特高压变压器UK%的选择对运行电压的影响分析

孙鸣，门富媛，吴俊玲，石婷婷（.合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥30009；．中国电力科学研究院，北京009）

特高压变压器UK%的选择对运行电压的影响分析

孙鸣1，门富媛1，吴俊玲2，石婷婷1
（1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥230009；2．中国电力科学研究院，北京100192）

特高压变压器是特高压电网的重要设备，其短路电压百分比UK%的选择会影响到电网的多个指标。在1 000 kV变电站的模拟系统平台，采用理论计算方法分析了特高压变压器UK%的变化对1 000 kV系统注入500 kV母线的短路电流值的影响；兼顾变压器负载率的改变和是否通过第3绕组进行无功补偿两个方面，通过选取特定范围内的变压器不同的UK%值，运用PSCAD仿真软件，分析和讨论了500 kV母线电压变化情况，得出特高压变压器UK%为15%～23%时任何值均能通过无功补偿或有载调压将500 kV母线电压控制在515～530 kV的范围内的结论。此工作可为特高压变压器UK%的选择提供一定的参考。

特高压（UHV）；变压器；短路电压百分比UK%；短路电流；运行电压；无功损耗；无功补偿；有载调压

特高压输电具有输送容量大、线路损耗小等优点，适合远距离超大容量输电，特高压输电技术的应用不仅能够满足未来我国电网规模逐步扩大、跨区联网的要求，还能使资源达到最优化配置[1-2]。

近年来，我国部分省区负荷密度持续增长，其500 kV电网存在着扩大电源容量后可能造成短路电流超过断路器额定遮断容量的问题[3-4]。因此，要通过1 000 kV特高压电网接入来满足这类500 kV电网未来负荷增长的需求，则有必要对500 kV母线的短路电流水平加以控制。根据部分国外电网的运行经验，变压器的短路电压百分比UK%一般采用10%～14%，而大容量火电厂、核电厂的变压器的UK%则为20%左右，长三角地区新建电厂要求其变压器的短路电压百分比由常规的13.5%左右升高至18%～23%，新建变电站要求其500 kV变压器的UK%由常规的13%左右升高到16%～20%[5-7]。

尽管高阻抗变压器对短路电流有明显的抑制作用，但高短路电压百分比增大了系统的相角差，不利于系统的静态稳定；同时还增大了无功损耗和电压降落，会对电网运行电压的质量带来不利影响。为此，本文从限制短路电流、变压器是否进行无功补偿等方面来探讨有关交流特高压变压器UK%的选择对500 kV母线运行电压影响的问题。

1 1000kV特高压变电站独立分区电网模型

图1为1 000 kV特高压变电站独立分区电网简图，其中B1050和B525分别为1 000 kV和500 kV母线，XS为1 000 kV系统的等值电抗，ST1、UK1%和ST2、UK2%分别为1000 kV变电站中同类型变压器的容量和短路电压百分比，XL为地方电厂至分区1 000 kV变电站的线路等值电抗，SL=PL+j QL为500 kV侧带的负荷，ST3、UK3%为500 kV侧地方电厂的升压变压器的容量和短路电压百分比。

为便于分析，假定系统满足如下条件：①电网中电阻远小于电抗，即忽略电网和主变中电阻的影响；②因500 kV母线两相接地短路电流水平一般相对较低，单相接地短路电流水平可以通过在主变中性点加装小电抗使其降低到与三相短路电流相近，故仅对变电站母线三相短路进行分析。

图1 1 000 kV变电站独立分区电网接线简图Fig.1 SiMplified w iring diagraMof 1 000 kV substation indepenent partition

2 特高压变压器UK%的选择对500 kV母线短路电流限制作用的分析

在图1所示的1 000 kV变电站独立分区电网中，Uk1%=Uk2%=UK%，ST1=ST2=ST。

采用标幺值法进行短路电流计算，取功率基值SB为100MVA，电压基值UB为变压器的额定电压UN，可得电流和阻抗的基准值分别为

当500 kV母线故障时，1 000 kV系统通过变压器向500 kV母线B525注入的短路电流

由式（3）可知，1 000 kV系统通过变压器注入500 kV系统的短路电流和1 000 kV系统的短路容量、变压器的容量和短路电压百分比有关。

将变电站中每台特高压变压器的额定容量取为3 000MVA，额定电压取为1 050 kV/525（1±4× 1.25%）kV。在1 000 kV系统短路电流为10～60 kA（特高压断路器遮断电流取为63 kA）范围内的整数值所对应的系统的短路容量下，取不同的短路电压百分比计算由1 000 kV系统注入500 kV母线的短路电流。本文以特高压交流试验示范工程及其扩建工程采用的变压器UK%=18%为参考，并考虑到现有的制造能力，将特高压变压器UK%的范围设定为15%～23%。代入有关参数进行计算，并将计算结果通过公式转换为有效值，计算结果如表1所示。其中转换公式为

由表1数据可知，当变压器短路电压百分比由15%增加到23%时，即便在1 000 kV系统短路电流为60 kA所对应的短路容量下，1 000 kV系统向500 kV母线注入的短路电流均低于33 kA。如果500 kV电网断路器额定遮断电流按照50 kA确定，那么，在两台并列运行的主变总容量为6 000 MVA的情况下，取变压器的短路电压百分比为下限值15%，1 000 kV系统注入500 kV母线的最大短路电流都不大于500 kV断路器额定遮断电流的70%，因此，是否要选择更大的短路电压百分比取决于该变电站500 kV母线所连接的电网自身的电源容量大小以及负荷容量大小。

为方便计算，图1中的1 000 kV变电站独立分区电网中，用不同容量的机组向500 kV母线提供短路电流来替代含电源线路（分区电源）对500 kV母线提供的短路电流。当地方电厂接入4台1 000MW机组时，在1 000 kV系统最大短路容量情况下，经计算1 000 kV系统和地方电厂共同向500 kV母线注入的最大短路电流接近50 kA。由此可见，当该变电站500 kV母线系统所供的负荷容量远大于2台变压器容量时，则地方电厂接入该母线系统的1 000MW机组数将大于4台，此时可根据具体情况并参照表1适当增大变压器短路电压百分比，以达到限制短路电流的作用。

由电力系统潮流计算基础知识可知，在负荷不变的情况下，增大变压器UK%也会增大电压的跌落值，因此，有必要研究特高压变压器UK%的变化对500 kV母线电压的影响。

表1 1000 kV系统注入500 kV母线的短路电流Tab.1 Short circuit currents froM1 000 kV systeMto 500 kV bus

图2 1 000 kV变电站仿真Fig.2 1 000 kV substation simulation diagram

3 特高压变压器UK%的变化对500 kV母线电压影响的分析

输电系统的节点电压控制是电力系统安全稳定运行的重要保证。目前，安徽电网要求500 kV等级电网各节点电压控制在510～525 kV[8]，华中电网则要求控制在510～540 kV[9]。考虑到各地特高压电网对运行电压要求的差异，以及超高压变电站的电压调节范围[10]，本节取电压调节范围为515～530 kV。本节拟通过仿真运算来分析特高压变压器UK%的选择对500 kV母线运行电压的影响。

在PSCAD仿真平台下，搭建如图1所示的特高压系统模型（如图2所示），1 050 kV的电压源（等效为1 000 kV系统）连接双回输电线路，输电线路每km电抗和充电功率分别为0.254 7Ω和4.987 6Mvar，长度设为300 kM，考虑增设串补和高抗后的等效电抗为19.103Ω。每台变压器的额定容量和额定电压分别为3 000MVA和1 050 kV/ 525（1±4×1.25%）kV[11]。

变压器有载调压开关位于中间位置（即变比K=1 050/525）时，保持负荷的功率因数0.98不变，分别测得短路电压百分比在15%～23%的范围内，变压器通过不同的负荷值（负荷率β从20%增至90%）时500 kV母线的电压值，结果如表2所示。

分析表2中数据可见，随着负荷和短路电压百分比的增大，500 kV电压呈下降趋势。当负荷率不高于40%时，UK%取最大值亦满足要求；当负荷率为50%及以上时，若UK%≥19%，500 kV母线电压则不能满足下限515 kV的要求。

需要注意的是，表2中的数据是建立在特高压（1 000 kV）线路经串补和并联高抗之后、1 000 kV系统的短路电流为31.736 kA的条件下所得到的。当1 000 kV短路电流水平更低，且特高压变压器UK%超过18%后，如不采取必要的措施500 kV母线运行电压将难以控制。

表2 K=1 050/525时不同负载情况下各短路阻抗比对应的500 kV侧电压Tab.2 Corresponding 500 kV side voltage atdifferent load casesand various short-circuit iMpedance of transformer w ith ratio K=1 050/525

作为一种较简单的调压方式，有载调压通过改变变压器的变比，可以在一定程度上改变500 kV侧的电压水平。但有载调压并不总是有益的，当系统无功缺额较大，而负荷侧电压偏低时，如果通过增大变压器的变比来使负荷侧电压升高，势必会加大高压侧对电网无功的需求，从而使高压侧电压严重下降，可能引起电压的崩溃，不利于暂态电压稳定性[12]。这时，可以考虑系统的无功[13]情况，从根本解决电压水平较低的问题。而同样由电力系统潮流计算基础知识可知，在同一负荷下，变压器的无功损耗的增加亦会使得变压器上的电压降落增大，从而导致500 kV母线电压降低。因此，若能对变压器的无功损耗进行补偿，就会改善500 kV母线电压的状况。

4 无功补偿后500 kV母线电压

4.1 不同UK%时特高压变压器的无功损耗

单台变压器的无功损耗QT包括励磁损耗ΔQ0和漏抗损耗ΔQT，即

式中：I0%为变压器空载电流百分比；SN为变压器的额定容量；β为变压器的负载率[14]。

由于励磁的无功损耗相对较小，计算时予以忽略，即变压器的无功损耗为

改变变压器的负载率，计算在不同UK%下的变压器的无功损耗，计算结果如表3所示。

由表3可知，对于同一短路电压百分比的变压器，其无功损耗随着负载率的增大而增大；当负载率一定时，其无功损耗随着短路电压百分比的增大而增大。当变压器负载率较大时，选用较高短路电压百分比的变压器会产生很大的无功损耗。

4.2 无功补偿后的500 kV母线电压

在1 000 kV晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程中，特高压变电站的每台变压器第3绕组110 kV低压侧配置了最大容量为4×210 Mvar（额定电压126 kV）的无功补偿装置[15]，折算到110 kV后为每组补偿容量为175Mvar。参考此种配置，利用图3所示的仿真模型，参照表3中的数据再次进行仿真。由表3，在负载率20%～50%及60%下，短路电压百分比为15%、16%时不投电容器；在负载率60%～80%的区域中，单台变压器无功损耗大于175Mvar，每台投1组电容器；在负载率80%和90%加粗的数据区域内单台变压器投入2组电容器，即补偿无功350Mvar；负载率90%网格阴影加粗的数据区域单台变压器投入3组电容器，即单台补偿无功525Mvar。

按照以上原则进行无功补偿之后，重新得到的500 kV母线的电压情况如表4所示。由表可知，进行无功补偿后，相对于表2中的电压情况，500 kV母线电压已显著提高。

表3 各负载率情况下不同短路电压百分比的变压器的无功损耗Tab.3 Transformer reactive power lossof variousshort circuit voltage percentagew ith different load

表4 无功补偿后各短路阻抗比对应的500 kV侧电压Tab.4 Corresponding 500 kV side voltage at different load casesand various short-circuit iMpedance coMpensation

5 结果讨论

本文在考虑1 000 kV系统的系统容量、特高压变压器容量和负荷率的前提下，分析了特高压变压器UK%在15%～23%的范围内变化时对500 kV母线注入的短路电流大小的限制作用，并进一步讨论了UK%相对大、小值的选取还应计及500 kV母线所接的含源线路、负荷需求的因素。在此基础上，计算了UK%相对大、小值的选取对500 kV母线电压的影响。第4节又对变压器无功损耗进行补偿后的500 kV母线的电压进行了分析。本节将针对表4的结果兼顾变压器的负荷变化率和无功补偿两个方面，对交流特高压变压器UK%相对大、小值的选取加以讨论。

5.1 负载率20%～50%时UK%的选取

当变压器的负载率在20%～50%的范围内，不同的UK%对应的无功损耗均未达到175Mvar，不需要进行无功补偿，500 kV母线的电压情况同表2。在20%～40%负载率下，各短路电压百分比下的变压器对应的500 kV母线电压均不低于515 kV，满足电压质量的要求。由此，若变压器的负荷率不会高于40%，即便选择UK%为23%，500 kV母线电压亦能够满足要求。

当变压器的负载率为50%时，选择UK%不高于18%，同样无需任何调整即能够保证500 kV母线电压不低于下限515 kV。考虑到特高压电网发展中期的合理负载比例，当两台变压器并列运行时，负载率一般在50%左右，此时可以通过调节变压器的分接触头来调整变压器的变比，从而改善500 kV母线电压水平。

表5为变压器带50%负载情况下，调压开关分别上调I档和II档时所测得的500 kV母线电压值。由表5可见，变压器带正常负载即50%负载率情况下，以525 kV电压为参考，变压器短路电压百分比在15%～18%时，调压开关上调I档可以满足要求；变压器短路电压百分比在19%～23%时，调压开关上调II档母线电压较接近525 kV的最佳运行电压。可见，通过有载调压手段UK%选择指定范围内的任何值，500 kV母线电压均能满足要求。

5.2 负载率60%～80%时UK%的选取

在负载率60%且变压器UK%≥17%，负载率70%、80%且UK%≤17%这3种情况，需要投入一组电容器进行无功补偿，补偿后电压质量显著提高，且电压质量较好，与不进行无功补偿时20%～ 40%负载率对应的电压情况相当。因此，UK%在这3种情况对应的范围内选取，500 kV母线电压均能满足要求。

5.3 负载率90%时各电压情况的分析

2台并列运行的变压器在一台检修时，另一台变压器的负载率有可能提高到90%，虽然投入2组或3组电容器，电压水平显著提高但电压质量仍然较低，可通过调节分接头改善电压情况，故UK%可选择指定范围内的任何值。

综合上述3种情景，通过有载调压和无功补偿等手段，交流特高压变压器UK%在15%～23%的范围内取任何值500 kV母线电压均能满足要求。但是，进一步研读表4的数据可以发现：取UK%≤18%，无需有载调压500 kV母线电压也能满足要求，这非常有益于变压器的安全运行。因此，在断路器能够满足断流条件的情况下，应尽可能取UK%≤18%。

表5 不同分接头位置下各短路电压百分比对应的50%负荷时的500 kV母线电压Tab.5 Voltageof the500 kV busatdifferent tap positions of variousshort circuit voltage percentage corresponding to 50%of load

6 结论

本文以1 000 kV特高压变电站独立分区电网的模拟系统为样本，分析了特高压变电站2台并列运行的特高压变压器（总容量为6 000MVA）的UK%的选择对短路电流的限制作用和对500 kV母线运行电压的影响。

（1）1 000 kV系统的短路容量对制约500 kV母线的短路电流有明显作用，1 000 kV系统的短路容量约为55GVA且特高压变压器UK%=15%时，向500 kV母线注入的短路电流和1 000 kV系统短路容量约为109 GVA且特高压变压器UK%= 20%时注入的短路电流相当。

（2）因限制短路电流的要求，需要根据该变电站500 kV母线所连接的电网自身已有的电源容量大小和负荷容量大小来决定UK%的取值。

（3）根据本文的仿真结果，通过无功补偿或者有载调压的方式，特高压变压器UK%取15%～23%中任何值均能将500 kV母线电压控制在515～530 kV的范围之内。

（4）取UK%不大于18%更有益于变压器的安全运行。另外，变压器短路电压百分比的选择还需综合考虑变压器的输电能力以及制造成本等因素的影响。

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Analysisof IMpactof UHV Transformer's UK%on Substation'sOperating Voltage

SUNMing1，MEN Fuyuan1，WU Junling2，SHITingting1
（1.SchoolofElectricalEngineringand Automation，HefeiUniversity of Technology，Hefei230009，China；2.China Electric PowerResearch Institute，Beijing100192，China）

The ultra high voltage（UHV）transformer isa key equipment in the UHV grid，and the percentage of shortcircuit voltage UK%may affectmultiple operating indexes of the grid.The 1 000 kV substation simulation systeMis built in the paper，and the impactof the variation of UK%on short current injected froM1 000 kV systeMinto 500 kV busisanalyzed through theoreticalcalculation.Besides，load variation and reactive powercompensation are considered，and the voltage of500 kV bus is discussed and studied in PSCAD when UK%iswithin the particular scope.It′s concluded that the voltage of 500 kV bus can be controlled within the scope of 515～530 kV bymeans of reactive power compensation or on-load voltage regulation when UK%is controlled within 15%～23%.Thework in this paper can provide certain reference for the selection of UK%of the UHV transformer.

ultra high voltage（UHV）；transformer；percentage of short-circuit voltage UK%；short-circuit current；operating voltage；reactive power loss；reactive power compensation；on-load voltage regulation

TM723

A

1003-8930（2015）09-0074-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.09.13

孙鸣（1957—），男，博士，教授，研究方向为电力系统继电保护。Email：hfsunming@sina.com

2013-12-23；

2014-02-26

门富媛（1987—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护与调度自动化。Email：menfuyuan@163.com

吴俊玲（1978—），女，硕士，工程师，研究方向为城市电网规划、电力系统分析。Email：9956347@qq.com