羅來龍， 王超， 陳禹志， 徐攀峰， 文芳， 覃文繼， 孫曉佳

(1.國網(wǎng)西藏電力有限公司， 西藏 拉薩850000；2.國網(wǎng)西藏電力有限公司電力科學(xué)研究院， 西藏 拉薩850000)

0 引言

主變并列運(yùn)行具有提高電力系統(tǒng)供電可靠性、方便系統(tǒng)擴(kuò)容等優(yōu)點(diǎn)， 在電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用[1-7]。 但兩臺(tái)主變并聯(lián)運(yùn)行須嚴(yán)格滿足接線組別相同、 變比相同(允許誤差0.5%)、 短路電壓相等 (允許誤差10%) 等條件， 否則將在并列運(yùn)行的兩臺(tái)主變之間產(chǎn)生環(huán)流， 影響主變供電容量， 造成主變過載， 威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

調(diào)節(jié)變壓器分接頭檔位、 投退無功補(bǔ)償設(shè)備、優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行方式等是電網(wǎng)企業(yè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓水平的有效舉措， 在系統(tǒng)電壓隨負(fù)荷情況等波動(dòng)時(shí)， 調(diào)度機(jī)構(gòu)通過合理的調(diào)壓措施選擇可及時(shí)將各站點(diǎn)電壓水平穩(wěn)定在正常運(yùn)行范圍內(nèi)[8-15]。 但若調(diào)壓措施執(zhí)行不當(dāng)， 未能匹配系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行方式， 可能造成功率異常傳輸， 影響系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及繼電保護(hù)動(dòng)作。 文章基于一起事故案例， 詳細(xì)分析通過調(diào)節(jié)變壓器分接頭檔位改善系統(tǒng)電壓水平時(shí)， 主變并列運(yùn)行條件破壞導(dǎo)致主變高后備保護(hù)動(dòng)作的機(jī)理， 并通過仿真對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 案例分析

1.1 事故前系統(tǒng)運(yùn)行方式

案例中變電站主接線如圖1 所示。 該變電站包含型號(hào)同為SSZ11-10000/110 的兩臺(tái)主變壓器，容量為10 000/10 000/10 000 kVA， 電壓組合為110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5 kV。 事故發(fā)生前， 該站110 kV 041 和042 線路運(yùn)行， 012 斷路器運(yùn)行； 35 kV 544 線路運(yùn)行， 541―543 線路間隔冷備用， 512 斷路器運(yùn)行； 10 kV 142 線路運(yùn)行，141、 143―148 線路間隔停運(yùn)， 171、 173、 174 間隔低壓電抗器在運(yùn)行狀態(tài)， 172 間隔電抗器未投運(yùn)， 4011 站用變間隔運(yùn)行， 112 斷路器運(yùn)行。 此外， 1 號(hào)主變高壓側(cè)分接頭檔位為10 檔， 2 號(hào)主變分接頭檔位為8 檔； 兩臺(tái)主變110 kV 和35 kV 中性點(diǎn)均未接地。

圖1 案例相關(guān)的變電站主接線

1.2 事故過程簡述

2020 年某日12:55， 該變電站110 kV 母線電壓躍升至120.23 kV， 超出電壓正常運(yùn)行允許范圍； 同時(shí)該變電站10 kV 母線電壓偏低， 為10.1 kV。 為將10 kV 母線電壓控制到正常運(yùn)行范圍以內(nèi)， 當(dāng)值調(diào)度員選擇調(diào)高變壓器檔位， 以期在提高該變電站10 kV 母線電壓后投入該站2 號(hào)低壓電抗器。 12:58， 將1 號(hào)主變檔位從10 檔調(diào)節(jié)至16 檔； 13:01， 1 號(hào)主變高后備復(fù)壓過流Ⅲ段動(dòng)作跳開1 號(hào)主變?nèi)齻?cè)。 現(xiàn)場檢查主變本體未發(fā)生故障， 巡線結(jié)果顯示中低壓側(cè)線路未發(fā)生故障。

1.3 事故原因分析

該站主變保護(hù)為主后分體式保護(hù)裝置， 差動(dòng)保護(hù)裝置型號(hào)為IPAC-5741， 高、 中、 低壓側(cè)后備保護(hù)裝置型號(hào)均為IPAC-5742。 事故發(fā)生時(shí)， 站內(nèi)故障錄波器損壞， 未抓取到故障時(shí)刻波形； 主變高后備保護(hù)裝置錄波功能異常， 未錄到動(dòng)作波形， 僅錄到啟動(dòng)波形， 如圖2 所示； 主變中、 低后備保護(hù)均未錄到波形。 圖2 顯示， 故障時(shí)主變高壓側(cè)電流三相對(duì)稱， 三相電壓正常， 呈過載特征。 由于事故分析依據(jù)有限， 只能基于SCADA、 WAMS 和保護(hù)動(dòng)作報(bào)文等定性推演事故過程， 但電磁暫態(tài)仿真結(jié)果驗(yàn)證了推演的合理性。

圖2 跳閘前主變高后備保護(hù)啟動(dòng)錄波

事故發(fā)生前， 544 和142 線路負(fù)荷輕， 主變所帶負(fù)荷主要為171、 173、 174 三臺(tái)低壓電抗器的感性無功負(fù)荷， 每臺(tái)低壓電抗器的容量為4.2 Mvar。查閱SCADA 系統(tǒng)獲知， 1 號(hào)主變調(diào)檔之前兩臺(tái)主變的無功功率分布就不均衡， 1 號(hào)主變無功功率消耗高于2 號(hào)主變， 如圖3 所示。

圖3 SCADA 系統(tǒng)所示主變高、 中壓側(cè)無功

調(diào)檔前1 號(hào)主變檔位高于2 號(hào)主變， 1 號(hào)主變中壓側(cè)電壓高于2 號(hào)主變， 在兩臺(tái)主變中壓側(cè)、 兩段母線的閉合回路中形成電流， 感應(yīng)到高壓側(cè)之后， 將在兩臺(tái)主變及高、 中壓側(cè)母線之間產(chǎn)生環(huán)流， 如圖4 所示。 圖4 中，I1和I2分別為高、 中壓側(cè)的環(huán)流， I3為總環(huán)流。 環(huán)流不流向負(fù)荷， 僅在兩臺(tái)主變之間的并聯(lián)回路中流通， 因此主要表現(xiàn)為無功電流。 由于1 號(hào)主變檔位高， 環(huán)流由1 號(hào)主變流向2 號(hào)主變， 該電流與1 號(hào)主變負(fù)荷電流方向相同， 與2 號(hào)主變負(fù)荷電流方向相反， 由此造成1 號(hào)主變無功高于2 號(hào)主變。 需要說明的是， 單純從圖4 來看， I3回路中沒有電源點(diǎn)， 按照基爾霍夫電壓定律， I3應(yīng)該為零； 但實(shí)際上， I3回路是由兩個(gè)大電網(wǎng)系統(tǒng)的一部分并聯(lián)構(gòu)成的， 兩臺(tái)主變受系統(tǒng)電源電壓支撐， 成為I3回路中的電源點(diǎn)， 這是環(huán)流產(chǎn)生的基礎(chǔ)。 同樣的原理， 主變高壓側(cè)和主變低壓側(cè)之間也將產(chǎn)生環(huán)流， 即在主變?nèi)齻?cè)中均有環(huán)流， 高壓側(cè)環(huán)流是中、 低壓側(cè)環(huán)流之和。

圖4 環(huán)流流向圖

進(jìn)一步分析圖3， 在調(diào)檔之后， 1 號(hào)主變高、中壓側(cè)無功功率突增， 2 號(hào)主變高、 中壓側(cè)無功功率突減， 兩臺(tái)主變低壓側(cè)無功功率未發(fā)生突變。 原因在于僅對(duì)1 號(hào)主變調(diào)檔， 導(dǎo)致兩臺(tái)主變檔位差和電壓比差進(jìn)一步拉大， 高、 中壓側(cè)環(huán)流隨之增加。調(diào)檔后2 號(hào)主變高壓側(cè)無功功率方向仍為正方向，中壓側(cè)無功功率方向?yàn)榉捶较颍?說明環(huán)流小于高壓側(cè)負(fù)荷電流， 大于中壓側(cè)負(fù)荷電流， 這和35 kV 側(cè)負(fù)荷輕、 10 kV 側(cè)負(fù)荷重情況吻合。

主變高后備保護(hù)配置了三段過流保護(hù)， Ⅰ段和Ⅱ段帶復(fù)壓閉鎖， Ⅲ段不帶復(fù)壓閉鎖， Ⅲ段動(dòng)作值均為1.73 A， 即1.378 倍額定電流； 中后備保護(hù)配置了四段過流保護(hù)， Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ段均經(jīng)復(fù)壓閉鎖，Ⅳ段不帶復(fù)壓閉鎖， Ⅳ段動(dòng)作值為1.65 A， 即1.32 倍額定電流； 低壓側(cè)配置了四段過流保護(hù)，前三段經(jīng)復(fù)壓閉鎖， Ⅳ不經(jīng)復(fù)壓閉鎖， Ⅳ動(dòng)作值為3.0A， 即1.31 倍額定電流。 由于沒有錄波文件支撐， 進(jìn)一步調(diào)取數(shù)據(jù)精度相對(duì)更高的WAMS 故障數(shù)據(jù)， 如圖5 所示。 圖5 顯示， 隨著分接頭調(diào)節(jié)，兩臺(tái)主變無功分配逐步突變， 當(dāng)分接頭調(diào)至最后一檔時(shí)， 1 號(hào)主變無功消耗突然上升至略高于14 Mvar， 大于主變?nèi)萘康?.4 倍， 導(dǎo)致1 號(hào)主變高后備保護(hù)Ⅲ段動(dòng)作。 需要說明的是， 按標(biāo)幺值來算， 低后備過流Ⅳ段定值低于高后備過流Ⅲ段， 但低后備過流Ⅳ段未動(dòng)作， 原因在于高壓側(cè)無功為低壓側(cè)無功負(fù)荷、 主變無功損耗、 高中壓側(cè)環(huán)流無功、 高低壓側(cè)環(huán)流無功之和， 調(diào)節(jié)檔位后高中壓側(cè)環(huán)流突增， 該電流不流經(jīng)主變低壓側(cè)， 因而主變低后備保護(hù)未動(dòng)作。 同時(shí)， 主變中壓側(cè)負(fù)荷輕， 加上故障時(shí)流過的環(huán)流仍未達(dá)到動(dòng)作值， 因而未動(dòng)作。此外， 由于三相電壓正常， 帶復(fù)壓閉鎖的過流保護(hù)功能都不會(huì)動(dòng)作。

圖5 WAMS 系統(tǒng)主變無功

綜上所述， 1 號(hào)主變高后備保護(hù)動(dòng)作是由于調(diào)壓措施執(zhí)行不當(dāng)， 嚴(yán)重破壞主變并聯(lián)運(yùn)行條件， 導(dǎo)致并聯(lián)主變高中、 高低壓側(cè)產(chǎn)生環(huán)流， 造成兩臺(tái)主變負(fù)荷分配不均及變比小主變無功損耗增大， 導(dǎo)致1 號(hào)主變高后備保護(hù)動(dòng)作， 保護(hù)動(dòng)作行為正確。

2 仿真驗(yàn)證

基于PSCAD 仿真平臺(tái)構(gòu)建了圖6 所示的仿真模型。 圖中包含兩臺(tái)并列運(yùn)行的110 kV 有載調(diào)壓主變壓器， 調(diào)壓1 對(duì)應(yīng)1 號(hào)主變， 調(diào)壓2 對(duì)應(yīng)2 號(hào)主變， 繞組1 號(hào)為高壓側(cè)， 繞組2 號(hào)為中壓側(cè)， 繞組3 號(hào)為低壓側(cè)。 每臺(tái)主變高中、 高低、 中低額定短路阻抗分別為10.24%、 17.91%和6.29%， 與案例實(shí)際一致。 分接頭共9 檔， 每一檔調(diào)壓比為2.5%， 為實(shí)際主變一檔調(diào)壓比的兩倍。

圖6 仿真模型

事故案例1 號(hào)主變檔位調(diào)節(jié)了6 檔， 但調(diào)檔之前兩臺(tái)主變檔位就不一致， 本次仿真初始狀態(tài)兩臺(tái)主變檔位相同， 因此相應(yīng)地需要調(diào)四檔。 基于該模型的仿真結(jié)果如圖7 所示。 P1、 Q1和P2、 Q2分別為1 號(hào)主變高壓側(cè)和低壓側(cè)有功和無功功率， P3、Q3分別為2 號(hào)主變高壓側(cè)有功和無功功率， P4、Q4分別為2 號(hào)主變低壓側(cè)有功和無功功率， P5、Q5分別為1 號(hào)主變中壓側(cè)流向2 號(hào)主變中壓側(cè)有功和無功功率。 圖7 表明， 調(diào)檔前， 兩臺(tái)主變的有功和無功功率完全相同， 兩臺(tái)主變中壓側(cè)之間未產(chǎn)生電流； 隨著1 號(hào)主變檔位的逐步升高， 在其他條件不變的情況下， 兩臺(tái)主變輸出的無功和有功功率產(chǎn)生差異， 且差異逐漸增大， 1 號(hào)主變輸出高于2號(hào)主變； 對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 高中壓側(cè)和高低壓側(cè)均產(chǎn)生了環(huán)流， 但中壓側(cè)環(huán)流高于低壓側(cè)。

在圖7 的基礎(chǔ)上， 將2 號(hào)主變檔位降至1 檔，仿真結(jié)果如圖8 所示。 圖8 中， 2 號(hào)主變高壓側(cè)無功功率為反方向， 1 號(hào)主變中壓側(cè)流向2 號(hào)主變的無功功率較大， 兩臺(tái)主變低壓側(cè)無功功率均為正方向。 該圖說明， 造成Q3反向的主要原因是Q5增大。 2 號(hào)主變高壓側(cè)無功功率反向更加可靠地證實(shí)了兩臺(tái)主變之間存在環(huán)流。

圖7 和圖8 仿真結(jié)果表明， 兩臺(tái)主變并列運(yùn)行， 僅調(diào)節(jié)其中一臺(tái)主變檔位的做法將使兩臺(tái)主變之間產(chǎn)生環(huán)流， 且環(huán)流隨著檔位差增大而增大， 可能造成變比小的主變過載， 甚至過流保護(hù)動(dòng)作。 此外， 在仿真所用主變各側(cè)阻抗參數(shù)條件下，高中壓側(cè)環(huán)流大于高低壓側(cè)環(huán)流， 與案例實(shí)際一致。

圖7 1 號(hào)主變調(diào)檔、 2 號(hào)主變5 檔時(shí)的仿真波形

圖8 1 號(hào)主變9 檔、 2 號(hào)主變1 檔時(shí)的仿真波形

3 結(jié)語

文章基于事故案例分析和電磁暫態(tài)仿真， 說明兩臺(tái)主變不滿足并列條件運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生環(huán)流， 特別是當(dāng)變比相差較大時(shí)， 除了造成并聯(lián)運(yùn)行主變負(fù)荷分配不均， 還將給主變帶來額外的無功損耗， 并可能導(dǎo)致變比小的主變后備保護(hù)誤動(dòng)， 須引起足夠警醒。 電網(wǎng)運(yùn)行企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)人員培訓(xùn)， 合理安排各變電站主變運(yùn)行檔位， 調(diào)檔時(shí)需兩臺(tái)主變輪流逐級(jí)調(diào)檔， 確保主變始終滿足并列運(yùn)行條件。