劉默斯，孫志媛，李明珀

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，南寧 530023）

引言

大型變壓器組作為系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備之一，其故障可能對(duì)電網(wǎng)造成巨大損失，故障后應(yīng)及時(shí)采取措施恢復(fù)運(yùn)行。由于變壓器返廠檢修周期過(guò)長(zhǎng)，停運(yùn)將影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。如采用同型號(hào)備用變更換故障相，可縮短主變停電時(shí)間，緩解片區(qū)供電壓力。由于不少變電站未配置同型號(hào)備用變，或備用變型號(hào)不同，其參數(shù)可能與原變壓器存在差異。如果僅更換單相，需研究對(duì)變壓器自身及系統(tǒng)的影響。目前對(duì)變壓器單相替換的仿真研究并不多見(jiàn)。文獻(xiàn)[1]采用電力系統(tǒng)仿真軟件包NETOMAC對(duì)某種典型方式三相不平衡電壓、電流計(jì)算；文獻(xiàn)[2,3]采用PSCAD針對(duì)不同分接頭及不同負(fù)載率情況下，替換前后高中壓側(cè)電壓、電流不平衡情況及諧波特性進(jìn)行PSCAD仿真分析。

本文結(jié)合500 kV某站#2主變大修，探討用參數(shù)相近的相鄰500 kV站備變對(duì)該500kV站#1主變進(jìn)行單相替換的案例，從主變正常運(yùn)行下的關(guān)鍵指標(biāo)、故障條件下對(duì)保護(hù)和安全穩(wěn)定控制裝置的影響等方面考慮，采用仿真計(jì)算軟件PSCAD對(duì)該500 kV站#2主變A相替換前后進(jìn)行仿真分析，探討500 kV主變單相替換的可行性。

1 變壓器替換前后參數(shù)分析

三相變壓器A相替換簡(jiǎn)化電路如圖1所示。由于替換相參數(shù)的不一致，變壓器單相替換運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱運(yùn)行情況，需研究不對(duì)稱運(yùn)行情況對(duì)變壓器及系統(tǒng)的影響。

圖1 三相自耦變壓器A相替換簡(jiǎn)化電路圖

當(dāng)不計(jì)及鐵芯引起的非線性并忽略勵(lì)磁電流時(shí)，單相三繞組變壓器等值電路示意圖如圖2所示。變壓器單相替換主要改變其中一相的X1、X2及X3，進(jìn)而改變變壓器的電感矩陣，從而使電壓電流關(guān)系與原變壓器有差異[4]。

圖2 單相三繞組變壓器等值電路示意圖

2 變壓器運(yùn)行條件分析

2.1 變壓器運(yùn)行條件

（1）500 kV變壓器的主要參數(shù)：額定容量、電壓組合、分接范圍、聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)、空載損耗、負(fù)載損耗、空載電流及短路阻抗應(yīng)符合要求范圍；（2）變壓器的運(yùn)行電壓一般不應(yīng)高于該運(yùn)行分接電壓的105%，且不得超過(guò)系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓；（3）變壓器三相負(fù)載不平衡時(shí)，應(yīng)監(jiān)視最大一相的電流，且接線為YN/yn0的大、中型變壓器允許的中性線電流，按制造廠及有關(guān)規(guī)定[5,6]。導(dǎo)則和規(guī)程規(guī)定了運(yùn)行變壓器的參數(shù)及運(yùn)行電壓，并未針對(duì)變壓器三相參數(shù)不一致的不平衡情況進(jìn)行相關(guān)的規(guī)定和要求。

2.2 變壓器并列運(yùn)行條件

變壓器并列運(yùn)行需滿足以下規(guī)定：（1）聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)相同；（2）電壓比應(yīng)相同，差值不得超過(guò)±0.5%；（3）阻抗電壓值偏差不超過(guò)10%。（4）最大容量與最小容量比不大于3∶1。

2.3 系統(tǒng)電壓電流要求

電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)電壓不平衡度限值為：（1）電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)序電壓不平衡度不超過(guò)2%，短時(shí)不得超過(guò)4%；（2）接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶引起該點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時(shí)不超過(guò)2.6%[7]。

沒(méi)相關(guān)規(guī)程有對(duì)公共點(diǎn)的電流不平衡度作具體規(guī)定，然而過(guò)大的負(fù)序電流將會(huì)引起系統(tǒng)內(nèi)電機(jī)的過(guò)熱，而零序電流超過(guò)了一定數(shù)值時(shí)，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，有可能延期靈敏度較高的接地繼電器的誤動(dòng)作。轉(zhuǎn)子為綁線式的汽輪發(fā)電機(jī)禁止在不平衡的負(fù)荷下運(yùn)行（當(dāng)負(fù)序電流不超過(guò)正序電流的5%時(shí)，則認(rèn)為三相電流實(shí)際上是平衡的）。電壓電流不平衡度表示如下：

式中，U1為正序電壓，U2為負(fù)序電壓，I1為正序電流，I2為負(fù)序電流；?U%、?I%分別表示電壓電流不平衡度。

2.4 故障狀態(tài)特性分析

變壓器單相替換后，短路故障或過(guò)負(fù)荷等狀態(tài)下電氣量的變化是否會(huì)不適應(yīng)原有的保護(hù)定值，發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)情況。

3 基于PSCAD仿真分析

根據(jù)變壓器單相替換參數(shù)及運(yùn)行條件分析，以500 kV某站#2主變A相替換研究為例，進(jìn)行PSCAD仿真分析。仿真算例采用某500 kV站#1主變替換參數(shù)相近的500 kV某站#2主變。各變壓器銘牌對(duì)比情況如表1所示，兩臺(tái)主變?nèi)萘恳恢?，變比一致，短路阻抗有差別。替換后參數(shù)滿足運(yùn)行規(guī)程要求及變壓器并列運(yùn)行條件。針對(duì)替換后產(chǎn)生的不平衡電壓電流情況及故障狀態(tài)下對(duì)繼電保護(hù)影響進(jìn)行分析。根據(jù)當(dāng)月該片區(qū)電網(wǎng)潮流分布情況，使用PSD-BPA軟件進(jìn)行潮流計(jì)算，得到該站主變500 kV側(cè)等值阻抗、#2主變220 kV側(cè)等值負(fù)荷，使用PSCAD搭建等值系統(tǒng)，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

表1 各變壓器銘牌參數(shù)對(duì)比

3.1 運(yùn)行分析

從空載、正常負(fù)載及滿載三種負(fù)載條件下對(duì)變壓器三側(cè)節(jié)點(diǎn)的電壓電流不平衡度進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 替換前后主變?nèi)齻?cè)負(fù)序電壓不平衡度

圖4 替換前后主變?nèi)齻?cè)零序電壓不平衡度

圖5 替換前后主變?nèi)齻?cè)負(fù)序電流不平衡度

圖6 替換前后主變?nèi)齻?cè)零序電流不平衡度

根據(jù)500 kV某#2主變A相替換前后仿真結(jié)果可見(jiàn)，隨著中壓側(cè)負(fù)載增大，A相替換后三側(cè)負(fù)序、零序電壓不平衡度隨中壓側(cè)負(fù)載的增大有明顯的增加。A相替換后中、低壓側(cè)負(fù)序電壓不平衡程度遠(yuǎn)比高壓側(cè)大，其中低壓側(cè)的負(fù)序電壓不平衡度最大；A相替換后高、中壓側(cè)零序電壓不平衡程度遠(yuǎn)比低壓側(cè)大，其中中壓側(cè)零序電壓不平衡度最大。無(wú)論空載、正常負(fù)載或是滿載，仿真結(jié)果表明，替換前后高壓側(cè)、中壓側(cè)和低壓側(cè)的負(fù)序、零序電壓不平衡度均小于0.2%。

隨著中壓側(cè)負(fù)載增大，A相替換前后變壓器三側(cè)負(fù)序、零序電流不平衡度均有所增加，電流不平衡度比電壓不平衡度大。無(wú)論空載、正常負(fù)載或是滿載，仿真結(jié)果表明，替換前后高壓側(cè)、中壓側(cè)和低壓側(cè)的負(fù)序、零序電流不平衡度均小于2%。

3.2 暫態(tài)分析

3.2.1 單相接地故障仿真

當(dāng)變壓器中壓側(cè)出線端發(fā)生A相接地短路故障時(shí)，替換前后短路電流、相電壓如圖7所示。當(dāng)主變中壓側(cè)出線端發(fā)生A相接地短路時(shí)，A相短路電流有效值相比替換前升高了1.2 kA左右，替換后A相短路電流及相電壓的波形與替換前變化基本一致。

圖7 替換前后A相接地短路時(shí)短路電流、A相電壓波形

3.2.2 相間短路故障分析

當(dāng)變壓器中壓側(cè)出線端發(fā)生AB相間短路故障時(shí)，替換前后短路電流、相電壓如圖8所示。當(dāng)主變中壓側(cè)出線端發(fā)生AB兩相相間短路時(shí)，短路電流有效值相比替換前升高了0.6 kA左右，替換后短路電流的波形與替換前變化基本一致。通過(guò)對(duì)接地短路故障與相間短路故障的仿真與分析發(fā)現(xiàn)，500 kV某#2主變A相替換后，短路電流有所增加，波形與替換前變化基本一致。

圖8 替換前后AB相間短路時(shí)短路電流、相電壓波形

3.2.3 三相接地故障仿真

圖9為替換前后三相接地短路時(shí)短路電流、相電壓波形。當(dāng)主變中壓側(cè)出線端發(fā)生三相接地短路時(shí)，短路電流有效值相比替換前升高了1.5 kA左右，替換后短路電流的波形與替換前變化基本一致。

圖9 替換前后三相接地短路時(shí)短路電流、相電壓波形

4 結(jié)語(yǔ)

變壓器單相替換前后電壓不平衡度均小于0.2%，電流不平衡度均小于2%，電流不平衡度高于電壓不平衡度，隨著負(fù)載變大，不平衡度增大。三種短路故障形式下，短路電流稍高于替換前電流在中壓側(cè)負(fù)載相同的情況下，單相替換后變壓器中壓側(cè)A相電流稍大于替換前，不影響過(guò)流保護(hù)的定值設(shè)置情況。