓變、補(bǔ)償變電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型。調(diào)壓變、補(bǔ)償變均為非自耦雙繞組變壓器，勵(lì)磁電流分別為im2，im3，鐵心內(nèi)磁通分別為φ2，φ3。

2.2 PSCAD/EMTDC模型

特高壓變壓器采用單相分體結(jié)構(gòu)，其主體變可利用PSCAD/EMTDC模型庫中1-phase 3-winding auto transformer模擬，調(diào)壓變和補(bǔ)償變利用 1-phase 2-winding transformer模擬，基本參數(shù)如表1—3所示。

表1 主體變基本參數(shù)

表2 調(diào)壓變基本參數(shù)

表3 補(bǔ)償變基本參數(shù)

為模擬變壓器非線性特征，需要填寫變壓器的飽和屬性，主要參數(shù)包括空心電感系數(shù)、飽和點(diǎn)位置、勵(lì)磁電流等，如表4所示。

表4 鐵心非線性參數(shù)

分別建立主體變、調(diào)壓變和補(bǔ)償變的PSCAD模型，并按實(shí)際進(jìn)行連接，即建立完成整體變的模型。

3 仿真分析

某1000 kV特高壓站主變技術(shù)參數(shù)如表5所示。

假設(shè)特高壓變壓器500 kV，110 kV側(cè)接有功負(fù)荷，1000 kV側(cè)進(jìn)行供電，通過控制圖5中開關(guān)動(dòng)作仿真特高壓變壓器正常運(yùn)行、空載合閘和出口短路情況，如圖5所示。圖5中，KA，KAm，Ka分別為1000 kV，500 kV和110 kV側(cè)三相開關(guān)，P1+jQ1，P2+jQ2分別為500 kV，110 kV側(cè)負(fù)荷，Kabc，Kg分別為低壓側(cè)故障設(shè)置開關(guān)。

3.1 正常運(yùn)行

閉合開關(guān)KA，KAm和Ka，仿真特高壓變壓器正常運(yùn)行情況。A相電壓、電流仿真波形如圖6所示。由于負(fù)荷均設(shè)置為有功負(fù)荷，且該負(fù)荷下變壓器運(yùn)行在鐵心磁化曲線線性段，電壓、電流相位相同，波形均為正弦波。圖中，UA，UAm，Uag分別為A相變壓器1000 kV側(cè)、500 kV側(cè)、110 kV側(cè)相電壓；IA，IAm，Iag分別為1000 kV側(cè)、500 kV側(cè)、110 kV側(cè)相電流。

表5 1000 kV變壓器主要技術(shù)參數(shù)

圖5 特高壓變壓器運(yùn)行模擬示意圖

圖6 A相電壓及電流仿真波形

3.2 空載合閘

斷開所有開關(guān)，分別設(shè)置特高壓變壓器1000 kV側(cè)開關(guān)KA閉合時(shí)間為0.1 s，0.108 s，仿真變壓器空載合閘情況。

（1）0.10 s開關(guān)閉合。1000 kV側(cè)相電流仿真曲線如圖7所示。A相電流最大，高達(dá)2500 A，大大超過額定電流值，其次為C相，最小的為B相。由于鐵心的非線性特征，三相電流均出現(xiàn)間斷特征。

圖7 三相電流

（2）0.108 s開關(guān)閉合。開關(guān)0.108 s合閘時(shí)1000 kV側(cè)相電流仿真曲線如圖8所示。B相電流最大，高達(dá)2500 A，其次為A相，最小的為C相，三相電流均存在間斷。

圖8 三相電流

變壓器空載合閘產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流與合閘時(shí)間有關(guān)，且勵(lì)磁涌流會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電動(dòng)力，在瓦斯繼電器選型時(shí)應(yīng)該注意。

3.3 出口短路故障

假設(shè)1000 kV變壓器運(yùn)行過程中，低壓側(cè)發(fā)生單相、相間及三相金屬性短路故障，利用模型仿真其電壓、電流變化情況。0.03 s時(shí)變壓器低壓側(cè)不同短路故障形式下的電流仿真波形如圖9所示。

圖9 1000 kV低壓側(cè)短路故障

變壓器外部發(fā)生短路故障，將產(chǎn)生大短路電流，易造成繞組變形，進(jìn)一步損壞絕緣導(dǎo)致故障。因此在特高壓電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，要充分考慮變壓器抗短路能力，并采取一定的措施避免大短路電流產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

在分析1000 kV特高壓變壓器結(jié)構(gòu)及繞組連接特點(diǎn)基礎(chǔ)上，建立了整體變PSCAD/EMTDC模型，能夠?qū)ψ儔浩髡＿\(yùn)行、空載合閘和出口短路故障進(jìn)行模擬。該模型充分考慮了主體變、調(diào)壓變、補(bǔ)償變的差異，不僅能夠準(zhǔn)確模擬整體變的非線性特征，而且能夠?qū)Ψ从掣鱾€(gè)繞組電氣信息，為進(jìn)一步研究變壓器內(nèi)部故障和相應(yīng)的控制保護(hù)策略奠定了基礎(chǔ)。

[1]舒印彪，劉澤洪，袁 駿，等.2005年國家電網(wǎng)公司特高壓輸電論證工作綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（5）：1-12.

[2]劉振亞.中國特高壓交流輸電技術(shù)創(chuàng)新[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（3）：1-8.

[3]鄧茂軍，孫振文，馬和科，等.1000 kV特高壓變壓器保護(hù)方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39（10）：168-173.

[4]袁宇波，李 鵬，黃浩聲.變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)原因分析及對(duì)策綜述[J].江蘇電機(jī)工程，2013，32（6）：8-12.

[5]曾麟鈞，林湘寧，黃景光，等，特高壓自耦變壓器的建模和電磁暫態(tài)仿真[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（1）：91-97.

[6]鄧祥力，王傳啟，張 哲，基于回路平衡方程和勵(lì)磁電感的特高壓變壓器保護(hù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（1）：147-154.

Simulation of 1000 kV Transformers Based on PSCAD/EMTDC

LI Jiansheng
(State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute,Nanjing 211103,China)

The ultra-high voltage transformer is one of the key equipment,and its electromagnetic transient simulation model is the basis for relay protection research.Through analyzing the principle of 1000 kV UHV transformers,and considering the winding connection characteristics,a main part and voltage regulation and compensation part integrated model is established in PSCAD/EMTDC.The simulations and analyses on normal operation,no-load switching and short circuit condition are implemented.

ultra-high voltage transformer;PSCAD/EMTDC;nonlinear;no-load switching

TM77

A

1009-0665（2016）06-0018-04

李建生（1986），男，山東青州人，工程師，從事線圈類電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)估研究工作。

2016-07-18；

2016-08-30