750kV 變壓器三相繞組參數(shù)不對稱對完全對稱系統(tǒng)過電壓的影響

馬振祺　溫定筠　潘　臻　王　津　江　峰

（國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州 730050）

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750kV 變壓器三相繞組參數(shù)不對稱對完全對稱系統(tǒng)過電壓的影響

馬振祺溫定筠潘臻王津江峰

（國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州 730050）

摘要750kV變壓器作為750kV電網(wǎng)中的重要設(shè)備，在電網(wǎng)安全運行中發(fā)揮著重要作用。本文通過分析750kV變壓器三相繞組參數(shù)不對稱產(chǎn)生原因，以西北某750kV輸電系統(tǒng)為模型，應(yīng)用電磁暫態(tài)仿真計算程序（ATP-EMTP），重點研究了在幾種典型操作方式下，三相繞組參數(shù)不對稱對系統(tǒng)操作過電壓的影響。

關(guān)鍵詞：變壓器；繞組參數(shù)；不對稱；過電壓

近年來，隨著特高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展，西北地區(qū)已建成以750kV為主網(wǎng)架的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。特別是甘肅自2005年9月26日，第一條750kV輸電示范工程（官亭—蘭州東）建成投運以來，短短的幾年時間內(nèi)投運750kV變電站8座，750kV電網(wǎng)在風電消納及疆電外送過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。因此對750kV電網(wǎng)中的重要設(shè)備變壓器進行研究，對保障電網(wǎng)安全具有十分重要的意義。

1　750kV變壓器三相繞組參數(shù)不對稱原因分析

1.1繞組參數(shù)不對稱原因

根據(jù)《750kV系統(tǒng)用主變壓器技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW 103—2003），750kV超高壓變壓器容量大、絕緣水平要求高，且要求具有很強的抗短路能力，因此750kV變壓器體積超大、超重，只能采用單相結(jié)構(gòu)[2]。目前普遍使用的750kV單相變壓器由于國產(chǎn)化時間不長，受制造工藝水平的影響，電力變壓器的產(chǎn)品性能、參數(shù)及運行可靠性等方面與國外先進產(chǎn)品還有差距。

750kV變壓器正常運行時，由三臺單相變壓器組成三相交流系統(tǒng)，三相變壓器原邊和副邊的相電壓和電流理論上都應(yīng)該是對稱的[3]。但是，由于變壓器繞組電氣參數(shù)的對稱性與設(shè)計計算、制造材料、制造工藝、部件的精確加工、組裝工藝及運行工況等眾多因素有關(guān)[4]。在制造過程中不可避免的存在固有的生產(chǎn)分散型，而且每臺單相變壓器在運行過程中由于繞組的劣化程度不一樣，長期運行后導(dǎo)致繞組參數(shù)三相不對稱，其主要由以下三方面原因造成：

1）繞組導(dǎo)體電阻率和結(jié)構(gòu)尺寸偏差導(dǎo)致的繞組參數(shù)不對稱[5]。

2）繞組焊接不良、開關(guān)接觸不良以及繞組匝數(shù)存在偏差等變壓器自身缺陷引起的繞組參數(shù)不對稱。

3）變壓器運行過程中由于內(nèi)部運行環(huán)境的差異，經(jīng)受各種不良工況等原因使繞組劣化程度不同，導(dǎo)致繞組的參數(shù)不對稱。

1.2繞組參數(shù)不對稱對系統(tǒng)的影響因素

根據(jù)《750kV系統(tǒng)用主變壓器技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW 103—2003）及變壓器設(shè)計、制造要求，通常變壓器生產(chǎn)時各相繞組的材料和幾何尺寸等參數(shù)的不對稱控制在3%～5%以內(nèi)，而繞組的直流電阻要求相間差不大于三相平均值的2%，因此對750kV繞組參數(shù)不對稱要求極高。

當變壓器三相繞組不對稱運行時，會引起繞組三相涌流的嚴重不對稱、正常運行時三相電流不平衡，每相繞組發(fā)熱不一致，使個別相繞組負荷過大、過熱運行，因此顯著降低了變壓器的可用容量和抗局部過熱能力。連續(xù)性的不對稱運行會在繞組與鐵心中產(chǎn)生連續(xù)性損耗，尤其是通過中性點的電流，會使電壓的穩(wěn)定性受到影響，中性點電壓偏移，產(chǎn)生漏磁以及使鐵心過激磁，嚴重時影響變壓器的安全運行。

1.3不對稱度的定義

根據(jù)變壓器原理及運行特性，對變壓器在規(guī)定的使用環(huán)境和運行條件下的主要技術(shù)參數(shù)：額定容量、額定電壓、額定電流、空載電流、空載損耗、負載損耗、阻抗電壓、溫升、絕緣水平等進行分析。

通過試驗測得的實際參數(shù)與變壓器設(shè)計的理論參數(shù)進行對比分析，確定變壓器空載電流、空載損耗、負載損耗、阻抗電壓四個參數(shù)是反映變壓器繞組參數(shù)不對稱情況的主要指標。

為方便計算分析，定義變壓器繞組參數(shù)不對稱度為

式中，0α為變壓器三相繞組初始試驗參數(shù)UK%、PK、I0和P0平均值；α為變壓器三相繞組運行后的試驗參數(shù)UK%、PK、I0和P0平均值。

2　研究模型

以西北聯(lián)網(wǎng)方式下某750kV輸電系統(tǒng)（圖1）為原型，采用國內(nèi)外廣泛使用的電磁暫態(tài)計算程序（ATP-EMTP），重點對系統(tǒng)中變電站甲、以及相鄰的乙、丙變電站相關(guān)節(jié)點進行研究。

750kV變電站甲為樞紐變電站，750kV側(cè)采用3/2接線，每段母線各配置一組電容式電壓互感器和一組避雷器，有兩回進線和兩回出線，兩回進線各配置一組串聯(lián)電容補償器和一組高壓并聯(lián)電抗器。與兩回進線相比，兩回出線多配置一組可控高壓并聯(lián)電抗器。

圖1　西北聯(lián)網(wǎng)方式下某750kV輸電系統(tǒng)簡化接線示意圖

根據(jù)圖1建立的輸電系統(tǒng)仿真模型，由于模擬的輸電線路比較長，線路不完全換位導(dǎo)致三相線路參數(shù)不平衡，變壓器對稱運行時中性點已存在26.61A的零序不平衡電流，因此計算得到的變壓器繞組參數(shù)不對稱對系統(tǒng)工頻和操作過電壓的影響較小，為單一分析變壓器三相繞組參數(shù)不對稱對系統(tǒng)的影響。對輸電線路進行了理想對稱簡化，在原系統(tǒng)接線基礎(chǔ)上建立了除了變壓器存在不對稱（即變壓器C相阻抗保持不變，B相阻抗增大，A相阻抗減小）外其它設(shè)備均對稱運行的變電站，利用該模型研究變壓器三相繞組參數(shù)不對稱對變電站重要節(jié)點上操作過電壓的仿真模型[6-7]。變電站主要電氣設(shè)備及其在操作過電壓下的仿真模型見表1。

表1　變電站各主要設(shè)備等值模型

3　對穩(wěn)態(tài)運行的影響

3.1變壓器繞組損耗和中性點電流的影響

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，由于變壓器繞組參數(shù)不對稱，導(dǎo)致三相繞組阻抗不對稱，而外施三相電壓幾乎不變，導(dǎo)致流過三相繞組的電流發(fā)生變化，三相繞組的電流和銅耗如圖2、圖3所示。

圖2　繞變壓器三相繞組電流

圖3　變壓器三相繞組銅耗

1）變壓器繞組參數(shù)不對稱運行時導(dǎo)致高壓繞組和中壓繞組的C相和A相銅耗均增大，而B相的銅耗減小。這是因為B相繞組的阻抗增大，繞組電流減小，根據(jù)銅耗P=I2R可知，B相的銅耗減小更明顯。繞組參數(shù)不對稱時變壓器C相繞組和A相繞組的銅耗分別增大了4.49%和3.19%，這將會導(dǎo)致繞組發(fā)熱量增大，使變壓器內(nèi)部溫度升高影響變壓器的出力，變壓器繞組不對稱對繞組損耗影響程度見表2。

表2　變壓器繞組參數(shù)不對稱對三相繞組銅耗的影響

2）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，當電站各設(shè)備均對稱運行，變壓器中性點電流幾乎為零。但隨著不對稱度的增大，變壓器中性點電流會急劇增大，變壓器中性點電流與不對稱度的關(guān)系見表3。

表3　變壓器繞組參數(shù)不對稱對中性點電流的影響

3.2輸送功率的影響

由于變壓器的三相阻抗不對稱，使整個系統(tǒng)不對稱運行，導(dǎo)致輸送的功率也發(fā)生了相應(yīng)的變化，輸送功率變化情況見表4。

表4　變壓器繞組參數(shù)不對稱對變電站進出線輸送功率的影響

由表4中數(shù)據(jù)可知，變壓器繞組參數(shù)不對稱對變壓器自身輸送功率影響較大，甲站變壓器B相輸送有功功率減小了10.03%，A相增大了10.34%，而B相輸送的無功功率減小了36%。

4　對變電站操作過電壓的影響

根據(jù)750kV甲變電站的電氣主接線（圖4）和可能運行方式，對幾種典型、幅值較高的操作過電壓進行了計算分析。典型的操作方式為：①一回正常運行，一回無故障同期分合閘；②一回正常運行，一回故障單相分閘；③一回正常運行，一回故障三相分閘；④一回正常運行，一回同期開斷三相并聯(lián)電抗器。

圖4　750kV甲變電站電氣主接線圖

4.1無故障分合閘操作

在一回線路正常運行，另一回線路無故障分、合閘操作方式下，計算變壓器繞組參數(shù)對稱和不對稱時對變電站重要節(jié)點上操作過電壓的影響，計算結(jié)果見表5、表6。

表5　無故障分閘電站節(jié)點操作過電壓　peak/kV

peak/kV

表6　無故障合閘電站節(jié)點操作過電壓

計算結(jié)果表明：變壓器繞組參數(shù)不對稱對節(jié)點操作過電壓影響較小，無故障分閘時節(jié)點操作過電壓有所減小，無故障合閘時節(jié)點操作過電壓有所增大，但幅度非常小，最大變化了0.07%。

4.2帶故障分閘操作

在一回線路正常運行，另一回線路帶單相接地故障或三相故障分閘操作方式下，變壓器繞組參數(shù)對稱和不對稱時對變電站重要節(jié)點上操作過電壓的影響，計算結(jié)果見表7、表8。

表7　帶故障單相分閘電站節(jié)點操作過電壓　peak/kV

表8　帶故障三相分閘電站節(jié)點操作過電壓　peak/kV

計算結(jié)果表明：故障單相分閘時的操作過電壓較故障三相分閘時的操作過電壓要小，均在750kV系統(tǒng)絕緣配合對操作過電壓規(guī)定的1.8p.u.范圍內(nèi)。變壓器繞組參數(shù)不對稱對變壓器出口電壓影響較大，兩種操作方式分別增大了0.55%和0.34%。

4.3開斷并聯(lián)電抗器操作

假定用斷路器開斷并聯(lián)電抗器，由于斷路器強制截流熄弧而產(chǎn)生過電壓，斷路器在電流峰值處截斷電流時過電壓最嚴重。截斷峰值電流為330A時產(chǎn)生的過電壓見表9。變壓器繞組參數(shù)不對稱會使開斷并聯(lián)電抗器產(chǎn)生的操作過電壓升高，母線節(jié)點1最大升高了0.84%。

4.4變壓器中性點電流

在以上5種典型操作方式下，計算得到變壓器中性點電流與不對稱度的關(guān)系見表10。

表9　開斷并聯(lián)電抗器電站節(jié)點操作過電壓　peak/kV

表10　不同操作方式下變壓器中性點電流與不對稱度的關(guān)系

計算結(jié)果表明：在不同操作方式下，變壓器中性點電流隨不對稱度的增加而增大。當變電站存在單相接地故障時，變壓器中性點會流過較大的接地短路電流，繞組參數(shù)不對稱產(chǎn)生的中性點電流會疊加在短路電流上。

5　仿真計算結(jié)果驗證

依據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時已知的有功潮流和節(jié)點電壓對所建立的750kV丙-丁段輸電系統(tǒng)仿真模型的有功潮流和節(jié)點電壓進行了計算驗證。驗證結(jié)果見表11和表12。

表11　750kV丙-丁段輸電線路有功潮流對比驗證結(jié)果

由對比驗證結(jié)果可以看出，輸電線路傳輸功率和節(jié)點電壓仿真計算值與實際測量值的偏差均不大于±3%，因此依據(jù)所建模型開展的各項仿真計算結(jié)果均是科學、正確的，研究結(jié)果對保障系統(tǒng)安全運行具有一定的借鑒意義。

表12　750kV丙-丁段輸電線路節(jié)點電壓對比驗證結(jié)果

6　結(jié)論

1）變壓器繞組參數(shù)不對稱運行時，變壓器繞組損耗會發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致繞組發(fā)熱量增大，使變壓器內(nèi)部溫度升高影響變壓器的出力。

2）變壓器繞組參數(shù)不對稱運行時，由于繞組阻抗的變化，使流過繞組的電流發(fā)生變化，對輸送功率影響較大，特別是B相無功功率的輸送將會減少達36%。

3）變壓器繞組參數(shù)不對稱運行時，對系統(tǒng)操作過電壓的影響不大，操作過電壓均在750kV規(guī)定的1.8p.u.范圍內(nèi)。

4）變壓器繞組參數(shù)不對稱運行時，對變壓器中性點電流影響較大，隨著不對稱度的增加，中性點電流將會急劇增大，影響系統(tǒng)的安全運行。

5）隨著750kV超高壓輸電系統(tǒng)的擴大，電網(wǎng)中機組容量、變電站容量和負荷的不斷增長，系統(tǒng)的單相短路電流也不斷增加，為了限制系統(tǒng)的單相短路電流，未來的750kV系統(tǒng)電網(wǎng)主變壓器可能由中性點直接接地方式改為中性點經(jīng)小電抗接地，以降低系統(tǒng)的短路電流水平。

參考文獻

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馬振祺（1980-），男，甘肅金塔縣人，本科，工程師，蘭州理工大學在職碩士研究生。主要從事電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)評價及技術(shù)監(jiān)督工作。

The Impact of 750kV Transformer Three-phase Winding Parameter Asymmetry on Overvoltage of the Symmetrical System

Ma ZhenqiWen DingjunPan ZhenWang JinJiang Feng
(State Grid Gansu Electric Power Research Institute, Lanzhou730050)

Abstract 750kV transformer is important in 750kV power grid and plays a major role in safe operation of power grid. The paper analyzes the causes of asymmetric three-phase winding parameters of 750kV transformer and establishes research model of Northwest 750kV transmission system, applies electro-magnetic transient simulation program to focuses on the impact of operating overvoltage caused by Three-phase Winding Parameter Asymmetry through several typical operating modes.

Keywords：transformer; winding parameter; asymmetry; overvoltage

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