參數(shù)差異化500 kV單相自耦變壓器成組運(yùn)行適應(yīng)性研究

武玉才，尹子會(huì)，唐勁飛，張志剛

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003；2.國(guó)家電網(wǎng)河北省電力公司檢修分公司，河北石家莊 050000；3.中國(guó)電力國(guó)際發(fā)展有限公司, 北京 100080；4.國(guó)家電網(wǎng)河北省電力公司，河北石家莊 050021)

參數(shù)差異化500 kV單相自耦變壓器成組運(yùn)行適應(yīng)性研究

武玉才1，尹子會(huì)2，唐勁飛3，張志剛4

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003；2.國(guó)家電網(wǎng)河北省電力公司檢修分公司，河北石家莊 050000；3.中國(guó)電力國(guó)際發(fā)展有限公司, 北京 100080；4.國(guó)家電網(wǎng)河北省電力公司，河北石家莊 050021)

三相參數(shù)不一致將導(dǎo)致500 kV單相自耦變壓器運(yùn)行性能變差，甚至帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。為了評(píng)估參數(shù)差異化500 kV單相自耦變壓器成組運(yùn)行的性能和風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合河北南網(wǎng)500 kV變壓器的輪換檢修，搭建了500 kV變壓器組的仿真模型，計(jì)算了變壓器組各序電壓、電流、空載環(huán)流、低壓繞組環(huán)流、中性點(diǎn)電流等參數(shù)，結(jié)合采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)確定了2臺(tái)新制334 MVA單相自耦變壓器的最佳短路阻抗,進(jìn)一步分析了變壓器三相參數(shù)差異對(duì)暫態(tài)過(guò)程的影響，評(píng)估了保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，在500 kV單相自耦變壓器組高-中壓短路阻抗有名值差異不大的情況下，變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能較好，該研究為參數(shù)差異化的500 kV自耦變壓器成組運(yùn)行提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

電機(jī)學(xué)；500 kV單相自耦變壓器；短路阻抗；環(huán)流；保護(hù)

500 kV單相自耦變壓器是超高壓電網(wǎng)中的核心設(shè)備，造價(jià)昂貴且備用相較少。由于各變電站的主變壓器及備用變壓器在不同時(shí)期、從不同廠家采購(gòu)，參數(shù)存在差異，在經(jīng)過(guò)多輪替換后，容易出現(xiàn)成組運(yùn)行的3臺(tái)單相自耦變壓器參數(shù)不一致的情況。變壓器組的三相參數(shù)差異將引起其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行參數(shù)的異常，進(jìn)一步影響變壓器的運(yùn)行性能和保護(hù)，對(duì)這一問(wèn)題的分析具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值[1-2]。

在參數(shù)差異化變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行變量計(jì)算方面，文獻(xiàn)[3]研究了單相替換后因三相繞組短路電壓百分比不一致引起的相間環(huán)流、電壓電流不平衡及諧波電流。文獻(xiàn)[4]考慮了變壓器各相繞組間以及繞組對(duì)地的電容差異，計(jì)算了變壓器低壓繞組的對(duì)地電壓不平衡。文獻(xiàn)[5—6]研究了變壓器電流不平衡度與變壓器高壓-中壓繞組電抗偏差值的相關(guān)性，認(rèn)為高壓-中壓繞組電抗偏差越大變壓器電流不平衡度也越大。文獻(xiàn)[7]則介紹了中性點(diǎn)接地電抗的應(yīng)用情況。文獻(xiàn)[8]研究了在變壓器三相短路阻抗以及電容參數(shù)存在差異時(shí)，電壓水平、負(fù)荷率以及分接頭配合對(duì)各序電壓和電流的影響。文獻(xiàn)[9]研究了變壓器三相參數(shù)不對(duì)稱對(duì)繞組損耗、中性點(diǎn)電流、傳送功率以及操作過(guò)電壓等的影響。在分析參數(shù)不對(duì)稱對(duì)變壓器暫態(tài)參數(shù)的影響方面，文獻(xiàn)[10]分析了變壓器正常運(yùn)行和各種短路故障情況下阻抗元件的測(cè)量阻抗，得到參數(shù)不對(duì)稱對(duì)后備阻抗保護(hù)動(dòng)作的靈敏性和正確性的影響。文獻(xiàn)[11]研究了變壓器三相參數(shù)不對(duì)稱情況下的勵(lì)磁涌流變化特點(diǎn)。文獻(xiàn)[12]分析了中性點(diǎn)串接電抗對(duì)變壓器各種短路故障時(shí)短路電流、中性點(diǎn)電流和中性點(diǎn)電壓的影響，計(jì)算了中性點(diǎn)電抗對(duì)故障電流的限制效果。當(dāng)前中國(guó)關(guān)于參數(shù)差異化的500 kV單相自耦變壓器成組運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)還較為有限，對(duì)不對(duì)稱變壓器組的運(yùn)行性能和安全風(fēng)險(xiǎn)缺乏系統(tǒng)性分析和評(píng)價(jià)。

本文結(jié)合河北省超高壓電網(wǎng)變壓器的輪換檢修實(shí)例，建立了參數(shù)差異化的500 kV變壓器組仿真模型，通過(guò)仿真得到2臺(tái)新制334 MVA單相自耦變壓器的最優(yōu)短路阻抗參數(shù)，并計(jì)算了變壓器組在系統(tǒng)中的等值阻抗。隨后，對(duì)變壓器空載合閘、短路等暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行了仿真，分析了變壓器激磁涌流、短路電流、差動(dòng)電流和零序電流等的變化規(guī)律，系統(tǒng)地評(píng)估了參數(shù)不對(duì)稱對(duì)變壓器保護(hù)的影響。

1 建模及參數(shù)設(shè)置

表1 保北站#2A變壓器參數(shù)

500 kV變壓器組采用YN,a0,d11接線方式，高壓繞組和中壓繞組采用星型連接方式，中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地，低壓繞組則采用三角形連接。如圖1所示。

圖1 YN,a0,d11 接法的三相自耦變壓器組Fig.1 YN,a0,d11 connected three-phase autotransformer

PSCAD/EMTDC仿真過(guò)程中，需要設(shè)置各變壓器高中低三繞組的額定容量、運(yùn)行頻率、額定電壓、飽和曲線、高中低三繞組之間的短路阻抗等。2臺(tái)新制334 MVA單相自耦變壓器的繞組電容參數(shù)無(wú)法在制造前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。為此，對(duì)河北南網(wǎng)現(xiàn)有334 MVA變壓器的繞組電容進(jìn)行加權(quán)平均，作為新制334 MVA單相自耦變壓器的繞組電容值，見(jiàn)表2。

表2 新制334 MVA單相自耦變壓器電容參數(shù)

通常，自耦變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)通過(guò)小電抗接地，電抗值一般選擇5 Ω或10 Ω，本組變壓器接地電抗選擇為10 Ω。

2 穩(wěn)態(tài)分析及參數(shù)選擇

國(guó)家電網(wǎng)采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定500 kV變壓器各側(cè)短路阻抗有：12/44/30,14/47/30,14/50/35,16/54/36,18/58/38,20/60/38和20/62/40等7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，新制334 MVA單相自耦變壓器可選擇的高中壓側(cè)短路阻抗有12,14,16,18,20等5個(gè)等級(jí)，高中壓繞組短路阻抗實(shí)際值見(jiàn)表3。

表3 單相自耦變壓器高-中壓短路阻抗備選參數(shù)

Tab.3 Alternative parameters of high-medium voltage short circuit impedance of the single-phase autotransformer

保北站#2A標(biāo)幺值13.51實(shí)際值/Ω47.78新制334MVA單相自耦變壓器備選阻抗標(biāo)幺值1214161820實(shí)際值/Ω31.7637.0642.3547.6552.94

建立保北站#2 A相(515 kV，250 MVA)與2臺(tái)新制334 MVA單相自耦變壓器(515 kV，334 MVA)成組運(yùn)行模型(保北站#2A ODFPSZ-250000/500型作為A相，其余2臺(tái)變壓器分別作為B相和C相)。分別取2臺(tái)新制334 MVA 單相自耦變壓器高、中壓短路阻抗為12，14，16，18，20，設(shè)定變壓器組分別空載獨(dú)立運(yùn)行和帶70%額定負(fù)荷獨(dú)立運(yùn)行，比較變壓器的一些關(guān)鍵性能指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算，變壓器高-中壓短路阻抗為18時(shí)的仿真結(jié)果最優(yōu)，見(jiàn)表4。

表4 變壓器短路阻抗標(biāo)幺值選擇18/58/38的運(yùn)行數(shù)據(jù)

表4中，負(fù)序電壓、零序電壓、負(fù)序電流、零序電流、并聯(lián)運(yùn)行空載環(huán)流、中壓側(cè)電流對(duì)稱度、低壓三角形內(nèi)部環(huán)流、中性點(diǎn)電流等均較低。低壓側(cè)空載時(shí)變壓器低壓繞組的對(duì)地電壓存在不平衡現(xiàn)象，在低壓側(cè)帶少量的無(wú)功負(fù)荷后，低壓繞組對(duì)地電壓的不平衡度也得到了極大的改善。因此，新制2臺(tái)334 MVA單相自耦變壓器的短路阻抗標(biāo)幺值確定為18/58/38。觀察表3可知，新制單相自耦變壓器高-中壓短路阻抗標(biāo)幺值為18時(shí)，其實(shí)際值與保北站#2A的參數(shù)較為接近，因此，自耦變壓器組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能是由高-中壓短路阻抗的有名值決定的，而非標(biāo)幺值。

進(jìn)行電網(wǎng)的潮流計(jì)算時(shí)，需要500 kV變壓器的短路阻抗參數(shù)，本500 kV變壓器組各相的短路阻抗參數(shù)不同，因此，需要計(jì)算其等值短路阻抗。為了得到等值短路阻抗，需要借鑒變壓器短路試驗(yàn)，通過(guò)短路試驗(yàn)測(cè)得的變壓器短路阻抗可以表示為

(1)

式中：Uk為試驗(yàn)電壓；Ik為短路電流。

短路試驗(yàn)是在三相對(duì)稱條件下完成的，因此電壓Uk和Ik均為正序量。本500 kV變壓器組不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)還有負(fù)序和零序分量，為了計(jì)算等值短路阻抗，在進(jìn)行中壓側(cè)端口短路仿真時(shí)，從高壓繞組端口提取正序電壓和正序電流，根據(jù)式(1)計(jì)算高-中壓繞組等值短路阻抗，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 變壓器高-中壓短路阻抗值

3 暫態(tài)過(guò)程及保護(hù)動(dòng)作分析

變壓器三相參數(shù)不一致導(dǎo)致暫態(tài)運(yùn)行參數(shù)不同于三相對(duì)稱情況，若運(yùn)行參數(shù)相對(duì)于三相對(duì)稱情況的偏差較大，甚至有可能導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)作。因此，對(duì)暫態(tài)過(guò)程的分析十分重要，下面分別針對(duì)不同暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析。除空載合閘過(guò)程外，仿真設(shè)置電源電壓為550 kV，線路阻抗為(13.9+j80.7)Ω，變壓器中壓側(cè)帶175 MVA負(fù)荷，功率因數(shù)為0.95，低壓側(cè)空載。

3.1三相參數(shù)差異對(duì)勵(lì)磁涌流及差動(dòng)保護(hù)的影響

受變壓器鐵芯飽和及非線性特點(diǎn)的影響，空載合閘過(guò)程產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流。在自耦變壓器高壓側(cè)加515 kV電壓，中壓側(cè)和低壓側(cè)空載，閉合高壓側(cè)開關(guān)啟動(dòng)空載合閘過(guò)程。

為了與三相對(duì)稱情況下的激磁涌流對(duì)比，設(shè)置參考合閘工況如下。

1)參考1變壓器組三相均為保北站#2A變壓器；

2)參考2變壓器組三相均為新制334 MVA單相自耦變壓器。在A相初始合閘相位為0°的情況下，A相、B相和C相的勵(lì)磁涌流如圖2所示。

圖2 A相初始合閘相位為0°時(shí)各相的勵(lì)磁涌流Fig.2 Initial inrush current of each phase when the closing phase is 0°

如圖2所示，受新制334MVA單相自耦變壓器與保北站#2A變壓器磁化特性曲線差異的影響，新成組運(yùn)行方式的激磁電流與三相對(duì)稱情況有一定差別，激磁電流曲線位于參考1和參考2的曲線之間。

在初始合閘相位不同情況下，三相勵(lì)磁涌流最大瞬時(shí)值如表6所示。

表6 勵(lì)磁涌流最大瞬時(shí)值

激磁涌流只在合閘側(cè)流通，可能導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，無(wú)法并網(wǎng)。在變壓器的保護(hù)配置中，主要采用勵(lì)磁涌流中的二次諧波制動(dòng)原理來(lái)防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。二次諧波制動(dòng)通過(guò)檢測(cè)差動(dòng)電流中的二次諧波含量來(lái)區(qū)分故障電流和勵(lì)磁涌流，判別方程如式(2)所示：

I2nd>K2sb*I1st，

(2)

式中：I2nd為差動(dòng)電流的二次諧波；I1st為對(duì)應(yīng)相的差流基波；K2sb為二次諧波制動(dòng)系數(shù)整定值，整定為 0.1～0.2。

當(dāng)二次諧波含量大于整定值時(shí)將差動(dòng)繼電器閉鎖，防止勵(lì)磁涌流引起誤動(dòng)。三相中某一相被判別為勵(lì)磁涌流，只閉鎖該相比率差動(dòng)元件。在初始合閘相位不同情況下，不對(duì)稱變壓器組二次諧波的含量如表7所示。

從表7可知，不對(duì)稱變壓器組空載合閘時(shí)的三相勵(lì)磁涌流中的二次諧波含量均大于20%，保護(hù)能夠可靠實(shí)現(xiàn)二次諧波閉鎖。

表7 差動(dòng)電流二次諧波含量

三相自耦變壓器組采用YN,a0,d11接線，變壓器各側(cè)電流按照變比進(jìn)行歸一化，并進(jìn)行相位補(bǔ)償，相加得到各相的差動(dòng)電流：

(3)

式中：Iar,Ibr,Icr分別為A相、B相、C相差動(dòng)電流；Iah,Iam,Ial分別為A相高、中、低三側(cè)線電流；Ibh,Ibm,Ibl分別為B相高、中、低三側(cè)線電流；Ich,Icm,Icl分別為C相高、中、低三側(cè)線電流；Ih0，Im0分別為高、中壓側(cè)零序電流。

不對(duì)稱變壓器組與參考變壓器組(3臺(tái)保北站#2A變壓器)A相差動(dòng)電流的瞬時(shí)值和有效值如圖3所示。

圖3 不對(duì)稱變壓器組與參考變壓器組差動(dòng)電流比較Fig.3 Comparison of the differential current between the unbalanced transformer and the reference transformer

正常運(yùn)行情況下，不對(duì)稱變壓器組的A相，B相和C相的差動(dòng)電流、二次諧波比如表8所示。

由表8可知，變壓器正常運(yùn)行時(shí)三相的差動(dòng)電流很小，遠(yuǎn)小于差動(dòng)保護(hù)起動(dòng)電流450 A，不會(huì)引起差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

表8 三相差動(dòng)電流

注：二次諧波比為差動(dòng)電流中二次諧波與差動(dòng)電流中基波電流百分比比例。

變壓器故障包括單相接地短路、相間短路、相間接地短路、三相接地短路等。變壓器A相接地短路時(shí)，A相差動(dòng)電流的瞬時(shí)值和有效值波形如圖4所示。

圖4 A相接地短路故障后A相差動(dòng)電流Fig.4 A phase differential current after a grounding fault occurs in phase A

不對(duì)稱變壓器組各種短路故障情況下，差動(dòng)電流的二次諧波比如表9所示。

表9 各種短路故障情況下各相差動(dòng)電流

從表9可知，變壓器發(fā)生短路故障后，差動(dòng)電流相對(duì)于正常情況下增加許多，遠(yuǎn)大于差動(dòng)保護(hù)起動(dòng)電流450 A，二次諧波比遠(yuǎn)未達(dá)到整定值，不會(huì)引起二次諧波閉鎖。差動(dòng)保護(hù)可以正確動(dòng)作切除變壓器。

3.2三相參數(shù)差異對(duì)過(guò)流保護(hù)的影響

不對(duì)稱變壓器組出口相間短路時(shí)，A相電流瞬時(shí)值如圖5所示。

不對(duì)稱變壓器組各種短路故障時(shí)，各側(cè)相電流如表10所示。

圖5 AB相間短路故障時(shí)A相電流波形Fig.5 A phase current waveform of AB interphase short circuit fault

故障類型高壓側(cè)/AA相B相C相中壓側(cè)/AA相B相C相低壓側(cè)/AA相B相C相A相接地4069505.4665.30.571247.61178.1179017901790B相接地643.13466516.51158.20.571284.8119611971196C相接地514.0637.227821253.61164.50.56908.0908.0908.0AB相間35383278598.2628.6628.11257.0261261261AC相間2756559.03168630.71261.0631.1204204204BC相間582.5252325631249.3624.4624.442.642.642.6AB接地39163417593.40.620.611171.5120712071207AC接地4065560.126390.641161.40.55163116311631BC接地576.13409285011740.550.59160616061606ABC接地3898334626960.580.540.53297297297

表10中，短路故障下，不對(duì)稱變壓器組和參考變壓器組的高壓側(cè)和中壓側(cè)電流很接近，不對(duì)稱變壓器組高壓側(cè)過(guò)流保護(hù)能夠可靠動(dòng)作，而中壓側(cè)過(guò)流保護(hù)的測(cè)量裝置裝在出線端外，能夠做到不拒動(dòng)。

3.3三相參數(shù)差異對(duì)零序電流保護(hù)的影響

不對(duì)稱變壓器組的高壓側(cè)和中壓側(cè)零序電流瞬時(shí)值如圖6所示，正常情況下零序電流有效值如表11所示。

圖6 正常情況下各側(cè)零序電流波形Fig.6 Zero sequence current waveform of each side under normal condition

高壓側(cè)3I0/A中壓側(cè)3I0/A14.71.41

表11中，不對(duì)稱變壓器組和參考變壓器組的零序電流差距較大，其中高壓側(cè)增加近44倍，中壓側(cè)增加近14倍。但高壓側(cè)和中壓側(cè)的零序電流遠(yuǎn)小于零序電流保護(hù)動(dòng)作整定值300 A，因此，零序電流保護(hù)不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。

變壓器出口發(fā)生短路故障時(shí)，以B相接地短路故障為例，不對(duì)稱變壓器組與參考變壓器組零序電流瞬時(shí)值如圖7所示，各種短路故障情況下零序電流有效值如表12所示。

由表12可知：

1)自耦變壓器組兩相接地短路或單相接地短路故障時(shí)，不對(duì)稱變壓器組和參考變壓器組的零序電流差別不大，且遠(yuǎn)大于高壓側(cè)和中壓側(cè)零序電流動(dòng)作整定值300 A。因此，零序電流保護(hù)能夠可靠動(dòng)作；

2)自耦變壓器組兩相短路或三相接地短路時(shí)，高壓側(cè)和中壓側(cè)的零序電流較小，遠(yuǎn)小于零序電流保護(hù)300 A的動(dòng)作整定值，零序電流保護(hù)不動(dòng)作。

圖7 A相接地短路故障零序電流波形Fig.7 Zero sequence current waveform with A phase grounding

故障類型零序電流3I0/A高壓側(cè)中壓側(cè)A相接地35041086B相接地30181080C相接地23491059AB相間73.856.4AC相間53.74.5BC相間14.71.41AB接地25201144AC接地32071153BC接地39451182ABC接地810.57

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合河北省500 kV超高壓電網(wǎng)單相自耦變壓器輪換檢修的具體事例，分析了變壓器參數(shù)選擇和不對(duì)稱成組運(yùn)行問(wèn)題，得出以下結(jié)論。

1)決定參數(shù)差異化500 kV單相自耦變壓器成組運(yùn)行穩(wěn)態(tài)性能的是其高-中壓短路阻抗有名值，當(dāng)3臺(tái)變壓器高-中壓短路阻抗的有名值接近時(shí)，變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能較好，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的不對(duì)稱、環(huán)流等問(wèn)題；

2)500 kV單相自耦變壓器組高-中壓短路阻抗有名值差異不大情況下，對(duì)暫態(tài)過(guò)程有一定影響，但不會(huì)引起變壓器保護(hù)的誤動(dòng)作；

3)在500 kV單相自耦變壓器組高-中壓短路阻抗有名值差異不大情況下是可以長(zhǎng)期成組運(yùn)行的，運(yùn)行性能比三相對(duì)稱情況略差。

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Study on the adaptive operation of 500 kV single phase autotransformers with different parameters

WU Yucai1, YIN Zihui2, TANG Jinfei3, ZHANG Zhigang4

(1.School of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China; 2.Maintenance Department, State Grid Hebei Electric Power Company, Shijiazhuang, Hebei 050000, China; 3.China Power International Development Company Limited, Beijing 100080, China; 4.State Grid Hebei Electric Power Company, Shijiazhuang, Hebei 050021, China)

The inconsistency of the three phase parameters will lead to poor performance of the 500 kV single-phase autotransformer, and even bring security risks. In order to evaluate the influence of parameter difference of 500 kV single-phase autotransformer group on its operating performance and risk, a simulation model of 500 kV transformer group is set up based on the alternate maintenance of 500 kV transformer in Hebei Southern Power Grid, the transformer group sequence voltage and current, no-load circulation, low pressure winding circulation and neutral point current are calculated, and combining with the procurement standard, the optimal short-circuit impedance of 2 new 334 MVA transformer is determined. The influence of transformer three-phase parameter difference on the transient process is analyzed, and the risk of maloperation and rejection of protection is evaluated. The resuts show that when the difference of the actual short-circuit impedances of high-medium voltage side in 500 kV single-phase autotransformer group is small, the steady state performance of the transformer is better. The results show that the combination operation of 500 kV single-phase autotransformers with different parameters is feasible and has reached a good level in transient and steady-state performance.

electrical machinery; 500 kV single phase autotransformer; short circuit impedance; circulation; protection

1008-1534(2017)05-0354-08

2017-05-05;

2017-08-21；責(zé)任編輯：李 穆

河北省自然科學(xué)基金(E2016502031)

武玉才(1982—)，男，河北保定人，副教授，博士，主要從事電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷方面的研究。

E-mail:wuyucaincepu@163.com

TM411+.3

：Adoi: 10.7535/hbgykj.2017yx05008

武玉才，尹子會(huì)，唐勁飛，等.參數(shù)差異化500 kV單相自耦變壓器成組運(yùn)行適應(yīng)性研究[J].河北工業(yè)科技,2017,34(5):354-361. WU Yucai, YIN Zihui, TANG Jinfei, et al.Study on the adaptive operation of 500 kV single phase autotransformers with different parameters[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(5):354-361.