500 kV变压器单相替换引起参数不一致的运行研究

刘默斯，孙志媛，李明珀

（广西电网有限责任公司电力科学研究院，南宁 530023）

引言

大型变压器组作为系统中关键设备之一，其故障可能对电网造成巨大损失，故障后应及时采取措施恢复运行。由于变压器返厂检修周期过长，停运将影响电网安全运行。如采用同型号备用变更换故障相，可缩短主变停电时间，缓解片区供电压力。由于不少变电站未配置同型号备用变，或备用变型号不同，其参数可能与原变压器存在差异。如果仅更换单相，需研究对变压器自身及系统的影响。目前对变压器单相替换的仿真研究并不多见。文献[1]采用电力系统仿真软件包NETOMAC对某种典型方式三相不平衡电压、电流计算；文献[2,3]采用PSCAD针对不同分接头及不同负载率情况下，替换前后高中压侧电压、电流不平衡情况及谐波特性进行PSCAD仿真分析。

本文结合500 kV某站#2主变大修，探讨用参数相近的相邻500 kV站备变对该500kV站#1主变进行单相替换的案例，从主变正常运行下的关键指标、故障条件下对保护和安全稳定控制装置的影响等方面考虑，采用仿真计算软件PSCAD对该500 kV站#2主变A相替换前后进行仿真分析，探讨500 kV主变单相替换的可行性。

1 变压器替换前后参数分析

三相变压器A相替换简化电路如图1所示。由于替换相参数的不一致，变压器单相替换运行会出现不对称运行情况，需研究不对称运行情况对变压器及系统的影响。

图1 三相自耦变压器A相替换简化电路图

当不计及铁芯引起的非线性并忽略励磁电流时，单相三绕组变压器等值电路示意图如图2所示。变压器单相替换主要改变其中一相的X1、X2及X3，进而改变变压器的电感矩阵，从而使电压电流关系与原变压器有差异[4]。

图2 单相三绕组变压器等值电路示意图

2 变压器运行条件分析

2.1 变压器运行条件

（1）500 kV变压器的主要参数：额定容量、电压组合、分接范围、联结组标号、空载损耗、负载损耗、空载电流及短路阻抗应符合要求范围；（2）变压器的运行电压一般不应高于该运行分接电压的105%，且不得超过系统最高运行电压；（3）变压器三相负载不平衡时，应监视最大一相的电流，且接线为YN/yn0的大、中型变压器允许的中性线电流，按制造厂及有关规定[5,6]。导则和规程规定了运行变压器的参数及运行电压，并未针对变压器三相参数不一致的不平衡情况进行相关的规定和要求。

2.2 变压器并列运行条件

变压器并列运行需满足以下规定：（1）联结组标号相同；（2）电压比应相同，差值不得超过±0.5%；（3）阻抗电压值偏差不超过10%。（4）最大容量与最小容量比不大于3∶1。

2.3 系统电压电流要求

电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：（1）电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%；（2）接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%[7]。

没相关规程有对公共点的电流不平衡度作具体规定，然而过大的负序电流将会引起系统内电机的过热，而零序电流超过了一定数值时，在中性点不接地系统中，有可能延期灵敏度较高的接地继电器的误动作。转子为绑线式的汽轮发电机禁止在不平衡的负荷下运行（当负序电流不超过正序电流的5%时，则认为三相电流实际上是平衡的）。电压电流不平衡度表示如下：

式中，U1为正序电压，U2为负序电压，I1为正序电流，I2为负序电流；∂U%、∂I%分别表示电压电流不平衡度。

2.4 故障状态特性分析

变压器单相替换后，短路故障或过负荷等状态下电气量的变化是否会不适应原有的保护定值，发生误动或拒动情况。

3 基于PSCAD仿真分析

根据变压器单相替换参数及运行条件分析，以500 kV某站#2主变A相替换研究为例，进行PSCAD仿真分析。仿真算例采用某500 kV站#1主变替换参数相近的500 kV某站#2主变。各变压器铭牌对比情况如表1所示，两台主变容量一致，变比一致，短路阻抗有差别。替换后参数满足运行规程要求及变压器并列运行条件。针对替换后产生的不平衡电压电流情况及故障状态下对继电保护影响进行分析。根据当月该片区电网潮流分布情况，使用PSD-BPA软件进行潮流计算，得到该站主变500 kV侧等值阻抗、#2主变220 kV侧等值负荷，使用PSCAD搭建等值系统，进行仿真试验。

表1 各变压器铭牌参数对比

3.1 运行分析

从空载、正常负载及满载三种负载条件下对变压器三侧节点的电压电流不平衡度进行仿真分析，结果如图3～图6所示。

图3 替换前后主变三侧负序电压不平衡度

图4 替换前后主变三侧零序电压不平衡度

图5 替换前后主变三侧负序电流不平衡度

图6 替换前后主变三侧零序电流不平衡度

根据500 kV某#2主变A相替换前后仿真结果可见，随着中压侧负载增大，A相替换后三侧负序、零序电压不平衡度随中压侧负载的增大有明显的增加。A相替换后中、低压侧负序电压不平衡程度远比高压侧大，其中低压侧的负序电压不平衡度最大；A相替换后高、中压侧零序电压不平衡程度远比低压侧大，其中中压侧零序电压不平衡度最大。无论空载、正常负载或是满载，仿真结果表明，替换前后高压侧、中压侧和低压侧的负序、零序电压不平衡度均小于0.2%。

随着中压侧负载增大，A相替换前后变压器三侧负序、零序电流不平衡度均有所增加，电流不平衡度比电压不平衡度大。无论空载、正常负载或是满载，仿真结果表明，替换前后高压侧、中压侧和低压侧的负序、零序电流不平衡度均小于2%。

3.2 暂态分析

3.2.1 单相接地故障仿真

当变压器中压侧出线端发生A相接地短路故障时，替换前后短路电流、相电压如图7所示。当主变中压侧出线端发生A相接地短路时，A相短路电流有效值相比替换前升高了1.2 kA左右，替换后A相短路电流及相电压的波形与替换前变化基本一致。

图7 替换前后A相接地短路时短路电流、A相电压波形

3.2.2 相间短路故障分析

当变压器中压侧出线端发生AB相间短路故障时，替换前后短路电流、相电压如图8所示。当主变中压侧出线端发生AB两相相间短路时，短路电流有效值相比替换前升高了0.6 kA左右，替换后短路电流的波形与替换前变化基本一致。通过对接地短路故障与相间短路故障的仿真与分析发现，500 kV某#2主变A相替换后，短路电流有所增加，波形与替换前变化基本一致。

图8 替换前后AB相间短路时短路电流、相电压波形

3.2.3 三相接地故障仿真

图9为替换前后三相接地短路时短路电流、相电压波形。当主变中压侧出线端发生三相接地短路时，短路电流有效值相比替换前升高了1.5 kA左右，替换后短路电流的波形与替换前变化基本一致。

图9 替换前后三相接地短路时短路电流、相电压波形

4 结语

变压器单相替换前后电压不平衡度均小于0.2%，电流不平衡度均小于2%，电流不平衡度高于电压不平衡度，随着负载变大，不平衡度增大。三种短路故障形式下，短路电流稍高于替换前电流在中压侧负载相同的情况下，单相替换后变压器中压侧A相电流稍大于替换前，不影响过流保护的定值设置情况。