更換超高壓分相變壓器設(shè)計方案探析

楊汝泉

(廣東順德電力設(shè)計院有限公司，廣東 佛山 528300)

0 引言

隨著資源和環(huán)境問題，能源安全和綠色低碳成為電力系統(tǒng)的歷史重任，電網(wǎng)安全穩(wěn)定關(guān)系著國計民生和社會發(fā)展，尤其330～750 kV超高壓輸變電是支撐電力系統(tǒng)的骨干網(wǎng)架，超高壓分相變壓器是關(guān)鍵設(shè)備，從七十年代西北地區(qū)建成330 kV超高壓電網(wǎng)，八十年代華中地區(qū)建成500 kV超高壓電網(wǎng)起，絕大多數(shù)超高壓分相變壓器服役在十幾年以上，隨著壽命逐漸老化，發(fā)生缺陷故障現(xiàn)象時有發(fā)生，更換不同廠家、不同結(jié)構(gòu)、不同參數(shù)的超高壓單相變壓器進(jìn)行三相組合，存在哪些需要注意的技術(shù)事項，成為工程設(shè)計需要研究落實的問題，本文結(jié)合某500 kV變電站更換#2主變B相變壓器案例，對該案例設(shè)計過程和投運后出現(xiàn)的情況進(jìn)行技術(shù)分析，為今后超高壓分相變壓器更換工程提供參考。

1 案例概況

某500 kV變電站有4臺有載主變，每臺主變?nèi)萘繛?50 MVA，采用單相有載調(diào)壓裝置，中壓側(cè)242±8×1.25%調(diào)節(jié)，2010年，#1主變3臺單相變壓器返廠大修中，#2主變B相變壓器油中總烴含量超標(biāo)，為保障社會供電，#2主變在密切監(jiān)測中堅持運行，供電局原計劃將#2主變3臺單相變壓器一起拆除更換，后因#2主變B相變壓器內(nèi)部缺陷情況擴大，于是決定將已返廠大修好的#1主變A相變壓器替換#2主變B相變壓器，確保電網(wǎng)安全可靠運行。

新?lián)Q#2主變B相變壓器為法國某公司生產(chǎn)的單相自耦心式降壓電力變壓器，變壓器高壓/中壓/低壓側(cè)的額定容量為250/250/53.5 MVA；高壓/中壓/低壓側(cè)的額定電壓為±8×1.25%∶34.5 kV；三相繞組接線方式為YN,ao,d11；阻抗電壓(75℃，單相)見表1所列。

表1 原#2主變B相與新?lián)Q#2主變B相變壓器阻抗電壓對比

原有#2主變A、C相變壓器為日本某公司生產(chǎn)的單相自耦殼式降壓電力變壓器，變壓器高壓/中壓/低壓側(cè)的額定容量為250/250/53.5 MVA；高壓/中壓/低壓側(cè)的額定電壓為；三相繞組接線方式為YN,ao,d11；阻抗電壓(75℃，單相)見表2所列。

表2 原有#2主變A、C相變壓器阻抗電壓

該變電站35 kV并聯(lián)電容器組：#1主變配置3組40 Mvar并聯(lián)電容器組，#2、#3主變均分別配置2組60 Mvar并聯(lián)電容器組，#4主變配置3組60 Mvar并聯(lián)電容器組；

該變電站35 kV并聯(lián)電抗器組：#1、#2、#3主變每臺配置3組45 Mvar并聯(lián)電抗器，#4主變不配置并聯(lián)電抗器。

2 設(shè)計原理與仿真計算分析

2.1 主變并列運行仿真計算分析

該500 kV變電站4臺主變運行為“3+1”模式，即3臺主變并列運行，1臺主變單獨運行。根據(jù)變壓器運行規(guī)程[1]和變壓器制造廠家關(guān)于變壓器并聯(lián)運行條件規(guī)定，變壓器需要：1)具有相同的聯(lián)結(jié)組別，2)電壓比相同或在允許的偏差內(nèi)且具有相近的分接范圍，3)短路阻抗相同或在允許偏差內(nèi)[2]，由于#2主變B相替換后，3臺主變?nèi)嘧杩闺妷喊俜直炔灰恢?，詳見?所列，變壓器之間按其阻抗電壓值的反比例進(jìn)行荷載分配，并列運行的變壓器線圈之間將存在循環(huán)不平衡電流，所以，規(guī)程規(guī)定阻抗電壓偏差不超過10%，并滿足制造廠家的要求。

表3 #1、#2、#3主變壓器阻抗電壓

通過對上述3臺主變中壓側(cè)有載調(diào)壓分接頭在各級擋位進(jìn)行仿真計算，計算結(jié)果表明3臺主變并列運行滿足規(guī)程規(guī)定阻抗電壓偏差不超過10%的要求，且滿足制造廠家要求，可以并列運行。本文摘錄3臺主變中壓側(cè)有載調(diào)壓分接頭在9檔、12檔的阻抗電壓偏差值的計算結(jié)果，詳見表4、表5所列。

表4 #1、#2、#3主變中壓側(cè)分接頭均在9檔時的阻抗電壓近似計算值

表5 #1、#2、#3主變中壓側(cè)分接頭均在12檔時的阻抗電壓近似計算值

2.2 #2主變A、B、C相間不平衡仿真計算分析

原有#2主變A、C相是日本某公司殼式變壓器，新?lián)Q#2主變B相是法國某公司心式變壓器，由于是不同廠家、不同結(jié)構(gòu)、不同參數(shù)，#2主變A、B、C三臺單相變壓器組合運行，是否存在#2主變相間不平衡環(huán)流和電壓不平衡問題，按500 kV變電站母線短路容量確定三相對稱系統(tǒng)電源容量和正序零序電抗，按負(fù)荷接于變壓器中壓側(cè)進(jìn)行仿真計算，廣東某大學(xué)通過電磁暫態(tài)軟件PSCAD/EMTDC建立仿真模型，計算結(jié)果取電壓電流瞬時值的幅值。

2.2.1 #2主變空載運行仿真

考慮到該500 kV站運行時，高壓側(cè)實際運行電壓為510～540 kV，中壓側(cè)實際電壓為220～242 kV，故按變壓器高壓/中壓/低壓側(cè)的額定電壓分別為：510/235/33.5 kV；525/242/34.5 kV；540/239.6（分接頭擋位12）/35.5 kV 3種情況進(jìn)行空載仿真，詳見表6、表7所列。

表6 按新?lián)Q#2主變空載穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

表7 按原有#2主變空載穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

2.2.2 #2主變不同擋位不同負(fù)載運行仿真

按正常荷載率70%、輕載率按35%，重載率按85%，負(fù)荷功率因數(shù)0.95，中壓側(cè)有載調(diào)壓分接頭在各級擋位進(jìn)行仿真，本文摘錄中壓側(cè)有載調(diào)壓分接頭在10檔的計算結(jié)果，詳見表8、表9所列。

表8 按新?lián)Q#2主變不同荷載率穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

表9 按原有#2主變不同荷載率穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

2.2.3 #2主變相間不平衡環(huán)流和電壓不平衡量分析

按變高側(cè)電壓525 kV，功率因數(shù)0.95，負(fù)載率70%進(jìn)行仿真，由PSCAD仿真計算得到相關(guān)電氣量幅值，用傅里葉變換得到基波及各次諧波的相量幅值和相角，詳見表10所列，用對稱分量法得到基波及各次諧波的正序、負(fù)序、零序向量，詳見表11所列。

表10 #2主變B相更換前后主變?nèi)齻?cè)電壓電流幅值

表11 #2主變B相更換前后主變?nèi)齻?cè)正序、負(fù)序、零序分量

通過對比多種工況計算#2主變B相更換前后各側(cè)繞組的電壓、電流、3U0、3Io電氣量，在#2主變B相更換后#2主變中壓側(cè)3U0和低壓側(cè)3I0均有所增長，但和正序分量的比值在10%以內(nèi)，負(fù)序分量和零序分量與正序分量的比值均不超過1%，#2主變35 kV繞組零序電流幅值增加0.265 kA，由于35 kV側(cè)空載，故該電流就是#2主變35 kV繞組中的環(huán)流，相對于B相更換前，#2主變相間不平衡環(huán)流和電壓不平衡量均無明顯增加，滿足規(guī)程規(guī)定不平衡度偏差不超過2%的要求，滿足制造廠家的要求，可以三相組合運行。

2.3 土建及二次接線

原有#2主變B相外形尺寸11 050 mm×6 400 mm×10 725 mm(長 ×寬×高)，新?lián)Q#2主變B相外形尺寸8 800 mm×8 000 mm×9 650 mm(長×寬×高)，寬方向均為平行于主變構(gòu)架橫梁方向，需要對原#2主變B相基礎(chǔ)進(jìn)行局部改造，對其原基礎(chǔ)頂部凸出的鋼筋混凝土墩鑿除，在其原基礎(chǔ)本體上鉆孔植螺栓，安裝鋼梁轉(zhuǎn)換平臺，以支撐新?lián)QB相變壓器，鋼平臺采用鋼焊接制作并熱鍍鋅處理，變壓器油坑壁、水噴霧系統(tǒng)需要按新?lián)Q變壓器要求拆除重做。

由于原有#2主變A、C相變壓器和新?lián)Q#2主變B相變壓器是不同廠家，分相變壓器之間的聯(lián)系接線及分相變壓器本體端子相的內(nèi)部接線差異，需要更換B相變壓器端子箱，端子箱與匯控柜之間的聯(lián)系電纜需重新設(shè)計。

3 投產(chǎn)情況分析

由于#2主變原有A、C相和更換后的B相是不同廠家，存在不同結(jié)構(gòu)和不同參數(shù)的特性差異，投運過程中#2主變先帶80%的負(fù)荷，對#2主變各檔位空載或帶負(fù)荷狀態(tài)時變低35 kV側(cè)母線PT電壓值進(jìn)行測量，測試#2主變各側(cè)電壓電流和不平衡量。

35 kV相對地電壓存在不平衡現(xiàn)象，但線電壓基本平衡，主要原因是#2主變的A、C相和B相為兩個不同廠家產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)和參數(shù)及制造工藝上的差異，分相變壓器的高低壓繞組之間、繞組和鐵芯之間、殼體和繞組之間的電容都會存在差異，致使各相電容分壓不同，35 kV PT一次線圈并聯(lián)于35 kV母線A、B、C相與地之間，測得的各相對地電壓不同，#2主變低壓35 kV側(cè)各相對地電壓及相間電壓，均在35 kV設(shè)備允許的額定工作電壓以內(nèi)，一次設(shè)備可以安全運行，35 kV相對地電壓不平衡，不會對設(shè)備正常運行造成影響，#2主變低壓35 kV系統(tǒng)可按現(xiàn)有運行方式正常運行。

從二次繼電保護(hù)看，#2主變投產(chǎn)測試在12檔位時低壓側(cè)三相電壓不對稱值最大，低壓側(cè)各相二次電壓Ua= 66.1 V，Ub= 49.8 V，Uc= 56.3 V，零序電壓 3U0= 16.54 V，對#2主變南瑞繼保裝置影響如下：

1)主變保護(hù)RCS-978CF裝置，①低壓側(cè)后備零序過電壓3U0保護(hù)只是報警功能，不會造成誤動跳閘，為保證低壓側(cè)后備保護(hù)零序過電壓報警發(fā)信正確，需要提高零序電壓定值，躲過正常運行時產(chǎn)生的最大零序電壓值16.54 V 即可；②低壓側(cè)后備復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)三相電壓中產(chǎn)生的負(fù)序電壓或任一相間低電壓條件滿足時，過流保護(hù)動作可能會誤動，供電局#2變壓器保護(hù)定值為未投低壓側(cè)復(fù)合電壓閉鎖功能，若只投過流保護(hù)，調(diào)整過流定值，低壓側(cè)三相電壓不平衡不會造成過流保護(hù)誤動；

2) 35 kV電抗器保護(hù)RCS-9647裝置，配置差動保護(hù)、過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、零序過電壓報警，35 kV線電壓對稱，對保護(hù)沒有影響，3U0不平衡對報警有影響，但供電局繼電保護(hù)定值單未投零序過電壓報警功能，不發(fā)報警信號；

3) 35 kV電容器保護(hù)RCS-9631A裝置，配置過電壓保護(hù)、低電壓保護(hù)、不平衡電壓保護(hù)和III段過流，過電壓保護(hù)低電壓保護(hù)判據(jù)均為相間電壓，不平衡電壓保護(hù)采用放電線圈低壓(裝置未接)，35 kV線電壓對稱，對過電壓保護(hù)低電壓保護(hù)沒有影響，若電容器保護(hù)裝置不平衡電壓接入母線零序電壓3U0，對電容器保護(hù)裝置過電壓報警發(fā)信有影響，需調(diào)整相關(guān)定值；

4) 35 kV站用變保護(hù)RCS-9621A裝置，配置復(fù)合電壓閉鎖過流和零序過電壓，35 kV Ua、Ub、Uc相對地不平衡，可能造成負(fù)序電壓閉鎖開放，對保護(hù)可能有影響，3U0不平衡對零序過電壓報警發(fā)信有影響，需調(diào)整相關(guān)定值；

5) 35 kV母線保護(hù)RCS-915AB裝置，配置低電壓、零序電壓、負(fù)序電壓對母線保護(hù)有閉鎖功能，35 kVUa、Ub、Uc相對地不平衡，可能造成負(fù)序電壓閉鎖開放，3U0不平衡可能造成零序電壓閉鎖開放，對保護(hù)有影響，需調(diào)整相關(guān)定值。

4 結(jié)論

通過工程設(shè)計及仿真計算結(jié)果和投產(chǎn)測試數(shù)據(jù)分析，不同廠家不同結(jié)構(gòu)不同參數(shù)單相變壓器進(jìn)行三相組合運行在滿足規(guī)定條件下是可行的，與其他不同主變并列運行是可行的，但是由于單相殼式變壓器和心式變壓器在結(jié)構(gòu)制造工藝上的差別，繞組之間、繞組和鐵芯、繞組和殼體之間的電容量存在差異，是造成35 kV系統(tǒng)對地電壓不平衡的主要原因，這是按分相變壓器參數(shù)建模仿真無法核實的結(jié)果，即使同廠家同類型不同時期產(chǎn)品也會因為制造過程中的分散性可能存在差異，所以，更換超高壓分相變壓器組合運行時，35 kV系統(tǒng)存在對地電壓不平衡的電壓差是客觀存在的情況。

更換超高壓分相變壓器工程的投產(chǎn)測試，獲得主變不同擋位工況時35 kV對地電壓不平衡的最大壓差值是保證安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，以此核實調(diào)整相關(guān)繼保自動化裝置定值，核實35 kV系統(tǒng)避雷器運行工況。

建議今后按地區(qū)建立超高壓分相變壓器產(chǎn)品型式數(shù)據(jù)庫，產(chǎn)研學(xué)合作，按不同廠家不同結(jié)構(gòu)不同參數(shù)單相變壓器電容量差異特性進(jìn)行建模仿真研究，提前從理論仿真計算上確定超高壓分相變壓器互換組合時35 kV系統(tǒng)各相電容量差異，差異過大時采取電容補償措施，保證超高壓分相變壓器更換工程安全順利實施。