統一潮流控制器用串聯變壓器設計

李曉明，曹冬明，田　杰，董云龍（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

統一潮流控制器用串聯變壓器設計

李曉明，曹冬明，田杰，董云龍
（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

串聯變壓器作為統一潮流控制器（UPFC）系統中的關鍵設備，承擔著換流器與交流系統交換功率的重要作用，一方面需要匹配交流系統電壓與換流器直流電壓，另一方面在電氣結構上實現交流系統與換流器的隔離。UPFC用串聯變壓器在電氣結構上不同于常規電力變壓器，其一次側繞組（線路側繞組）分相接入三相線路，變壓器一次側繞組每相的首尾端拆開，經6個端口接入線路；二次側繞組（閥側繞組）與換流器連接，采用常規的星型或者角型接法。串聯變壓器的繞組需要具備承受系統短路電流的能力，同時需要具備持續一定時間的4倍過激磁耐受能力，對變壓器的電氣、結構等方面的設計提出了嚴酷的要求。文中結合南京220 kV西環網統一潮流控制器工程，分析了串聯變壓器的運行工況，以此為基礎提出了串聯變壓器的關鍵設備參數，并對其惡劣工況下的耐受能力進行了仿真驗證。

柔性交流輸電系統（FACTS）；UPFC；串聯變壓器；TBS

作為第三代柔性交流輸電系統（FACTS）設備代表，統一潮流控制器（UPFC）是迄今為止功能最全面的FACTS裝置，能分別或同時實現并聯補償、串聯補償、移相和端電壓調節等多種基本功能。UPFC既能在電力系統穩定方面實現潮流調節，合理控制有功功率、無功功率，提升線路的輸送能力，實現優化運行；也能在動態方面，通過快速無功吞吐，動態地支撐接入點的電壓，提高系統電壓穩定性［1，2］。串聯變壓器作為UPFC工程項目中的組成部分，其高壓側直接串入線路，實現UPFC與交流電網的互聯。與常規并聯方式的電力變壓器相比，串聯變壓器高壓側首末端的主絕緣與線路側相同，在本項目中高壓側對地的額定電壓為220 kV。但正常運行時，變壓器高壓側端間的額定電壓僅為15.3 kV，額定容量為70 Mvar。當線路發生接地故障時，故障電流將流經變壓器高壓側繞組，對變壓器的短路應力、繞組溫升、鐵心過激磁等方面都將造成很大的影響，在進行串聯變壓器的設計時，需著重考慮以下4個方面：

（1）短路電流耐受水平。導線的電流密度及屈服強度需進行優化選型，加強各組件間墊塊的強度以及絕緣紙筒與鐵心之間的撐緊結構；

（2）絕緣耐受水平。串聯變壓器高壓側為全絕緣變壓器，主絕緣與線路側絕緣水平一致，縱絕緣與跨接避雷器的保護水平相配合；

（3）過激磁耐受水平。變壓器在鐵心結構以及磁密的設計上，需充分考慮變壓器可能承受的最大過激磁倍數及持續時間。

（4）出線型式。串聯變壓器端部出線的型式需結合變電站實際情況，采用兩側出線的方式，經鋼芯鋁絞線接入線路。

1　　運行工況

南京西環網UPFC工程的主接線如圖1所示。

圖1 UPFC結構

雙回線路的2臺串聯變壓器結構一致，利用電力電子設備（換流器）及控制系統，調節串聯變壓器高壓側端間電壓的相角及幅值，實現優化控制線路潮流及系統電壓的目的。串聯變壓器結構如圖2所示。

圖2串聯變壓器結構

高壓側繞組采用開口Y型式，每相的首尾端子串聯接入線路；低壓側為yn型式，連接換流器，中性點經電阻接地；平衡繞組采用三角形型式，不帶負載，三相端子均引出，其中一相端子直接接地，其余兩相端子經避雷器接地。

為實現對換流器以及串聯變壓器的保護，成套系統配置了閥側晶閘管旁路開關（TBS）、TBS閥避雷器、線路側快速旁路開關、閥側快速旁路開關、串聯變壓器高壓側跨接避雷器、線路開關共6道保護措施，如圖3所示。

圖3換流器和串聯變壓器保護措施

正常運行時，線路開關合、線路側和閥側快速旁路開關分、晶閘管旁路開關閉鎖、閥側跨接避雷器未達到動作電壓，換流閥投入運行，串聯變線路側閥側繞組按設定的額定工況運行。

當控制保護系統檢測到系統發生故障時，立即發換流器閉鎖、晶閘管旁路開關解鎖、低壓側旁路開關合閘、高壓側旁路開關合閘等命令。3 ms內低壓側晶閘管旁路開關快速動作，將串聯變壓器低壓側短路以保護換流器，低壓側快速旁路開關及高壓側快速旁路開關在30～40 ms內合閘，低壓側快速旁路開關代替晶閘管旁路開關承受短路電流，高壓側快速旁路開關將串聯變壓器從系統中隔離。

當上述六道保護措施發生N-1故障時，變壓器需要承受較為嚴苛的2種工況。

（1）TBS動作、高壓側旁路開關拒動。在本工況下，變壓器處于短路狀態，以本項目實際的短路耐受水平為依據，對串聯變的短路耐受水平進行設計。根據電網的規劃，采用2020年網架進行短路電流計算，在無UPFC時，鐵北220 kV母線短路電流為50 kA，當UPFC接入系統后，串聯變壓器的短路阻抗Uk%較大范圍地影響了系統的短路水平，嚴重情況下，流經串聯變壓器繞組的短路電流可達26 kA。為確保變壓器的安全運行，變壓器高壓繞組耐受短路電流水平設計值不低于30 kA有效值，持續2 s，同時需要考慮該工況下鐵心飽和對變壓器器身的影響。

（2）TBS拒動、高壓側旁路開關動作。在本工況下，高、低側快速旁路開關動作時間為30～40 ms，在這段時間內，串聯變壓器將處于二次側開路狀態，高壓側繞組端間電壓有很大突變（最大4 p.u.左右）且流過較大的系統短路電流，鐵心處于非常嚴重的過激磁狀態，變壓器需按持續承受50 ms的4倍過激磁進行設計，此時流經串聯變壓器線路側繞組電流為30 kA。

2　　關鍵參數

串聯變壓器一次側額定電壓取決于UPFC項目的系統需求，經仿真計算，本項目串聯變壓器注入線路的最大線電壓為26.5 kV，即可滿足對該區域電網近、遠期潮流控制的需求，二次側電壓需要與換流器的直流電壓相匹配，設計值為20.8 kV，UPFC所安裝線路的額定電流為1525 A。串聯變壓器的短路阻抗Uk%在設計時需兼顧以下2點：短路阻抗越大，在UPFC提升線路功率時，串聯變壓器閥側的電壓降增大，換流閥的額定容量將增加，增大投資；短路阻抗越大，在電網發生短路故障時，其短路電流限制能力越高，可以降低主設備的短路耐受水平，有利于設備的安全。本項目串聯變壓器的基本電氣參數設計值如表1所示。

表1串聯變壓器基本參數

串聯變壓器與常規電力變壓器相比，其用途、要求都比較特殊，額定容量和額定電壓等級取決于系統的實際需求，但均比常規電力變壓器小很多。由于串聯變壓器一次（線路）側繞組串聯在線路中，因此當系統發生故障時，串聯變壓器會有較嚴重的過電壓和過電流問題。在設計、生產、試驗時針對上文中描述的典型工況，結合變壓器實際的運行方式，其技術特點如下：

（1）變壓器的額定容量和額定電壓等級均比較小，但由于高壓側繞組串聯在線路上，因此其主絕緣水平與線路側相同，為220 kV等級且為全絕緣水平。但是因高壓端間正常運行時的電壓較低，與閥側電壓接近，所以其高壓側端間雷電全波耐受電壓需特殊設計。

（2）變壓器高壓側繞組出口發生接地短路故障，且變壓器低壓側繞組處于開路狀態時，變壓器高壓側繞組需承受短時4倍過勵磁。為保證變壓器的過勵磁能力，需特殊設計硅鋼片參數；鐵心結構上采用三相五柱式結構，其上下鐵軛采用板式夾件；鐵軛采用鋼質支撐件和墊腳，利用綁帶拉緊夾件，心柱采用專用綁帶綁扎；上下夾件通過拉板和軸頭連接；變壓器鐵心和夾件接地通過小套管引出，同時由支柱瓷瓶引下接地；鐵心與上下節油箱之間采用多點強力定位，保證串聯變壓器滿足4倍過勵磁工況下持續運行50 ms的要求。

（3）線路側發生接地故障時，變壓器高壓繞組會流過較大的短路電流，對繞組抗短路能力要求比較高。為確保變壓器的抗短路能力，需按國標GB 1094.5—2008［3］的相關要求進行詳細計算和驗證，且所有繞組的導線采用自粘換位導線，在換位處加墊硬紙板條，以增加電氣強度，所有墊塊撐條倒圓角，在電場中保證較好的電極形狀，靠鐵心繞組內徑側采用高強度硬紙筒，外徑側采用鎖撐條，平衡繞組、低壓繞組內徑側增加附撐條。通過上述結構確保變壓器各繞組在要求短路電流條件下具有足夠的動穩定性和熱穩定性。

（4）壓器高壓側串入線路中，繞組接線為特殊的開口設計方案，采用端部出線結構，分別單獨引出并連接至套管 （共6根220 kV級套管）；同時低壓繞組以66 kV絕緣水平進行設計，遠遠高于換流閥的額定電壓，并在變壓器內部連接為星接，中性點單獨引出，分別連接至各自套管；另外，單獨設置平衡繞組，且平衡繞組的3個端子均引出。

（5）根據變壓器的上述特殊運行工況和使用特點，高壓引線采用端部水平出線結構，低壓引線采用端部出線結構；所有線圈出線以及引線之間的連接均采用先進的冷壓或高頻焊接工藝；對高壓引線所經過區域附近的電極進行圓化處理，以改善電極形狀；所有引線每間隔350～400 mm設有導線夾夾緊固定。考慮變壓器引出線方式滿足現場接線的布置要求，變壓器內部繞組排列順序為：鐵心—平衡繞組—低壓繞組—高壓繞組。

3　　仿真計算

3.1過勵磁能力仿真

變壓器鐵心過勵磁時，鐵心中磁通密度增加達到飽和，因飽和產生的漏磁通將使夾件、油箱等金屬結構件中的渦流損耗增加，空載損耗增加，造成鐵心溫度升高，同時還會增大漏磁通，在靠近鐵心的繞組導線、油箱箱壁和其他金屬結構件中產生渦流損耗，使變壓器過熱，絕緣老化，影響變壓器壽命，嚴重時造成局部變形及絕緣油損傷。變壓器過勵磁還會造成設備噪聲增加，空載電流中高次諧波含量增大等問題。通過計算，串聯變壓器在額定電壓下勵磁電流峰值大小為3.3 A（折算到高壓側），變壓器在4倍過勵磁電壓下勵磁電流峰值為9600 A，該值遠遠小于高壓繞組耐受短路電流值，其引起的機械力不會導致繞組損壞。為研究串聯變壓器4倍過勵磁電壓下對鐵心溫升產生的影響，首先對變壓器長期運行時鐵心內部熱點溫升的計算過程進行分析。

鐵心內部最熱點與鐵心表面溫差計算（單位為K）：

鐵心表面對油面的溫升計算：

鐵心表面溫升計算：

鐵心熱點溫升計算：

式（1—4）中：PFe為硅鋼片單位質量（kg）的損耗瓦數；Kgy為校正系數；b為疊壓厚度；B為最大片寬；GA為安全系數。

變壓器長期過勵磁運行，會使鐵心內部飽和而增大鐵心損耗和附加損耗，鐵心內部熱點溫升會增加。鐵心內部過熱是需要一定時間積累并通過熱量交換傳遞才完成的，由于50 ms時間太短，短時產生的熱量不會將整個鐵心的熱點溫升提高。因此在4倍過勵磁下持續運行50 ms，鐵心熱點溫升幾乎不變。

通過程序仿真計算，變壓器在4倍過勵磁下，可以持續空載運行60 ms，完全滿足設計要求。串聯變壓器的空載過勵磁曲線如圖4所示。

圖4串聯變壓器空載勵磁曲線

3.2繞組機械力仿真計算

串聯變壓器的另一惡劣工況是變壓器近端的線路發生接地短路時，將有很大的短路電流流經變壓器繞組，對變壓器各繞組內部、繞組間、繞組與結構件之間等承受的力或應力等提出了很高的要求，參照GB 1094.5—2008標準，高壓繞組按照30 kA短路電流進行核算，低壓繞組按照38 kA短路電流進行核算，平衡繞組按照高壓單相對地短路感應短路電流26.5 kA進行核算，串聯變壓器在此工況下，各繞組機械力仿真計算結果如表2所示。

表2串聯變壓器高壓短路時各繞組力和應力的對比

4　　結束語

作為以南京西環網統一潮流控制項目為依托的全新電力設備，國產化的串聯變壓器在設計上需要充分結合系統各種惡劣的運行工況，為確保產品的質量，在產品正式投運前，從設計、生產、試驗以及運行階段需要著重注意以下方面：（1）在設計階段，利用各種仿真計算軟件，對變壓器繞組及結構件的短路應力、過激磁水平、磁場分布、各繞組間沖擊電壓傳遞水平、器身電場分布以及設備的抗震水平等方面進行充分驗證，確保產品具有充分的裕度；（2）作為特殊的電力變壓器，在型式試驗方案制定上需結合產品的實際運行情況。當對變壓器高壓側端間進行雷電沖擊試驗時，低壓側和平衡繞組經避雷器接地，以驗證變壓器高-低和高

-平間的過電壓傳遞水平；（3）變壓器的特殊試驗中含短路試驗，因串聯變壓器短路試驗對電源容量（不低于60 MV·A）有較高要求，目前國內試驗站均無法滿足，可以通過現場人工短路的方式對變壓器的繞組短路耐受水平進行考核。

［1］何大愚.柔性交流輸電技術和用戶電力技術的新進展［J］.電力系統自動化，1999，23（6）：8-13.

［2］趙 賀.電力電子學在電力系統中的應用——靈活交流輸電系統［M］.北京：中國電力出版社，2001：181-186.

［3］國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB 1094.5—2008，電力變壓器第5部分承受短路的能力［S］.北京：中國標準出版社，2008.

The Design of Series Transformer Applied in the Unified Power-Flow Controller

LI Xiaoming，CAO Dongming，TIAN Jie，DONG Yunlong
（Nanjing Nari-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

As the key equipment in the UPFC，the series transformer plays an important role in the power transmission between the convertor and the AC system.The voltage of the transformer should match the AC system voltage with the DC voltage of the convertor on one hand；on the other hand the transformer can provide the electrical insolation between AC and convertor.The electrical structure of the series transformer is different with the normal one.The primary wings of the series transformer are connected in the lines in split-phase with 6 terminals and the secondary ones are connected to the convertor with the connection of star or delta.The wings of the series transformer should be capable to withstand the short-circuit current of the power system；and the equipment should also be able to withstand four times of over-excitation capacity within certain time，which require a lot to the electric and structure of the transformer.The operation conditions of the series transformer of Nanjing UPFC project have been analyzed.Based on the analysis the key parameters for the series transformer are recommended，and the tolerance conditions of the series transformer have been simulated in the end.

FACTS；UPFC；Series Transformer；TBS

TM402

B

1009-0665（2016）01-0041-04

2015-10-21；

2015-11-30

李曉明（1982），男，四川遂寧人，工程師，從事FACTS設備的研究及開發工作；

曹冬明（1972），男，江蘇泰興人，高級工程師，從事電力系統自動化工作；

田杰（1969），男，四川秀山人，教授級高級工程師，從事超高壓直流輸電的研究及開發工作；

董云龍（1977），男，安徽安慶人，高級工程師，從事超高壓直流輸電的研究及開發工作。