馬振祺　溫定筠　潘　臻　王　津　江　峰

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州 730050）

?

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

馬振祺溫定筠潘臻王津江峰

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)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(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。本文通過(guò)分析750kV變壓器三相繞組參數(shù)不對(duì)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(jì)算程序（ATP-EMTP），重點(diǎn)研究了在幾種典型操作方式下，三相繞組參數(shù)不對(duì)稱對(duì)系統(tǒng)操作過(guò)電壓的影響。

關(guān)鍵詞：變壓器；繞組參數(shù)；不對(duì)稱；過(guò)電壓

近年來(lái)，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(yùn)以來(lái)，短短的幾年時(shí)間內(nèi)投運(yùn)750kV變電站8座，750kV電網(wǎng)在風(fēng)電消納及疆電外送過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。因此對(duì)750kV電網(wǎng)中的重要設(shè)備變壓器進(jìn)行研究，對(duì)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(duì)稱原因分析

1.1繞組參數(shù)不對(duì)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(qiáng)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(guó)產(chǎn)化時(shí)間不長(zhǎng)，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(yùn)行可靠性等方面與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品還有差距。

750kV變壓器正常運(yùn)行時(shí)，由三臺(tái)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(duì)稱的[3]。但是，由于變壓器繞組電氣參數(shù)的對(duì)稱性與設(shè)計(jì)計(jì)算、制造材料、制造工藝、部件的精確加工、組裝工藝及運(yùn)行工況等眾多因素有關(guān)[4]。在制造過(guò)程中不可避免的存在固有的生產(chǎn)分散型，而且每臺(tái)單相變壓器在運(yùn)行過(guò)程中由于繞組的劣化程度不一樣，長(zhǎng)期運(yùn)行后導(dǎo)致繞組參數(shù)三相不對(duì)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(duì)稱[5]。

2）繞組焊接不良、開(kāi)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(duì)稱。

3）變壓器運(yùn)行過(guò)程中由于內(nèi)部運(yùn)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(duì)稱。

1.2繞組參數(shù)不對(duì)稱對(duì)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(jì)、制造要求，通常變壓器生產(chǎn)時(shí)各相繞組的材料和幾何尺寸等參數(shù)的不對(duì)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(duì)750kV繞組參數(shù)不對(duì)稱要求極高。

當(dāng)變壓器三相繞組不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，會(huì)引起繞組三相涌流的嚴(yán)重不對(duì)稱、正常運(yùn)行時(shí)三相電流不平衡，每相繞組發(fā)熱不一致，使個(gè)別相繞組負(fù)荷過(guò)大、過(guò)熱運(yùn)行，因此顯著降低了變壓器的可用容量和抗局部過(guò)熱能力。連續(xù)性的不對(duì)稱運(yùn)行會(huì)在繞組與鐵心中產(chǎn)生連續(xù)性損耗，尤其是通過(guò)中性點(diǎn)的電流，會(huì)使電壓的穩(wěn)定性受到影響，中性點(diǎn)電壓偏移，產(chǎn)生漏磁以及使鐵心過(guò)激磁，嚴(yán)重時(shí)影響變壓器的安全運(yùn)行。

1.3不對(duì)稱度的定義

根據(jù)變壓器原理及運(yùn)行特性，對(duì)變壓器在規(guī)定的使用環(huán)境和運(yùn)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(fù)載損耗、阻抗電壓、溫升、絕緣水平等進(jìn)行分析。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際參數(shù)與變壓器設(shè)計(jì)的理論參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定變壓器空載電流、空載損耗、負(fù)載損耗、阻抗電壓四個(gè)參數(shù)是反映變壓器繞組參數(shù)不對(duì)稱情況的主要指標(biāo)。

為方便計(jì)算分析，定義變壓器繞組參數(shù)不對(duì)稱度為

式中，0α為變壓器三相繞組初始試驗(yàn)參數(shù)UK%、PK、I0和P0平均值；α為變壓器三相繞組運(yùn)行后的試驗(yàn)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(guó)內(nèi)外廣泛使用的電磁暫態(tài)計(jì)算程序（ATP-EMTP），重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中變電站甲、以及相鄰的乙、丙變電站相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(jìn)線和兩回出線，兩回進(jìn)線各配置一組串聯(lián)電容補(bǔ)償器和一組高壓并聯(lián)電抗器。與兩回進(jìn)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(jiǎn)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(zhǎng)，線路不完全換位導(dǎo)致三相線路參數(shù)不平衡，變壓器對(duì)稱運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)已存在26.61A的零序不平衡電流，因此計(jì)算得到的變壓器繞組參數(shù)不對(duì)稱對(duì)系統(tǒng)工頻和操作過(guò)電壓的影響較小，為單一分析變壓器三相繞組參數(shù)不對(duì)稱對(duì)系統(tǒng)的影響。對(duì)輸電線路進(jìn)行了理想對(duì)稱簡(jiǎn)化，在原系統(tǒng)接線基礎(chǔ)上建立了除了變壓器存在不對(duì)稱（即變壓器C相阻抗保持不變，B相阻抗增大，A相阻抗減?。┩馄渌O(shè)備均對(duì)稱運(yùn)行的變電站，利用該模型研究變壓器三相繞組參數(shù)不對(duì)稱對(duì)變電站重要節(jié)點(diǎn)上操作過(guò)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(guò)電壓下的仿真模型見(jiàn)表1。

表1　變電站各主要設(shè)備等值模型

3　對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的影響

3.1變壓器繞組損耗和中性點(diǎn)電流的影響

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于變壓器繞組參數(shù)不對(duì)稱，導(dǎo)致三相繞組阻抗不對(duì)稱，而外施三相電壓幾乎不變，導(dǎo)致流過(guò)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(duì)稱運(yùn)行時(shí)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(niǎo)相的銅耗減小。這是因?yàn)锽相繞組的阻抗增大，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(duì)稱時(shí)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(huì)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(duì)稱對(duì)繞組損耗影響程度見(jiàn)表2。

表2　變壓器繞組參數(shù)不對(duì)稱對(duì)三相繞組銅耗的影響

2）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電站各設(shè)備均對(duì)稱運(yùn)行，變壓器中性點(diǎn)電流幾乎為零。但隨著不對(duì)稱度的增大，變壓器中性點(diǎn)電流會(huì)急劇增大，變壓器中性點(diǎn)電流與不對(duì)稱度的關(guān)系見(jiàn)表3。

表3　變壓器繞組參數(shù)不對(duì)稱對(duì)中性點(diǎn)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(duì)稱，使整個(gè)系統(tǒng)不對(duì)稱運(yùn)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(jiàn)表4。

表4　變壓器繞組參數(shù)不對(duì)稱對(duì)變電站進(jìn)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(duì)稱對(duì)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(niǎo)相輸送的無(wú)功功率減小了36%。

4　對(duì)變電站操作過(guò)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(yùn)行方式，對(duì)幾種典型、幅值較高的操作過(guò)電壓進(jìn)行了計(jì)算分析。典型的操作方式為：①一回正常運(yùn)行，一回?zé)o故障同期分合閘；②一回正常運(yùn)行，一回故障單相分閘；③一回正常運(yùn)行，一回故障三相分閘；④一回正常運(yùn)行，一回同期開(kāi)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(wú)故障分合閘操作

在一回線路正常運(yùn)行，另一回線路無(wú)故障分、合閘操作方式下，計(jì)算變壓器繞組參數(shù)對(duì)稱和不對(duì)稱時(shí)對(duì)變電站重要節(jié)點(diǎn)上操作過(guò)電壓的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

表5　無(wú)故障分閘電站節(jié)點(diǎn)操作過(guò)電壓　peak/kV

peak/kV

表6　無(wú)故障合閘電站節(jié)點(diǎn)操作過(guò)電壓

計(jì)算結(jié)果表明：變壓器繞組參數(shù)不對(duì)稱對(duì)節(jié)點(diǎn)操作過(guò)電壓影響較小，無(wú)故障分閘時(shí)節(jié)點(diǎn)操作過(guò)電壓有所減小，無(wú)故障合閘時(shí)節(jié)點(diǎn)操作過(guò)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(yùn)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(duì)稱和不對(duì)稱時(shí)對(duì)變電站重要節(jié)點(diǎn)上操作過(guò)電壓的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7、表8。

表7　帶故障單相分閘電站節(jié)點(diǎn)操作過(guò)電壓　peak/kV

表8　帶故障三相分閘電站節(jié)點(diǎn)操作過(guò)電壓　peak/kV

計(jì)算結(jié)果表明：故障單相分閘時(shí)的操作過(guò)電壓較故障三相分閘時(shí)的操作過(guò)電壓要小，均在750kV系統(tǒng)絕緣配合對(duì)操作過(guò)電壓規(guī)定的1.8p.u.范圍內(nèi)。變壓器繞組參數(shù)不對(duì)稱對(duì)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(kāi)斷并聯(lián)電抗器操作

假定用斷路器開(kāi)斷并聯(lián)電抗器，由于斷路器強(qiáng)制截流熄弧而產(chǎn)生過(guò)電壓，斷路器在電流峰值處截?cái)嚯娏鲿r(shí)過(guò)電壓最嚴(yán)重。截?cái)喾逯惦娏鳛?30A時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓見(jiàn)表9。變壓器繞組參數(shù)不對(duì)稱會(huì)使開(kāi)斷并聯(lián)電抗器產(chǎn)生的操作過(guò)電壓升高，母線節(jié)點(diǎn)1最大升高了0.84%。

4.4變壓器中性點(diǎn)電流

在以上5種典型操作方式下，計(jì)算得到變壓器中性點(diǎn)電流與不對(duì)稱度的關(guān)系見(jiàn)表10。

表9　開(kāi)斷并聯(lián)電抗器電站節(jié)點(diǎn)操作過(guò)電壓　peak/kV

表10　不同操作方式下變壓器中性點(diǎn)電流與不對(duì)稱度的關(guān)系

計(jì)算結(jié)果表明：在不同操作方式下，變壓器中性點(diǎn)電流隨不對(duì)稱度的增加而增大。當(dāng)變電站存在單相接地故障時(shí)，變壓器中性點(diǎn)會(huì)流過(guò)較大的接地短路電流，繞組參數(shù)不對(duì)稱產(chǎn)生的中性點(diǎn)電流會(huì)疊加在短路電流上。

5　仿真計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

依據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)已知的有功潮流和節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)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(diǎn)電壓進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表11和表12。

表11　750kV丙-丁段輸電線路有功潮流對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果

由對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果可以看出，輸電線路傳輸功率和節(jié)點(diǎn)電壓仿真計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值的偏差均不大于±3%，因此依據(jù)所建模型開(kāi)展的各項(xiàng)仿真計(jì)算結(jié)果均是科學(xué)、正確的，研究結(jié)果對(duì)保障系統(tǒng)安全運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

表12　750kV丙-丁段輸電線路節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果

6　結(jié)論

1）變壓器繞組參數(shù)不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，變壓器繞組損耗會(huì)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(duì)稱運(yùn)行時(shí)，由于繞組阻抗的變化，使流過(guò)繞組的電流發(fā)生變化，對(duì)輸送功率影響較大，特別是B相無(wú)功功率的輸送將會(huì)減少達(dá)36%。

3）變壓器繞組參數(shù)不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，對(duì)系統(tǒng)操作過(guò)電壓的影響不大，操作過(guò)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(duì)稱運(yùn)行時(shí)，對(duì)變壓器中性點(diǎn)電流影響較大，隨著不對(duì)稱度的增加，中性點(diǎn)電流將會(huì)急劇增大，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5）隨著750kV超高壓輸電系統(tǒng)的擴(kuò)大，電網(wǎng)中機(jī)組容量、變電站容量和負(fù)荷的不斷增長(zhǎng)，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(lái)的750kV系統(tǒng)電網(wǎng)主變壓器可能由中性點(diǎn)直接接地方式改為中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地，以降低系統(tǒng)的短路電流水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾慶禹. 特高壓電網(wǎng)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2010.

[2] Q/GDW 103—2003. 750kV系統(tǒng)用主變壓器技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 張冰. 大型電力變壓器的GIC影響效應(yīng)研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2010.

[4] 夏道止. 電力系統(tǒng)分析[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2004.

[5] 崔玉, 萬(wàn)亦如. 特高壓電網(wǎng)的過(guò)電壓與絕緣配合[J].能源工程, 2010(5): 21-24.

[6] 顧丹珍, 艾芊, 陳陳, 等. 基于ATP-EMTP的大型電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2006, 30(21): 54-56, 65.

[7] 蘇盛, 曾祥君, 穆大慶. 基于ATP的電磁暫態(tài)自動(dòng)仿真程序[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2009, 29(2): 145-148.

馬振祺（1980-），男，甘肅金塔縣人，本科，工程師，蘭州理工大學(xué)在職碩士研究生。主要從事電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)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

作者簡(jiǎn)介