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(中海油裝備技術(shù)有限公司，天津 300452)

基于PSCAD的變壓器空投仿真分析

劉為玉，姚長(zhǎng)龍

(中海油裝備技術(shù)有限公司，天津 300452)

以海洋石油平臺(tái)微電網(wǎng)為背景，采用PSCAD仿真軟件搭建變壓器仿真模型，對(duì)變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流及和應(yīng)涌流進(jìn)行仿真，調(diào)整變壓器接地方式、接線組別、合閘角度、剩磁以及系統(tǒng)阻抗觀察并記錄勵(lì)磁涌流的變化情況，調(diào)整2臺(tái)變壓器接線組別、接地方式，觀察和應(yīng)涌流的變化，得到變壓器不同條件下空載合閘的量化結(jié)果，提出規(guī)避變壓器空投風(fēng)險(xiǎn)的相應(yīng)措施。

石油平臺(tái)；變壓器；空載合閘；勵(lì)磁涌流；PSCAD

海洋石油平臺(tái)屬于孤島電網(wǎng)，大型變壓器空載合閘所產(chǎn)生的涌流對(duì)電網(wǎng)沖擊很大。正常運(yùn)行時(shí)，變壓器的勵(lì)磁電流很小，一般為額定電流的1%～2%[1]，在空載合閘時(shí)可達(dá)額定電流的6～8倍，還會(huì)導(dǎo)致和應(yīng)涌流的出現(xiàn)，引起相鄰變壓器差動(dòng)誤動(dòng)。針對(duì)這種情況，考慮通過PSCAD仿真軟件對(duì)變壓器涌流的影響進(jìn)行分析和評(píng)估，給出規(guī)避沖擊的建議。

1 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理

2.1 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生過程

電力變壓器自身都有飽和磁通，其數(shù)值一般為Фs=1.15～1.40[2]。變壓器送電前，其內(nèi)部磁通只有剩磁，其數(shù)值大小、極性與分閘時(shí)刻的穩(wěn)態(tài)磁通有關(guān)[3]。合閘時(shí)會(huì)有穩(wěn)態(tài)磁通產(chǎn)生，但是根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣ɡ?，由于磁通不能突變[4]，這時(shí)必然有一個(gè)與穩(wěn)態(tài)磁通相抵消的暫態(tài)磁通產(chǎn)生。當(dāng)他們的合成磁通超過飽和磁通后，變壓器的初級(jí)繞組電抗急劇下降，進(jìn)而產(chǎn)生很大峰值的勵(lì)磁涌流[5]。

1.2 和應(yīng)涌流產(chǎn)生過程

當(dāng)接地變壓器合閘時(shí)，其產(chǎn)生的涌流的零序分量會(huì)流入相鄰并聯(lián)運(yùn)行的變壓器，接著在并聯(lián)運(yùn)行的變壓器中產(chǎn)生和應(yīng)涌流[6]。和應(yīng)涌流都是在供電電壓的動(dòng)態(tài)幅值較大的時(shí)候發(fā)生，恰好此時(shí)勵(lì)磁涌流也達(dá)到最大值。勵(lì)磁涌流及應(yīng)涌流交替出現(xiàn)[7]。和應(yīng)涌流一般出現(xiàn)在運(yùn)行的變壓器中，而該運(yùn)行變壓器正好處在一個(gè)與空載合閘的變壓器并列的位置或者在空載合閘變壓器的上一級(jí)。當(dāng)一臺(tái)變壓器空載合閘時(shí)，另一臺(tái)變壓器產(chǎn)生和應(yīng)涌流[8]。

2 仿真分析

PSCAD/EMTDC是目前電力系統(tǒng)常用的電磁暫態(tài)仿真軟件，對(duì)變壓器仿真有經(jīng)典方法和統(tǒng)一的磁等效電路(UMEC)方法，這里采用經(jīng)典模型進(jìn)行仿真。

2.1 勵(lì)磁涌流的仿真分析

為了變壓器更直觀的分析勵(lì)磁涌流倍數(shù)，本組仿真的變壓器容量(見圖1)設(shè)置為18.168 MW，在10.5 kV側(cè)的額定電流就是1 kA。

利用恒流源模擬剩磁大小，以此對(duì)勵(lì)磁涌流實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算。

在剩磁為0的情況下，改變電壓的合閘角度，觀察勵(lì)磁涌流變化。

仿真得到波形見圖1。

1)在線路電阻為1 Ω，剩磁為0時(shí)的不同合閘角度對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁涌流情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 諧波含量和間斷角

圖1 仿真組合

圖2 勵(lì)磁涌流波形

2)在電源阻抗為1 Ω，合閘角度為0°時(shí)，不同剩磁(為空載勵(lì)磁電流百分比)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁涌流情況統(tǒng)計(jì)見表2。

3)調(diào)整電源阻抗大小，其他2項(xiàng)都為0的情況下，勵(lì)磁涌流情況統(tǒng)計(jì)見表3。

4)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)保持不變，改變變壓器接線方式，得到勵(lì)磁涌流數(shù)據(jù)見表4。

表2 剩磁不同時(shí)的涌流倍數(shù)

表3 系統(tǒng)內(nèi)阻不同時(shí)的涌流倍數(shù)

表4 變壓器組別不同時(shí)的涌流倍數(shù)

分析上述的數(shù)據(jù)，得出結(jié)論如下。

1)單側(cè)周期性尖頂波。

2)波形不連續(xù)。

3)大小與電壓合閘角度密切相關(guān)；

4)二次諧波含量占比大，達(dá)到44.7%。

5)與剩磁的大小和方向關(guān)系密切。

6)系統(tǒng)回路的電阻與勵(lì)磁涌流關(guān)系密切，通過在回路中串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮杩梢詷O大地降低勵(lì)磁涌流的峰值。

7)變壓器在星型接線方式下的勵(lì)磁涌流大于角型接線方式，且星型接線方式時(shí)中性點(diǎn)接地的勵(lì)磁涌流大于不接地的情況。

8)涌流數(shù)值大小與變壓器組別沒有關(guān)系。

2.2 和應(yīng)涌流的仿真分析

采用與海洋石油平臺(tái)微電網(wǎng)相似的參數(shù)搭建和應(yīng)涌流的仿真模型，將變壓器的容量設(shè)置為18.168 MVA。如圖3所示。

圖3 和應(yīng)涌流仿真原理

仿真得到波形見圖4。

圖4 運(yùn)行變帶載仿真結(jié)果

通過T1和T2接線組別及接地與否的排列組合，統(tǒng)計(jì)勵(lì)磁涌流和和應(yīng)涌流見表5。

表5 2變壓器不同組別對(duì)應(yīng)的涌流倍數(shù)

其中，2臺(tái)變壓器10.5 kV側(cè)全是角型接線時(shí)，A和B 2相產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流及應(yīng)涌流峰值相等并對(duì)稱分布，見圖5。

圖5 運(yùn)行變空載仿真結(jié)果

上述仿真表明和應(yīng)涌流具有如下特點(diǎn)。

1)勵(lì)磁涌流發(fā)生后，和應(yīng)涌流接著出現(xiàn)，他們之間一前一后變化，且相互之間的方向相反。

2)和應(yīng)涌流在勵(lì)磁涌流出現(xiàn)后產(chǎn)生[9]，經(jīng)過一個(gè)階段才慢慢達(dá)到最大值。

3)采用接地方式，其數(shù)值大于不接地方式。

4)采用星形接地方式，其數(shù)值大于角接方式。

5)采用星型不接地方式產(chǎn)生的涌流最小。

2.3 變壓器串并聯(lián)的沖擊仿真分析

由于海洋石油平臺(tái)組網(wǎng)運(yùn)行，各中心電站平臺(tái)用于組網(wǎng)的變壓器一般都是2臺(tái)互為備用，有的則是3臺(tái)互為備用。運(yùn)行變壓器要檢修保養(yǎng)的時(shí)候，平臺(tái)方就要啟用備用變壓器掛網(wǎng)運(yùn)行，這就涉及到2種送電方式：一種是正向送電實(shí)現(xiàn)2臺(tái)并列運(yùn)行后再退出另一臺(tái)；另一種是反向送電實(shí)現(xiàn)2臺(tái)并列后再退出另一臺(tái)。

結(jié)果對(duì)上述2種仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以此判斷何種方式的勵(lì)磁涌流沖擊最小。反向送電得出的數(shù)據(jù)見表6。

表6 中性點(diǎn)接地與否對(duì)應(yīng)涌流的倍數(shù)

分析上述數(shù)據(jù)可知，2臺(tái)并列使用的變壓器在進(jìn)行送電的時(shí)候，順序合閘變壓器對(duì)系統(tǒng)的沖擊要比通過其中一臺(tái)變壓器給另一臺(tái)反送電導(dǎo)致的沖擊要大一倍。

3 結(jié)論

1)選用合適的涌流抑制器，可最大限度地降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

2)針對(duì)空載合閘時(shí)發(fā)生的差動(dòng)誤動(dòng)作問題，可以在合閘時(shí)臨時(shí)將該保護(hù)屏蔽。

3)條件允許的情況下，選用軟啟動(dòng)器給變壓器上電，可以完全消除勵(lì)磁涌流。

4)多開一臺(tái)發(fā)電機(jī)，保證充足的熱備容量，可以降低勵(lì)磁涌流的沖擊風(fēng)險(xiǎn)。

5)給停用的組網(wǎng)變壓器送電時(shí)，采用通過其并聯(lián)的變壓器反送電，可將勵(lì)磁涌流降低到2倍以下。

[1] 張琦兵，邰能靈，王鵬，等．船舶變壓器預(yù)充磁分析研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010(18)：145-149．

[2] 張榮海．變壓器勵(lì)磁涌流的識(shí)別與抑制技術(shù)研究[D]．重慶：重慶大學(xué)，2010．

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[7] 劉建利．變壓器涌流問題及識(shí)別方法研究[D]．江蘇：江蘇大學(xué)，2010．

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Analysis of Transformer Simulation Based on PSCAD

LIUWei-yu,YAOChang-long

(CNOOC Equipment Technology Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

The simulation model of transformer was established by PSCAD for the offshore oil platform micro grid, to analyze the inrush current of transformer under different condition. By adjusting grounding mode, wiring group, closing angle, remanence and system impedance of the transformer, the changes inrush current and surge inrush was observed and recorded. The quantification of no-load of transformer under different conditions was given, and the corresponding measures of no-load transformer risk aversion was put forward, providing a reliable means of operation for oil platform for the safe operation of power grid.

oil platform; transformer; no-load close; inrush current; PSCAD; surge inrush

U665.1

A

1671-7953(2017)05-0123-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.033

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.032

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

劉為玉(1983—)，男，學(xué)士，中級(jí)工程師

研究方向：電力系統(tǒng)