多繞組變壓器串聯(lián)運(yùn)行的特殊方式分析

孫歌　陳志亮　張捷　沈海亮　許鳴吉

摘 要：為提高城網(wǎng)改造過(guò)程中供電的可靠性，盡最大可能發(fā)揮供電設(shè)備容量，滿足雙電源供電的要求，在特殊情況下需采用變壓器串聯(lián)運(yùn)行的非正常運(yùn)行方式?，F(xiàn)利用變壓器的等值電路模型計(jì)算變壓器串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的電壓降落及損耗，提出保證電壓合格率及合解環(huán)潮流安全的技術(shù)手段，論證多繞組變壓器串聯(lián)運(yùn)行方式的可行性，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，為提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性提供了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：多繞組變壓器；串聯(lián)運(yùn)行；供電可靠性；等值電路；電壓降落

中圖分類號(hào)：TM712? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）09-0001-04

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.001

0? ? 引言

在城網(wǎng)運(yùn)行中，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下以高電壓等級(jí)逐級(jí)向低電壓等級(jí)供電，通過(guò)變壓器的逐步降壓滿足配電網(wǎng)用戶的用電需求[1]。在用電負(fù)荷不斷增加的同時(shí)，國(guó)網(wǎng)公司及其各供電公司也在不斷進(jìn)行城網(wǎng)增容及改造工程，這個(gè)過(guò)程中，由于供電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)進(jìn)度原因，為在工程改造期間保證用戶供電可靠性，滿足雙電源運(yùn)行要求[2]，盡最大可能發(fā)揮供電設(shè)備作用，可將多繞組變壓器以串聯(lián)方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)特殊供電路徑的供電方案。

在通常的輻射狀電網(wǎng)中，變壓器作為將不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)聯(lián)系起來(lái)的單一元件，一般可分為兩種：升壓變壓器和降壓變壓器。同類型的變壓器存在并聯(lián)運(yùn)行的可能性，也就是常稱的合環(huán)運(yùn)行[3]。本文討論的變壓器串聯(lián)運(yùn)行與正常不同，涉及的是多繞組變壓器或三繞組變壓器。將兩臺(tái)三繞組變壓器的中壓側(cè)連在一起，一臺(tái)電源在其高壓側(cè)，另一臺(tái)負(fù)荷在其低壓側(cè)，稱多繞組變壓器串聯(lián)運(yùn)行[4]。

在電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行中，這種供電方式很少有實(shí)際的案例分析，但出于電網(wǎng)事故或電網(wǎng)運(yùn)行方式的需要，也確實(shí)會(huì)有這樣的運(yùn)行接線。

為了確保在這種特殊的變壓器串聯(lián)接線情況下供電質(zhì)量和操作風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi)，可以利用變壓器的等值電路和參數(shù)計(jì)算方法求出理論值。本文將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析，以解決母線電壓低和環(huán)網(wǎng)并解潮流計(jì)算困難的問(wèn)題；并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的比較，驗(yàn)證多繞組變壓器串聯(lián)運(yùn)行特殊方式的可行性，為提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性提供經(jīng)驗(yàn)。

1? ? 系統(tǒng)正常和特殊運(yùn)行方式介紹

目前，上海電網(wǎng)的網(wǎng)架特點(diǎn)是500 kV環(huán)網(wǎng)運(yùn)行、220 kV分區(qū)運(yùn)行[5]。電磁環(huán)網(wǎng)是電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的產(chǎn)物，220 kV電網(wǎng)初期為滿足輸配電要求形成了500 kV、220 kV電磁環(huán)網(wǎng)[6]。而隨著500 kV網(wǎng)架的加強(qiáng)，許多220 kV電磁環(huán)網(wǎng)為了限制短路要求開(kāi)環(huán)運(yùn)行，這也伴隨著110 kV及以下配電網(wǎng)的合環(huán)問(wèn)題。電磁環(huán)網(wǎng)是指不同電壓等級(jí)運(yùn)行的線路通過(guò)變壓器電磁回路的連接而構(gòu)成的環(huán)路[7]。電磁環(huán)網(wǎng)存在的主要原因是：一般情況下，往往在高一級(jí)電壓線路投入運(yùn)行初期，由于高一級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)尚未形成或網(wǎng)絡(luò)尚不堅(jiān)強(qiáng)，為保證輸電能力或保重要負(fù)荷而不得不電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行[8]。合環(huán)是指在電力系統(tǒng)電氣操作中將線路、變壓器或斷路器串構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)閉合運(yùn)行的操作，目的是轉(zhuǎn)供負(fù)荷。合環(huán)需要一定的必備條件：合環(huán)點(diǎn)相位應(yīng)一致；如首次合環(huán)或檢修后可能引起相位變化的，必須經(jīng)測(cè)定證明合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)相位一致；如屬于電磁環(huán)網(wǎng)，則環(huán)網(wǎng)內(nèi)的變壓器組別之差為零；特殊情況下，經(jīng)計(jì)算校驗(yàn)繼電保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作及有關(guān)環(huán)路設(shè)備不過(guò)載，允許變壓器差30°時(shí)進(jìn)行合環(huán)操作；合環(huán)后不會(huì)引起環(huán)網(wǎng)內(nèi)各元件過(guò)載；各母線電壓不應(yīng)超過(guò)規(guī)定值；繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置應(yīng)適應(yīng)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式；電網(wǎng)穩(wěn)定符合規(guī)定的要求[9]。

如圖1所示，220 kV某站有三臺(tái)220 kV/110 kV/35 kV三繞組變壓器，分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)變壓器，容量為240 MVA，其上級(jí)電源分別來(lái)自A站、B站、C站。由于1號(hào)主變?yōu)樾略龅谌芈?，?5 kV未投運(yùn)，其僅運(yùn)行220 kV/110 kV；2號(hào)主變、3號(hào)主變?yōu)槿\(yùn)行，即某站的正常運(yùn)行方式。由于城網(wǎng)改造的要求，現(xiàn)需要將220 kV B站至220 kV某站的2號(hào)主變電源線停役，在典型的停役運(yùn)行方式下，220 kV某站2號(hào)主變35 kV將負(fù)荷通過(guò)35 kV分段開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移至某站3號(hào)主變35 kV供電，但這將導(dǎo)致220 kV某站35 kV所供用戶達(dá)到多個(gè)單電源運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。假設(shè)220 kV某站3號(hào)主變及其上級(jí)電源故障，較多用戶及35 kV變電站將全站停電。為此，將安排220 kV某站1號(hào)主變110 kV通過(guò)110 kV一/二分段供應(yīng)2號(hào)主變110 kV，再降壓至35 kV二段母線，仍保持220 kV某站35 kV負(fù)荷雙電源供電要求。

2? ? 某站變壓器的等值電路和參數(shù)計(jì)算

變壓器參數(shù)一般應(yīng)歸算到低壓側(cè)，因低壓側(cè)只有一個(gè)分接頭，歸算到低壓側(cè)的變壓器參數(shù)不隨變壓器變比的改變而變化。對(duì)于三繞組變壓器的主變，高中低壓各側(cè)繞組的短路損耗（ΔPS1、ΔPS2、ΔPS3）的計(jì)算如公式（1）所示：

式中：ΔPS （1-2）、ΔPS （1-3）、ΔPS （2-3）分別為高中低壓側(cè)繞組中某一相繞組開(kāi)路時(shí)，其余兩側(cè)繞組的短路功率損耗之和。

進(jìn)而可計(jì)算各側(cè)繞組的等值電阻Ri，方法如公式（2）所示：

式中：VN和SN分別為變壓器額定限電壓和三相額定容量。

再基于電壓基準(zhǔn)值UN，求得等值電阻Ri的標(biāo)幺值Ri*，如公式（3）所示：

在此基礎(chǔ)上可計(jì)算主變各側(cè)繞組的電抗標(biāo)幺值。三繞組變壓器電抗的壓降可認(rèn)為近似等于短路電壓，故各繞組電抗標(biāo)幺值的計(jì)算方法如公式（4）所示：

式中：UK1*、UK2*、UK3*分別為各繞組的短路電壓；UK （1-2）%、UK （1-3）%、UK （2-3）%分別為各繞組的短路電壓百分?jǐn)?shù)。

某站3臺(tái)主變的參數(shù)可以表1中新江灣站的數(shù)據(jù)為例。

基于以上公式，代入新江灣站主變的參數(shù)，可以求得三臺(tái)主變高、中、低壓側(cè)的電阻和電抗標(biāo)幺值，如公式（5）所示：

3? ? 某站串聯(lián)變壓器電壓降落計(jì)算及其損耗

3.1? ? 電壓降落

當(dāng)220 kV B站至220 kV某站2號(hào)主變電源線停役時(shí)，根據(jù)前文所述運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整，主變T2的220 kV繞組與上級(jí)站的連接斷開(kāi)，主變T1的110 kV繞組連接至T2的110 kV繞組，作為T(mén)2的供電電源，由此可以得到某站1號(hào)主變與2號(hào)主變串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的等效電路，如圖2所示。

根據(jù)變壓器串聯(lián)的等效電路圖，計(jì)算等效電路中的等效電阻RZ *和電抗XZ *，計(jì)算方法如公式（6）所示：

進(jìn)而采用歸算至220 kV側(cè)的功率（P1*、Q1*）和電壓量U1*的標(biāo)幺值可計(jì)算主變1和主變2串聯(lián)后的電壓降落，結(jié)果如公式（7）和（8）所示：

從計(jì)算結(jié)果可知，該運(yùn)行方式下某站2號(hào)主變35 kV母線電壓比正常方式下降了0.3 kV，主變每分接頭上調(diào)1擋后35 kV母線電壓將升高0.4 kV，故應(yīng)將某站3號(hào)主變分接頭上調(diào)1擋（從2擋改為3擋），電壓變化如圖3所示。

3.2? ? 功率損耗

同理，串聯(lián)后變壓器的損耗計(jì)算可由公式（9）計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果表明，該運(yùn)行方式負(fù)荷損耗在運(yùn)行允許范圍內(nèi)。

4? ? 母線電壓低的解決方案

母線電壓是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。根據(jù)電壓降落計(jì)算可見(jiàn)，35 kV母線電壓過(guò)低，可以通過(guò)兩種方法來(lái)解決，以提高母線電壓水平。一種方法是在35 kV母線投入電容器運(yùn)行或退出電抗器運(yùn)行。由于母線電壓低是系統(tǒng)方式改變引起的，故通過(guò)電容器和電抗器調(diào)節(jié)方式只能在有限范圍內(nèi)緩解，同時(shí)也失去了再次調(diào)整的靈活手段。另一種方法是通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器高壓側(cè)主變分接頭檔位來(lái)實(shí)現(xiàn)。把主變分接頭檔位上調(diào)完全可以實(shí)現(xiàn)35 kV和110 kV母線電壓提高的目的，同時(shí)也保留了電容器和電抗器調(diào)節(jié)的靈活手段。在目前城網(wǎng)中大容量的220 kV變壓器可以逐步配置有載調(diào)壓的變壓器，其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)110 kV和35 kV的母線電壓可進(jìn)行不停電調(diào)整，并提高電壓質(zhì)量。

5? ? 環(huán)網(wǎng)并解潮流計(jì)算方法

以上海220 kV新江灣站兩臺(tái)主變串聯(lián)特殊運(yùn)行方式為例，環(huán)網(wǎng)并解潮流計(jì)算是其關(guān)鍵問(wèn)題。若兩臺(tái)變壓器的上級(jí)電源不在同一系統(tǒng)，合環(huán)時(shí)會(huì)有系統(tǒng)環(huán)流從變壓器中流過(guò)，這時(shí)系統(tǒng)的負(fù)荷角差越大，環(huán)流越大，輕者造成變壓器跳閘，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將變壓器燒損。因此，對(duì)于規(guī)程規(guī)定不允許合環(huán)的系統(tǒng)，操作時(shí)要嚴(yán)格按規(guī)程執(zhí)行。而且可能的合環(huán)點(diǎn)應(yīng)加裝防誤閉鎖。在調(diào)度操作過(guò)程中，為了估算兩個(gè)系統(tǒng)的合解環(huán)情況，通過(guò)下述計(jì)算方法可理論上得出環(huán)流的理論數(shù)值和范圍。

5.1? ? 主變的繼電保護(hù)定值調(diào)整方法

需要將2號(hào)主變的電流保護(hù)時(shí)限進(jìn)行調(diào)整（從3.2 s改為2.9 s），以滿足非正常運(yùn)行方式下保護(hù)的差級(jí)動(dòng)作（與2號(hào)主變110 kV過(guò)流保護(hù)3.2 s時(shí)限配合），在35 kV母線故障下保證能正確動(dòng)作，以防止3號(hào)主變110 kV越級(jí)跳閘造成負(fù)荷失電。

5.2? ? 環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的環(huán)流大小

環(huán)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)環(huán)流大小的計(jì)算方法如公式（10）所示：

該方式下環(huán)流較大，但大小在保護(hù)范圍內(nèi)，合環(huán)操作是安全的?；谛陆瓰痴局髯兊膮?shù)，可以得到環(huán)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的潮流變化如公式（11）所示：

6? ? 結(jié)語(yǔ)

為了在工程改造期間保證用戶供電可靠性，滿足雙電源運(yùn)行要求，盡最大可能發(fā)揮供電設(shè)備作用，可將多繞組變壓器以串聯(lián)方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)特殊供電路徑的供電方案。本文利用變壓器的等值電路模型計(jì)算了變壓器串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的電壓降落及損耗，提出了保證電壓合格率及合解環(huán)潮流安全的技術(shù)手段，論證了多繞組變壓器串聯(lián)運(yùn)行方式的可行性。本文的計(jì)算結(jié)果表明，在電力系統(tǒng)中多繞組變壓器在特殊運(yùn)行方式下完全可以正常供電，并且其運(yùn)行損耗也滿足功率因數(shù)要求，對(duì)提升電力系統(tǒng)城網(wǎng)改造期間的可靠性有很大幫助，有效避免了單電源運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

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收稿日期：2023-03-02

作者簡(jiǎn)介：孫歌（1975—），男，上海人，高級(jí)工程師，研究方向：電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行。