参数差异化500 kV单相自耦变压器成组运行适应性研究

武玉才，尹子会，唐劲飞，张志刚

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003；2.国家电网河北省电力公司检修分公司，河北石家庄 050000；3.中国电力国际发展有限公司, 北京 100080；4.国家电网河北省电力公司，河北石家庄 050021)

参数差异化500 kV单相自耦变压器成组运行适应性研究

武玉才1，尹子会2，唐劲飞3，张志刚4

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003；2.国家电网河北省电力公司检修分公司，河北石家庄 050000；3.中国电力国际发展有限公司, 北京 100080；4.国家电网河北省电力公司，河北石家庄 050021)

三相参数不一致将导致500 kV单相自耦变压器运行性能变差，甚至带来安全风险。为了评估参数差异化500 kV单相自耦变压器成组运行的性能和风险，结合河北南网500 kV变压器的轮换检修，搭建了500 kV变压器组的仿真模型，计算了变压器组各序电压、电流、空载环流、低压绕组环流、中性点电流等参数，结合采购标准确定了2台新制334 MVA单相自耦变压器的最佳短路阻抗,进一步分析了变压器三相参数差异对暂态过程的影响，评估了保护误动和拒动的风险。结果表明，在500 kV单相自耦变压器组高-中压短路阻抗有名值差异不大的情况下，变压器稳态运行性能较好，该研究为参数差异化的500 kV自耦变压器成组运行提供了经验参考。

电机学；500 kV单相自耦变压器；短路阻抗；环流；保护

500 kV单相自耦变压器是超高压电网中的核心设备，造价昂贵且备用相较少。由于各变电站的主变压器及备用变压器在不同时期、从不同厂家采购，参数存在差异，在经过多轮替换后，容易出现成组运行的3台单相自耦变压器参数不一致的情况。变压器组的三相参数差异将引起其稳态和暂态运行参数的异常，进一步影响变压器的运行性能和保护，对这一问题的分析具有实际意义和应用价值[1-2]。

在参数差异化变压器稳态运行变量计算方面，文献[3]研究了单相替换后因三相绕组短路电压百分比不一致引起的相间环流、电压电流不平衡及谐波电流。文献[4]考虑了变压器各相绕组间以及绕组对地的电容差异，计算了变压器低压绕组的对地电压不平衡。文献[5—6]研究了变压器电流不平衡度与变压器高压-中压绕组电抗偏差值的相关性，认为高压-中压绕组电抗偏差越大变压器电流不平衡度也越大。文献[7]则介绍了中性点接地电抗的应用情况。文献[8]研究了在变压器三相短路阻抗以及电容参数存在差异时，电压水平、负荷率以及分接头配合对各序电压和电流的影响。文献[9]研究了变压器三相参数不对称对绕组损耗、中性点电流、传送功率以及操作过电压等的影响。在分析参数不对称对变压器暂态参数的影响方面，文献[10]分析了变压器正常运行和各种短路故障情况下阻抗元件的测量阻抗，得到参数不对称对后备阻抗保护动作的灵敏性和正确性的影响。文献[11]研究了变压器三相参数不对称情况下的励磁涌流变化特点。文献[12]分析了中性点串接电抗对变压器各种短路故障时短路电流、中性点电流和中性点电压的影响，计算了中性点电抗对故障电流的限制效果。当前中国关于参数差异化的500 kV单相自耦变压器成组运行的经验还较为有限，对不对称变压器组的运行性能和安全风险缺乏系统性分析和评价。

本文结合河北省超高压电网变压器的轮换检修实例，建立了参数差异化的500 kV变压器组仿真模型，通过仿真得到2台新制334 MVA单相自耦变压器的最优短路阻抗参数，并计算了变压器组在系统中的等值阻抗。随后，对变压器空载合闸、短路等暂态过程进行了仿真，分析了变压器激磁涌流、短路电流、差动电流和零序电流等的变化规律，系统地评估了参数不对称对变压器保护的影响。

1 建模及参数设置

表1 保北站#2A变压器参数

500 kV变压器组采用YN,a0,d11接线方式，高压绕组和中压绕组采用星型连接方式，中性点经小电抗接地，低压绕组则采用三角形连接。如图1所示。

图1 YN,a0,d11 接法的三相自耦变压器组Fig.1 YN,a0,d11 connected three-phase autotransformer

PSCAD/EMTDC仿真过程中，需要设置各变压器高中低三绕组的额定容量、运行频率、额定电压、饱和曲线、高中低三绕组之间的短路阻抗等。2台新制334 MVA单相自耦变压器的绕组电容参数无法在制造前准确预测。为此，对河北南网现有334 MVA变压器的绕组电容进行加权平均，作为新制334 MVA单相自耦变压器的绕组电容值，见表2。

表2 新制334 MVA单相自耦变压器电容参数

通常，自耦变压器高压侧中性点通过小电抗接地，电抗值一般选择5 Ω或10 Ω，本组变压器接地电抗选择为10 Ω。

2 稳态分析及参数选择

国家电网采购标准规定500 kV变压器各侧短路阻抗有：12/44/30,14/47/30,14/50/35,16/54/36,18/58/38,20/60/38和20/62/40等7个标准，新制334 MVA单相自耦变压器可选择的高中压侧短路阻抗有12,14,16,18,20等5个等级，高中压绕组短路阻抗实际值见表3。

表3 单相自耦变压器高-中压短路阻抗备选参数

Tab.3 Alternative parameters of high-medium voltage short circuit impedance of the single-phase autotransformer

保北站#2A标幺值13.51实际值/Ω47.78新制334MVA单相自耦变压器备选阻抗标幺值1214161820实际值/Ω31.7637.0642.3547.6552.94

建立保北站#2 A相(515 kV，250 MVA)与2台新制334 MVA单相自耦变压器(515 kV，334 MVA)成组运行模型(保北站#2A ODFPSZ-250000/500型作为A相，其余2台变压器分别作为B相和C相)。分别取2台新制334 MVA 单相自耦变压器高、中压短路阻抗为12，14，16，18，20，设定变压器组分别空载独立运行和带70%额定负荷独立运行，比较变压器的一些关键性能指标，经计算，变压器高-中压短路阻抗为18时的仿真结果最优，见表4。

表4 变压器短路阻抗标幺值选择18/58/38的运行数据

表4中，负序电压、零序电压、负序电流、零序电流、并联运行空载环流、中压侧电流对称度、低压三角形内部环流、中性点电流等均较低。低压侧空载时变压器低压绕组的对地电压存在不平衡现象，在低压侧带少量的无功负荷后，低压绕组对地电压的不平衡度也得到了极大的改善。因此，新制2台334 MVA单相自耦变压器的短路阻抗标幺值确定为18/58/38。观察表3可知，新制单相自耦变压器高-中压短路阻抗标幺值为18时，其实际值与保北站#2A的参数较为接近，因此，自耦变压器组稳态运行性能是由高-中压短路阻抗的有名值决定的，而非标幺值。

进行电网的潮流计算时，需要500 kV变压器的短路阻抗参数，本500 kV变压器组各相的短路阻抗参数不同，因此，需要计算其等值短路阻抗。为了得到等值短路阻抗，需要借鉴变压器短路试验，通过短路试验测得的变压器短路阻抗可以表示为

(1)

式中：Uk为试验电压；Ik为短路电流。

短路试验是在三相对称条件下完成的，因此电压Uk和Ik均为正序量。本500 kV变压器组不对称运行时还有负序和零序分量，为了计算等值短路阻抗，在进行中压侧端口短路仿真时，从高压绕组端口提取正序电压和正序电流，根据式(1)计算高-中压绕组等值短路阻抗，结果见表5。

表5 变压器高-中压短路阻抗值

3 暂态过程及保护动作分析

变压器三相参数不一致导致暂态运行参数不同于三相对称情况，若运行参数相对于三相对称情况的偏差较大，甚至有可能导致保护装置误动作。因此，对暂态过程的分析十分重要，下面分别针对不同暂态过程进行分析。除空载合闸过程外，仿真设置电源电压为550 kV，线路阻抗为(13.9+j80.7)Ω，变压器中压侧带175 MVA负荷，功率因数为0.95，低压侧空载。

3.1三相参数差异对励磁涌流及差动保护的影响

受变压器铁芯饱和及非线性特点的影响，空载合闸过程产生很大的励磁涌流。在自耦变压器高压侧加515 kV电压，中压侧和低压侧空载，闭合高压侧开关启动空载合闸过程。

为了与三相对称情况下的激磁涌流对比，设置参考合闸工况如下。

1)参考1变压器组三相均为保北站#2A变压器；

2)参考2变压器组三相均为新制334 MVA单相自耦变压器。在A相初始合闸相位为0°的情况下，A相、B相和C相的励磁涌流如图2所示。

图2 A相初始合闸相位为0°时各相的励磁涌流Fig.2 Initial inrush current of each phase when the closing phase is 0°

如图2所示，受新制334MVA单相自耦变压器与保北站#2A变压器磁化特性曲线差异的影响，新成组运行方式的激磁电流与三相对称情况有一定差别，激磁电流曲线位于参考1和参考2的曲线之间。

在初始合闸相位不同情况下，三相励磁涌流最大瞬时值如表6所示。

表6 励磁涌流最大瞬时值

激磁涌流只在合闸侧流通，可能导致变压器差动保护误动作，无法并网。在变压器的保护配置中，主要采用励磁涌流中的二次谐波制动原理来防止差动保护误动作。二次谐波制动通过检测差动电流中的二次谐波含量来区分故障电流和励磁涌流，判别方程如式(2)所示：

I2nd>K2sb*I1st，

(2)

式中：I2nd为差动电流的二次谐波；I1st为对应相的差流基波；K2sb为二次谐波制动系数整定值，整定为 0.1～0.2。

当二次谐波含量大于整定值时将差动继电器闭锁，防止励磁涌流引起误动。三相中某一相被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。在初始合闸相位不同情况下，不对称变压器组二次谐波的含量如表7所示。

从表7可知，不对称变压器组空载合闸时的三相励磁涌流中的二次谐波含量均大于20%，保护能够可靠实现二次谐波闭锁。

表7 差动电流二次谐波含量

三相自耦变压器组采用YN,a0,d11接线，变压器各侧电流按照变比进行归一化，并进行相位补偿，相加得到各相的差动电流：

(3)

式中：Iar,Ibr,Icr分别为A相、B相、C相差动电流；Iah,Iam,Ial分别为A相高、中、低三侧线电流；Ibh,Ibm,Ibl分别为B相高、中、低三侧线电流；Ich,Icm,Icl分别为C相高、中、低三侧线电流；Ih0，Im0分别为高、中压侧零序电流。

不对称变压器组与参考变压器组(3台保北站#2A变压器)A相差动电流的瞬时值和有效值如图3所示。

图3 不对称变压器组与参考变压器组差动电流比较Fig.3 Comparison of the differential current between the unbalanced transformer and the reference transformer

正常运行情况下，不对称变压器组的A相，B相和C相的差动电流、二次谐波比如表8所示。

由表8可知，变压器正常运行时三相的差动电流很小，远小于差动保护起动电流450 A，不会引起差动保护动作。

表8 三相差动电流

注：二次谐波比为差动电流中二次谐波与差动电流中基波电流百分比比例。

变压器故障包括单相接地短路、相间短路、相间接地短路、三相接地短路等。变压器A相接地短路时，A相差动电流的瞬时值和有效值波形如图4所示。

图4 A相接地短路故障后A相差动电流Fig.4 A phase differential current after a grounding fault occurs in phase A

不对称变压器组各种短路故障情况下，差动电流的二次谐波比如表9所示。

表9 各种短路故障情况下各相差动电流

从表9可知，变压器发生短路故障后，差动电流相对于正常情况下增加许多，远大于差动保护起动电流450 A，二次谐波比远未达到整定值，不会引起二次谐波闭锁。差动保护可以正确动作切除变压器。

3.2三相参数差异对过流保护的影响

不对称变压器组出口相间短路时，A相电流瞬时值如图5所示。

不对称变压器组各种短路故障时，各侧相电流如表10所示。

图5 AB相间短路故障时A相电流波形Fig.5 A phase current waveform of AB interphase short circuit fault

故障类型高压侧/AA相B相C相中压侧/AA相B相C相低压侧/AA相B相C相A相接地4069505.4665.30.571247.61178.1179017901790B相接地643.13466516.51158.20.571284.8119611971196C相接地514.0637.227821253.61164.50.56908.0908.0908.0AB相间35383278598.2628.6628.11257.0261261261AC相间2756559.03168630.71261.0631.1204204204BC相间582.5252325631249.3624.4624.442.642.642.6AB接地39163417593.40.620.611171.5120712071207AC接地4065560.126390.641161.40.55163116311631BC接地576.13409285011740.550.59160616061606ABC接地3898334626960.580.540.53297297297

表10中，短路故障下，不对称变压器组和参考变压器组的高压侧和中压侧电流很接近，不对称变压器组高压侧过流保护能够可靠动作，而中压侧过流保护的测量装置装在出线端外，能够做到不拒动。

3.3三相参数差异对零序电流保护的影响

不对称变压器组的高压侧和中压侧零序电流瞬时值如图6所示，正常情况下零序电流有效值如表11所示。

图6 正常情况下各侧零序电流波形Fig.6 Zero sequence current waveform of each side under normal condition

高压侧3I0/A中压侧3I0/A14.71.41

表11中，不对称变压器组和参考变压器组的零序电流差距较大，其中高压侧增加近44倍，中压侧增加近14倍。但高压侧和中压侧的零序电流远小于零序电流保护动作整定值300 A，因此，零序电流保护不会发生误动作。

变压器出口发生短路故障时，以B相接地短路故障为例，不对称变压器组与参考变压器组零序电流瞬时值如图7所示，各种短路故障情况下零序电流有效值如表12所示。

由表12可知：

1)自耦变压器组两相接地短路或单相接地短路故障时，不对称变压器组和参考变压器组的零序电流差别不大，且远大于高压侧和中压侧零序电流动作整定值300 A。因此，零序电流保护能够可靠动作；

2)自耦变压器组两相短路或三相接地短路时，高压侧和中压侧的零序电流较小，远小于零序电流保护300 A的动作整定值，零序电流保护不动作。

图7 A相接地短路故障零序电流波形Fig.7 Zero sequence current waveform with A phase grounding

故障类型零序电流3I0/A高压侧中压侧A相接地35041086B相接地30181080C相接地23491059AB相间73.856.4AC相间53.74.5BC相间14.71.41AB接地25201144AC接地32071153BC接地39451182ABC接地810.57

4 结 语

本文结合河北省500 kV超高压电网单相自耦变压器轮换检修的具体事例，分析了变压器参数选择和不对称成组运行问题，得出以下结论。

1)决定参数差异化500 kV单相自耦变压器成组运行稳态性能的是其高-中压短路阻抗有名值，当3台变压器高-中压短路阻抗的有名值接近时，变压器稳态运行性能较好，不会出现严重的不对称、环流等问题；

2)500 kV单相自耦变压器组高-中压短路阻抗有名值差异不大情况下，对暂态过程有一定影响，但不会引起变压器保护的误动作；

3)在500 kV单相自耦变压器组高-中压短路阻抗有名值差异不大情况下是可以长期成组运行的，运行性能比三相对称情况略差。

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Study on the adaptive operation of 500 kV single phase autotransformers with different parameters

WU Yucai1, YIN Zihui2, TANG Jinfei3, ZHANG Zhigang4

(1.School of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China; 2.Maintenance Department, State Grid Hebei Electric Power Company, Shijiazhuang, Hebei 050000, China; 3.China Power International Development Company Limited, Beijing 100080, China; 4.State Grid Hebei Electric Power Company, Shijiazhuang, Hebei 050021, China)

The inconsistency of the three phase parameters will lead to poor performance of the 500 kV single-phase autotransformer, and even bring security risks. In order to evaluate the influence of parameter difference of 500 kV single-phase autotransformer group on its operating performance and risk, a simulation model of 500 kV transformer group is set up based on the alternate maintenance of 500 kV transformer in Hebei Southern Power Grid, the transformer group sequence voltage and current, no-load circulation, low pressure winding circulation and neutral point current are calculated, and combining with the procurement standard, the optimal short-circuit impedance of 2 new 334 MVA transformer is determined. The influence of transformer three-phase parameter difference on the transient process is analyzed, and the risk of maloperation and rejection of protection is evaluated. The resuts show that when the difference of the actual short-circuit impedances of high-medium voltage side in 500 kV single-phase autotransformer group is small, the steady state performance of the transformer is better. The results show that the combination operation of 500 kV single-phase autotransformers with different parameters is feasible and has reached a good level in transient and steady-state performance.

electrical machinery; 500 kV single phase autotransformer; short circuit impedance; circulation; protection

1008-1534(2017)05-0354-08

2017-05-05;

2017-08-21；责任编辑：李 穆

河北省自然科学基金(E2016502031)

武玉才(1982—)，男，河北保定人，副教授，博士，主要从事电力设备状态监测与故障诊断方面的研究。

E-mail:wuyucaincepu@163.com

TM411+.3

：Adoi: 10.7535/hbgykj.2017yx05008

武玉才，尹子会，唐劲飞，等.参数差异化500 kV单相自耦变压器成组运行适应性研究[J].河北工业科技,2017,34(5):354-361. WU Yucai, YIN Zihui, TANG Jinfei, et al.Study on the adaptive operation of 500 kV single phase autotransformers with different parameters[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(5):354-361.