隔離變壓器在孤島電站中的應用研究

嚴 威

( 葛洲壩能源重工有限公司，北京 100102)

0 引言

對于地理位置較為偏遠且負荷相對集中的地區，例如：在大型水電站建設期，為了保證負荷設備的供電可靠性，采用重油孤島電站作為供電電源，不僅可以避免電網遠距離輸電的弊端[1-2]，同時可以避免負荷對電網的影響。對于傳輸距離不長的孤島供配電系統，母線不需要增設升壓變壓器，可以直接通過架空線路進行傳輸。由于架空線路與電站側為直接電氣連接，使得架空線路故障會對電站運行產生直接影響。

本文以我國某水電站建設項目(以下簡稱“該水電站”)為例，對原有線路設計方案進行優化，采用10 kV 隔離變壓器實現對于孤島電站和架空線路之間的電氣隔離，并且使得輸電系統構成一個不接地系統，有效地減小了架空線路故障對于孤島電站的不利影響。在單相接地故障下，孤島系統仍能保證三相電壓的平衡，根據國內電力行業標準，該系統可以繼續運行2 h。該不接地系統可以實現檢修人員帶電巡視故障線路，并且利用允許運行的2 h 時間段，可實現架空線路的事故檢查和排除，進而保證孤島電站的供電系統可靠性。

1 隔離變壓器的結構及作用

隔離變壓器在不影響原有孤島系統中其他設備參數的情況下，可以構成一次、二次側的完全電氣隔離，利用該特性，可實現對原有技術方案的優化。當隔離變壓器的二次側采用不接地方式時，二次側回路構成一個不接地系統，避免與大地之間產生電位差。當隔離變壓器二次側回路中出現單相接地時，三相電壓依舊保持平衡[3]。文獻[4]通過隔離變壓器實現工業并網逆變器的并網運行，不僅起到了電氣隔離作用，同時抑制了諧波電流流入電網，提高電力系統的安全穩定運行。文獻[5]通過對光伏并網系統中隔離變壓器的應用進行研究，對比?-Y 和Y-?兩種聯結組別的特點，分析得到?-Y 聯結方式的隔離變壓器對于諧波的抑制效果較好。

隔離變壓器的二次側采用不接地方式，并未與大地構成回路，可以有效地避免觸電事故的發生。因此，隔離變壓器一般主要是作為檢修電源使用，以保證二次側的用電安全。對于電力系統，當隔離變壓器的二次側為不接地系統時，也具有此特性，可以減小單相接地故障對電力系統造成的不利影響。

隔離變壓器的聯結方式有Y-Y、Y-?、?-Y和?-?四種，隔離變壓器的拓撲結構如圖1 所示。對于Y-?、?-Y、?-?這三種隔離變壓器，通過三角型聯結方式，能使得3n次諧波(其中n為正整數)在?中形成環流，實現對諧波的抑制效果；同時也可以有效防止隔離變壓器二次側的零序電流傳到一次側的設備中。

圖1 隔離變壓器的拓撲結構

2 常規孤島電站的接線方式

以我國某水電站建設項目為例，該水電站采用重油孤島電站作為建設期的施工電源。由于施工地點與重油電站之間存在一定距離，需要一段距離架空線路進行輸電。結合經濟性和傳輸距離考慮，不采用升壓變壓器升壓后再進行傳輸，而是直接輸送至降壓變壓器，進而實現施工設備的供電。電能的輸送過程為：重油機組發出的電經過母線匯集，然后直接通過架空線路輸送到10.5/0.4 kV 降壓變壓器，最后分配給各個施工負荷。常規孤島電站的電氣系統拓撲結構圖如圖2 所示，其中，各個發電機組的中性點均為經過電阻箱接地。

圖2 常規孤島電站的電氣系統拓撲結構圖

這種接線方式雖然較簡單、經濟，但是供電可靠性相對較低。由于發電機組的中性點經過電阻箱接地，當輸電線路出現單相接地故障時，母線出口側的斷路器因過電流而斷開，將導致整個電站不能繼續為施工負荷供電。若采用雙回路，又會使投資和運營成本有較大增加。因此，需要采用更經濟、有效的方案。

3 采用隔離變壓器的孤島電站接線方式

由圖2 可知，架空線路末端的降壓變壓器選用Dyn11 聯結組別，隔離變壓器的二次側為不接地方式，使得架空線輸電線路部分構成一個不接地系統。該接線方式使得各相線路與大地之間不存在電位差。當架空線路出現單相接地時，不會影響架空線路各相線路之間的電壓，輸電線路的三相之間依然相對平衡，整個電力系統可保持正常運行，避免了架空線路的單相接地故障對整個系統運行影響。

采用?-Y 型隔離變壓器的主接線方式如圖3 所示。母線匯集電能后先經過一個10.5/10.5 kV 隔離變壓器，然后再通過10 kV 的架空線路進行傳輸到10.5/0.4 kV 降壓變壓器，最后再分配到各用電負荷。由于隔離變壓器一次側采用?接線方式，可以使得3n 次諧波形成環流，有效地避免諧波流入到架空輸電線路中，起到一定的諧波抑制作用，同時也避免隔離變壓器二次側的零序電流傳入到母線和發電機側。另外，隔離變壓器二次側選用星形接線方式使得架空線路上的線電流等于相電流，使得線路上的損耗較少。

圖3 采用?-Y型隔離變壓器的主接線方式

采用?-Y 型隔離變壓器主接線方式，不僅能夠保證孤島電站供配電系統的可靠性，同時其成本低于雙回路供電方式。

4 仿真結果分析

為了驗證采用隔離變壓器接線方式對孤島重油電站運行的優勢，本文通過MATLAB/Simulink 搭建一個10 kV 孤島供配電系統的仿真模型。其中，供配電系統的主要參數為：母線電壓為10 kV，負載電壓為380 V，負載的有功功率為1 000 kW，降壓變壓器變比為10/0.38 kV，隔離變壓器變比為10/10 kV。

未采用隔離變壓時母線側的相電壓和相電流的波形如圖4 所示。由圖4 可知，當t=0.10 s時，架空線出現單相接地故障，發電機側也會受到單相接地故障的影響，導致母線A 相電壓為0 V，B、C 兩相的相電壓增加為原來的倍。A 相電流瞬時值的峰值基本都在1 500 A 左右，最高達到了2 500 A。此時單相接地短路電流會導致過電流保護啟動，使得整個電站的電能輸出被切斷。圖4(c)為時間段0.09 ～0.11 s 時的電流波形的局部放大圖，可以明顯看到此時的A 相在0.10 s 之后電流突增。

圖4 未采用隔離變壓時母線側仿真波形

采用隔離變壓時母線側的相電壓和相電流的波形如圖5所示。由圖5可知，在t=0.10 s之后，母線側的三相線電壓和線電流依舊保持三相平衡狀態，說明此時雖然發生單相接地故障，但是對孤島系統運行狀態并未產生不利影響，該系統仍可以保持正常運行。

圖5 采用隔離變壓時母線側仿真波形

對比圖4 和圖5 可知，在采用隔離變壓器后，當架空線路出現單相接地故障時，系統中沒有短路電流產生，線電壓和線電流三相處于平衡狀態，電力系統運行正常，但是若長期運行，會增加相間短路的概率。為了避免后期事故的擴大，國內電力規程規定允許此狀態下運行2 h。通過利用該時間段，可以進行架空線路的故障巡視及排除，從而達到提高系統供電可靠性的目的。同時，該不接地系統也為帶電巡視故障線路的檢修人員提供了安全保障。

相比于雙回路線路，減少方案改造后的施工成本。重油電站的停電不僅會導致施工現場停滯，造成一定的經濟損失，同時也會耗費較多的時間成本。該方案減少了重油電站停電概率，進而提高了電站運行的經濟效益。

5 結語

本文采用?-Y 型的10 kV 隔離變壓器的接線方式，不僅保證孤島電站運行的供電可靠性，同時也提高了電站運行的經濟性。該方法有效地避免了架空線路單相接地故障對孤島系統正常運行的不利影響，當出現單相接地故障時，母線側的三相電壓和電流依然是保持三相平衡，避免了單相接地短路電流的產生，減少了供電系統停電的概率。同時，隔離變壓器也實現了母線和架空線路完全電氣隔離，減小兩者之間的相互影響。