隔离变压器在孤岛电站中的应用研究

严 威

( 葛洲坝能源重工有限公司，北京 100102)

0 引言

对于地理位置较为偏远且负荷相对集中的地区，例如：在大型水电站建设期，为了保证负荷设备的供电可靠性，采用重油孤岛电站作为供电电源，不仅可以避免电网远距离输电的弊端[1-2]，同时可以避免负荷对电网的影响。对于传输距离不长的孤岛供配电系统，母线不需要增设升压变压器，可以直接通过架空线路进行传输。由于架空线路与电站侧为直接电气连接，使得架空线路故障会对电站运行产生直接影响。

本文以我国某水电站建设项目(以下简称“该水电站”)为例，对原有线路设计方案进行优化，采用10 kV 隔离变压器实现对于孤岛电站和架空线路之间的电气隔离，并且使得输电系统构成一个不接地系统，有效地减小了架空线路故障对于孤岛电站的不利影响。在单相接地故障下，孤岛系统仍能保证三相电压的平衡，根据国内电力行业标准，该系统可以继续运行2 h。该不接地系统可以实现检修人员带电巡视故障线路，并且利用允许运行的2 h 时间段，可实现架空线路的事故检查和排除，进而保证孤岛电站的供电系统可靠性。

1 隔离变压器的结构及作用

隔离变压器在不影响原有孤岛系统中其他设备参数的情况下，可以构成一次、二次侧的完全电气隔离，利用该特性，可实现对原有技术方案的优化。当隔离变压器的二次侧采用不接地方式时，二次侧回路构成一个不接地系统，避免与大地之间产生电位差。当隔离变压器二次侧回路中出现单相接地时，三相电压依旧保持平衡[3]。文献[4]通过隔离变压器实现工业并网逆变器的并网运行，不仅起到了电气隔离作用，同时抑制了谐波电流流入电网，提高电力系统的安全稳定运行。文献[5]通过对光伏并网系统中隔离变压器的应用进行研究，对比∆-Y 和Y-∆两种联结组别的特点，分析得到∆-Y 联结方式的隔离变压器对于谐波的抑制效果较好。

隔离变压器的二次侧采用不接地方式，并未与大地构成回路，可以有效地避免触电事故的发生。因此，隔离变压器一般主要是作为检修电源使用，以保证二次侧的用电安全。对于电力系统，当隔离变压器的二次侧为不接地系统时，也具有此特性，可以减小单相接地故障对电力系统造成的不利影响。

隔离变压器的联结方式有Y-Y、Y-∆、∆-Y和∆-∆四种，隔离变压器的拓扑结构如图1 所示。对于Y-∆、∆-Y、∆-∆这三种隔离变压器，通过三角型联结方式，能使得3n次谐波(其中n为正整数)在∆中形成环流，实现对谐波的抑制效果；同时也可以有效防止隔离变压器二次侧的零序电流传到一次侧的设备中。

图1 隔离变压器的拓扑结构

2 常规孤岛电站的接线方式

以我国某水电站建设项目为例，该水电站采用重油孤岛电站作为建设期的施工电源。由于施工地点与重油电站之间存在一定距离，需要一段距离架空线路进行输电。结合经济性和传输距离考虑，不采用升压变压器升压后再进行传输，而是直接输送至降压变压器，进而实现施工设备的供电。电能的输送过程为：重油机组发出的电经过母线汇集，然后直接通过架空线路输送到10.5/0.4 kV 降压变压器，最后分配给各个施工负荷。常规孤岛电站的电气系统拓扑结构图如图2 所示，其中，各个发电机组的中性点均为经过电阻箱接地。

图2 常规孤岛电站的电气系统拓扑结构图

这种接线方式虽然较简单、经济，但是供电可靠性相对较低。由于发电机组的中性点经过电阻箱接地，当输电线路出现单相接地故障时，母线出口侧的断路器因过电流而断开，将导致整个电站不能继续为施工负荷供电。若采用双回路，又会使投资和运营成本有较大增加。因此，需要采用更经济、有效的方案。

3 采用隔离变压器的孤岛电站接线方式

由图2 可知，架空线路末端的降压变压器选用Dyn11 联结组别，隔离变压器的二次侧为不接地方式，使得架空线输电线路部分构成一个不接地系统。该接线方式使得各相线路与大地之间不存在电位差。当架空线路出现单相接地时，不会影响架空线路各相线路之间的电压，输电线路的三相之间依然相对平衡，整个电力系统可保持正常运行，避免了架空线路的单相接地故障对整个系统运行影响。

采用∆-Y 型隔离变压器的主接线方式如图3 所示。母线汇集电能后先经过一个10.5/10.5 kV 隔离变压器，然后再通过10 kV 的架空线路进行传输到10.5/0.4 kV 降压变压器，最后再分配到各用电负荷。由于隔离变压器一次侧采用∆接线方式，可以使得3n 次谐波形成环流，有效地避免谐波流入到架空输电线路中，起到一定的谐波抑制作用，同时也避免隔离变压器二次侧的零序电流传入到母线和发电机侧。另外，隔离变压器二次侧选用星形接线方式使得架空线路上的线电流等于相电流，使得线路上的损耗较少。

图3 采用∆-Y型隔离变压器的主接线方式

采用∆-Y 型隔离变压器主接线方式，不仅能够保证孤岛电站供配电系统的可靠性，同时其成本低于双回路供电方式。

4 仿真结果分析

为了验证采用隔离变压器接线方式对孤岛重油电站运行的优势，本文通过MATLAB/Simulink 搭建一个10 kV 孤岛供配电系统的仿真模型。其中，供配电系统的主要参数为：母线电压为10 kV，负载电压为380 V，负载的有功功率为1 000 kW，降压变压器变比为10/0.38 kV，隔离变压器变比为10/10 kV。

未采用隔离变压时母线侧的相电压和相电流的波形如图4 所示。由图4 可知，当t=0.10 s时，架空线出现单相接地故障，发电机侧也会受到单相接地故障的影响，导致母线A 相电压为0 V，B、C 两相的相电压增加为原来的倍。A 相电流瞬时值的峰值基本都在1 500 A 左右，最高达到了2 500 A。此时单相接地短路电流会导致过电流保护启动，使得整个电站的电能输出被切断。图4(c)为时间段0.09 ～0.11 s 时的电流波形的局部放大图，可以明显看到此时的A 相在0.10 s 之后电流突增。

图4 未采用隔离变压时母线侧仿真波形

采用隔离变压时母线侧的相电压和相电流的波形如图5所示。由图5可知，在t=0.10 s之后，母线侧的三相线电压和线电流依旧保持三相平衡状态，说明此时虽然发生单相接地故障，但是对孤岛系统运行状态并未产生不利影响，该系统仍可以保持正常运行。

图5 采用隔离变压时母线侧仿真波形

对比图4 和图5 可知，在采用隔离变压器后，当架空线路出现单相接地故障时，系统中没有短路电流产生，线电压和线电流三相处于平衡状态，电力系统运行正常，但是若长期运行，会增加相间短路的概率。为了避免后期事故的扩大，国内电力规程规定允许此状态下运行2 h。通过利用该时间段，可以进行架空线路的故障巡视及排除，从而达到提高系统供电可靠性的目的。同时，该不接地系统也为带电巡视故障线路的检修人员提供了安全保障。

相比于双回路线路，减少方案改造后的施工成本。重油电站的停电不仅会导致施工现场停滞，造成一定的经济损失，同时也会耗费较多的时间成本。该方案减少了重油电站停电概率，进而提高了电站运行的经济效益。

5 结语

本文采用∆-Y 型的10 kV 隔离变压器的接线方式，不仅保证孤岛电站运行的供电可靠性，同时也提高了电站运行的经济性。该方法有效地避免了架空线路单相接地故障对孤岛系统正常运行的不利影响，当出现单相接地故障时，母线侧的三相电压和电流依然是保持三相平衡，避免了单相接地短路电流的产生，减少了供电系统停电的概率。同时，隔离变压器也实现了母线和架空线路完全电气隔离，减小两者之间的相互影响。