某750 kV 單相自耦變壓器低壓側(cè)三相電壓不平衡問(wèn)題分析計(jì)算

張立成，楊利民，頡雅迪，李山，鄭義

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，烏魯木齊 830011；2.國(guó)網(wǎng)新疆電科院，烏魯木齊 830011）

0 引言

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也復(fù)雜多樣，尤其是特高壓交直流混聯(lián)輸電、柔性直流等新技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)電網(wǎng)的要求也越來(lái)越高[1-6]。在交流系統(tǒng)中，三相電壓平衡是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本要求，近年來(lái)，三相電壓不平衡問(wèn)題頻繁出現(xiàn)，威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[7-10]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三相電壓不平衡問(wèn)題做了大量研究，文獻(xiàn)[11-12]通過(guò)PSCAD 對(duì)三相電壓不平衡現(xiàn)象進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)配置補(bǔ)償電容可有效解決三相電壓不平衡問(wèn)題。文獻(xiàn)[13-14]分析了柴達(dá)木換流站750 kV 主變?cè)谕哆\(yùn)過(guò)程中低壓側(cè)對(duì)地電壓不平衡問(wèn)題，得出主變?nèi)嗳肟趯?duì)地等效電容量的不平衡是引起三相電壓不平衡的主要原因。文獻(xiàn)[15]指出電流互感器的加裝不當(dāng)也會(huì)引起三相參數(shù)不平衡的現(xiàn)象。目前三相電壓不平衡主要是由對(duì)地等效電容不平衡引起的，但電壓不平衡對(duì)二次設(shè)備的影響分析較少[16-21]。

本文基于750 kV 變電站實(shí)際運(yùn)行工況，采用EMTPE，研究750 kV 主變投運(yùn)過(guò)程中66 kV 側(cè)三相電壓不平衡產(chǎn)生的原因，分析三相電壓不平衡對(duì)二次設(shè)備造成的影響，結(jié)合一次和二次方面的分析，提出合理的解決措施。該研究結(jié)果對(duì)超高壓大容量輸變電系統(tǒng)主變的投運(yùn)具有重要參考價(jià)值。

1 電壓不平衡特性分析

1.1 變壓器低壓側(cè)負(fù)載電容不平衡的影響

變壓器正常運(yùn)行時(shí)，各相低壓側(cè)繞組電壓幅值相等，相位相差120°，簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)接線圖和電壓相量圖分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 主變低壓側(cè)三角形接線圖Fig.1 Triangular wiring diagram at low voltage side of main transformer

圖2 主變低壓側(cè)電壓相量圖Fig.2 Voltage phasor diagram at low voltage side of main transformer

圖1 中：UA、UB、UC表示三相電壓；CA、CB、CC表示三相對(duì)地電容量。圖2 中：A、B、C 分別為繞組的引出端點(diǎn)；O 為虛擬電壓中性點(diǎn)；G 為接地點(diǎn)。

三角形接線中，相對(duì)地電壓及電容量由對(duì)地電容確定[20-22]，各相流向大地的電流和為0，表達(dá)式為

式（1）和式（2）中：IA、IB、IC分別為三相電流；ω為角速度。

三相對(duì)地電壓UGA、UGB、UGC與三相對(duì)中性點(diǎn)的電壓UOG關(guān)系為

將式（3）代入式（2）可得

式中，UOA+UOB+UOC=0。

由式（4）可知，當(dāng)變壓器三相對(duì)地電容CA=CB=CC時(shí)，UOG=0，中性點(diǎn)與接地點(diǎn)G 重合，三相對(duì)地電壓平衡；當(dāng)三相對(duì)地電容不相等時(shí)，UOG≠0，此時(shí)三相對(duì)地電壓不平衡。

1.2 變壓器繞組電容不平衡的影響

交流系統(tǒng)中絕緣介質(zhì)可等效為一個(gè)純電阻和純電容組成的等值電路，但介質(zhì)中的絕緣電阻很大，可以等效為一個(gè)純電容別的等值電路[23-24]。變壓器一般由2 個(gè)及以上的繞組組成，各繞組間、繞組與地之間都有絕緣[25-30]。750 kV 自耦變壓器等效電路圖見(jiàn)圖3。

圖3 自耦變壓器等值電路Fig.3 Equivalent circuit of auto transformer

圖3 中：C1表示低壓繞組對(duì)地等效電容；C2為高、中壓繞組對(duì)低壓等效電容；C3表示高壓繞組對(duì)地等效電容。

750 kV 主變低壓側(cè)為三角形接線，可等效為星型不接地的接線方式，其等值電路圖見(jiàn)圖4。

圖4 考慮主變低壓側(cè)各繞組間電容時(shí)的等值電路Fig.4 Equivalent circuit considering capacitance between each winding at low voltage side of main transformer

根據(jù)圖4 列寫(xiě)方程：

式中，EA、EB、EC為變壓器高壓側(cè)一次電動(dòng)勢(shì)。

由式（3）和式（5）可知，當(dāng)B 相電容變化量為ΔCB時(shí)三相電容不平衡，此時(shí)三相對(duì)中性點(diǎn)的電壓UOG為

通過(guò)上述分析可知，變壓器負(fù)載電容和繞組電容不平衡都會(huì)引起主變低壓側(cè)三相電壓不平衡的現(xiàn)象。

2 電壓不平衡現(xiàn)象

某變電站750 kV 主變壓器A、B 兩相由同一廠家生產(chǎn)，型號(hào)為ODFPS-500000/750，C 相由另一廠家生產(chǎn)，其型號(hào)為ODFPS-500000/750。二次人員在主變壓器送電過(guò)程中發(fā)現(xiàn)750 kV 側(cè)和220 kV 側(cè)電壓測(cè)量正常，66 kV 母線帶電后三相對(duì)地電壓不平衡，A、B、C 三相電壓幅值分別為56.5 V、61.4 V、54.1 V（一次相電壓分別為A 相37.356 kV、B 相40.59 kV、C 相35.838 kV，B、C 兩相電壓差為4.75 kV），主變各側(cè)電壓見(jiàn)表1。

表1 主變?nèi)齻?cè)電壓的幅值和角度（實(shí)測(cè)值）Table 1 Amplitude and angle of voltage at tertiary sides of main transformer（actually measured value）

主變低壓側(cè)66 kV 母線三相電壓不平衡，B 相電壓偏高可能是66 kVⅡ母PT 出現(xiàn)異常和66 kV側(cè)三相參數(shù)不平衡?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)66 kVⅡ母電壓互感器進(jìn)行了各種檢查，發(fā)現(xiàn)三相PT 接線緊固，尾端接地良好，可以排除電壓互感器異常的情況。

3 66 kV側(cè)三相電壓不平衡對(duì)一次設(shè)備影響分析

3.1 參數(shù)計(jì)算

主變A、B、C 三相由不同廠家生產(chǎn)，不同廠家生產(chǎn)的變壓器在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上可能存在差異，出現(xiàn)變壓器三相參數(shù)的電容量不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象，通過(guò)比較兩廠家提供的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)C 相與A、B 兩相相比存在較大差異，繞組實(shí)測(cè)電容量差異較大，主變電容量的出廠實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。

表2 主變電容量出廠實(shí)測(cè)值參數(shù)Table 2 Actually measured value parameters of main transformer capacitance at delivery

根據(jù)表2 提供的變壓器電容量測(cè)試值，可以推算出三相變壓器各繞組的等效電容，這些電容三相之間存在顯著差異，主變電容量的等效電容見(jiàn)表3。

表3 主變電容量換算值參數(shù)Table 3 Conversion value parameter of main transformer capacitance

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，利用EMTPE 建立仿真模型，根據(jù)電磁暫態(tài)計(jì)算程序的要求，對(duì)主變系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)接線見(jiàn)圖5。

圖5 系統(tǒng)接線圖Fig.5 System wiring diagram

3.2 主變低壓側(cè)三相電壓不平衡仿真分析

利用EMTPE 電磁暫態(tài)仿真軟件建立模型，對(duì)66 kV 側(cè)母線電壓不平衡現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析，當(dāng)主變低壓側(cè)空載、分別投入一組低抗、低容和SVG 時(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖6 和表4。

圖6 主變低壓側(cè)A、B、C三相電壓仿真波形Fig.6 Voltage simulation waveform of phase A，B and C at low-voltage side of main transformer

由圖6 和表4 的仿真計(jì)算結(jié)果可知，主變低壓側(cè)帶一組電抗器時(shí)，電壓較空載時(shí)有所降低，帶一組電容器時(shí)，電壓較空載時(shí)有所升高。主變空載和低壓側(cè)帶負(fù)載時(shí)，電壓不平衡現(xiàn)象主要體現(xiàn)在低壓側(cè)對(duì)地電壓。主變空載時(shí)，低壓側(cè)對(duì)地電壓最大差值為4.8 kV；帶一組電抗器時(shí)，低壓側(cè)對(duì)地電壓最大差值為4.4 kV；帶一組電容器時(shí)，低壓側(cè)對(duì)地電壓最大差值為4.9 kV；帶SVG（感性最大時(shí)），低壓側(cè)對(duì)地電壓最大差值為4.8 kV；帶SVG（容性最大時(shí)），低壓側(cè)對(duì)地電壓最大差值為5.5 kV。B 相電壓偏高，A、B、C 三相電壓分布趨勢(shì)與變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大體一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

4 66 kV側(cè)三相電壓不平衡對(duì)二次設(shè)備的影響分析

4.1 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的三相電壓不平衡現(xiàn)象

主變送電過(guò)程中750 kV 側(cè)和220 kV 側(cè)電壓測(cè)量正常，66 kV 側(cè)母線在空載和投入1 組低抗時(shí)出現(xiàn)三相母線對(duì)地電壓不平衡的問(wèn)題，實(shí)測(cè)二次電壓值見(jiàn)表5。低壓側(cè)空載時(shí)，A、B、C 三相對(duì)地電壓分別為56.52 V、61.38 V、54.10 V，外接零序電壓為7.17 V。投入1 組低抗時(shí)，A、B、C 三相對(duì)地電壓分別為55.00 V、59.83 V、52.64 V，外接零序電壓為6.92 V。投入3 組低抗時(shí)，A、B、C 三相對(duì)地電壓分別為52.99 V、56.91 V、51.47 V，外接零序電壓為5.34 V。

表5 主變低壓側(cè)不同負(fù)載時(shí)三相電壓（實(shí)測(cè)值）Table 5 Three phase voltage（actually measured value）at different loads at low voltage side of main transformer

根據(jù)主變低壓側(cè)不同負(fù)載時(shí)實(shí)測(cè)三相電壓數(shù)據(jù)分別計(jì)算低壓側(cè)負(fù)序電壓U2和自產(chǎn)零序電壓3U0。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)空載時(shí)，主變低壓側(cè)負(fù)序電壓U2為0.175 V，自產(chǎn)零序電壓3U0為12.51 V。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)投入1 組低抗時(shí)，主變低壓側(cè)負(fù)序電壓U2為0.195 V，自產(chǎn)零序電壓3U0為12.24 V。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)投入3 組低抗時(shí)，主變低壓側(cè)負(fù)序電壓U2為0.167 V，自產(chǎn)零序電壓3U0為9.32 V，具體計(jì)算數(shù)值如表6 所示。

表6 主變低壓側(cè)不同負(fù)載時(shí)負(fù)序電壓和自產(chǎn)零序電壓Table 6 Negative sequence voltage and self-produced zero sequence voltage under different loads at low voltage side of main transformer

4.2 三相電壓不平衡對(duì)相關(guān)二次設(shè)備的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的二次電壓和計(jì)算的零負(fù)序電壓，分析三相對(duì)地不平衡電壓對(duì)相關(guān)二次設(shè)備的影響。

4.2.1 對(duì)母線、主變和電容器的影響

當(dāng)主變低壓側(cè)空載、投入1 組低抗或3 組低抗運(yùn)行時(shí)，分析三相電壓不平衡對(duì)66 kV 母線保護(hù)、主變保護(hù)和66 kV 電容器保護(hù)功能及告警信號(hào)的影響，其結(jié)果如表7 所示。

表7 三相電壓不平衡對(duì)母線、主變和電容器的影響Table 7 The influence of three-phase voltage imbalance on the busbar，main transformer and capacitor

由表7 的結(jié)果可知，主變低壓側(cè)空載、投入一組低抗或三組低抗運(yùn)行時(shí)，各二次設(shè)備保護(hù)裝置均不會(huì)發(fā)“PT 斷線”告警信號(hào)，主變低壓側(cè)不平衡電壓對(duì)66 kVⅡ母母線保護(hù)裝置運(yùn)行、主變保護(hù)裝置運(yùn)行和66 kV 電容器保護(hù)裝置的運(yùn)行無(wú)影響。

4.2.2 對(duì)測(cè)控及錄波裝置的影響

當(dāng)主變低壓側(cè)空載、投入一組低抗或三組低抗運(yùn)行時(shí)，分析三相電壓不平衡對(duì)66 kVⅡ母測(cè)控裝置、主變低壓側(cè)測(cè)控裝置和主變故障錄波器的影響分析錄波裝置的影響，其結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 三相電壓不平衡對(duì)測(cè)控及錄波裝置的影響Table 8 Influence of three-phase voltage imbalance on measurement，control and wave recording device

結(jié)合表8 的分析結(jié)果可知主變低壓側(cè)空載或投入一組低抗時(shí)，主變低壓側(cè)不平衡電壓會(huì)造成66 kVⅡ母測(cè)控及主變低壓側(cè)測(cè)控裝置發(fā)“PT 斷線”告警信號(hào)，同時(shí)可能會(huì)啟動(dòng)主變故障錄波器。主變低壓側(cè)投入三組低抗時(shí)，對(duì)66 kVⅡ母測(cè)控、主變低壓側(cè)測(cè)控裝置及主變故障錄波器均無(wú)影響。

4.2.3 對(duì)其他保護(hù)裝置的影響分析

主變低壓側(cè)空載、投入一組低抗或三組低抗運(yùn)行時(shí)，分別對(duì)66 kV 電抗器及66 kV 站用變、66 kV聯(lián)絡(luò)變和SVG 保護(hù)的影響進(jìn)行分析，經(jīng)分析可知，主變低壓側(cè)不平衡電壓對(duì)66 kV 電抗器、66 kV 站用變、66 kV 聯(lián)絡(luò)變及SVG 保護(hù)運(yùn)行均無(wú)影響。

5 三相電壓不平衡對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響

5.1 對(duì)一次系統(tǒng)運(yùn)行的影響分析

主變低壓側(cè)帶不同感性負(fù)載運(yùn)行時(shí)，三相電流幅值見(jiàn)表9。其中SVG 運(yùn)行在最大感性負(fù)載，為理論計(jì)算值，其余數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)值。

表9 主變低壓側(cè)帶感性負(fù)載時(shí)的三相電流Table 9 Three-phase current with inductive load at lowvoltage side of main transformer

由表9 可知，主變低壓側(cè)帶一組及多組電抗器或SVG 時(shí)，低壓側(cè)環(huán)流（3I0）最大不超過(guò)10 A，遠(yuǎn)小于主變低壓側(cè)額定電流，故主變可以持續(xù)運(yùn)行。

主變低壓側(cè)帶不同容性負(fù)載時(shí)，三相電流幅值見(jiàn)表10。其中SVG 運(yùn)行在最大容性負(fù)載，均為理論計(jì)算值。

表10 主變低壓側(cè)帶容性負(fù)載時(shí)的三相電流Table 10 Three phase current with capacitive load at low voltage side of main transformer

由表10 可知，主變低壓側(cè)帶一組及多組電容器或SVG 時(shí)，低壓側(cè)環(huán)流最大不超過(guò)10 A，遠(yuǎn)小于主變低壓側(cè)額定電流，可以持續(xù)運(yùn)行。

5.2 對(duì)SVG運(yùn)行的影響

由于SVG 為三角型接線方式（相電壓等于線電壓），再通過(guò)聯(lián)絡(luò)變壓器接入主變66 kV 側(cè)母線，雖然66 kV 母線三相相電壓存在不平衡情況，但主變66 kV 母線線電壓不存在不平衡問(wèn)題，因此SVG 的運(yùn)行電壓不會(huì)受到66 kV 母線三相相電壓不平衡現(xiàn)象的影響。

5.3 對(duì)二次系統(tǒng)運(yùn)行的影響

主變低壓側(cè)空載或投入一組低抗時(shí)，主變低壓側(cè)母線三相電壓不平衡，會(huì)產(chǎn)生一定負(fù)序電壓和零序電壓，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算的零負(fù)序電壓分析，對(duì)主變、66 kV 母線、66 kV 電抗器、66 kV 站用變、66 kV 聯(lián)絡(luò)變及SVG 等相關(guān)保護(hù)運(yùn)行無(wú)影響。

6 結(jié)語(yǔ)

1）66 kVⅡ母電壓互感器試驗(yàn)、檢測(cè)數(shù)據(jù)正常，可以排除電壓互感器異常情況。C 相變壓器與A、B兩相變壓器各繞組等效電容存在明顯差異，三相參數(shù)不平衡。低壓側(cè)三相參數(shù)不平衡可以引起三相電壓不平衡，仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)趨勢(shì)一致。同時(shí)會(huì)在主變低壓側(cè)會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)流，但數(shù)值較小（小于10 A），不影響主變正常運(yùn)行。主變低壓側(cè)母線三相電壓不平衡不會(huì)影響主變、66 kV 母線、66 kV電抗器、66 kV 站用變、66 kV 聯(lián)絡(luò)變及SVG 的正常運(yùn)行。

2）主變低壓側(cè)空載或投入一組低抗時(shí)，電壓不平衡電壓會(huì)造成66 kVⅡ母測(cè)控及主變低壓側(cè)測(cè)控裝置發(fā)“PT 斷線”告警信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)主變故障錄波器。主變低壓側(cè)投入三組低抗時(shí)，對(duì)66 kVⅡ母測(cè)控、主變低壓側(cè)測(cè)控裝置及主變故障錄波器均無(wú)影響。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，上述運(yùn)行方式時(shí)的不平衡電壓對(duì)設(shè)備運(yùn)行無(wú)影響。

3）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況，主變低壓側(cè)三相電壓不平衡，會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)流，應(yīng)加強(qiáng)主變電壓、電流及溫升情況的監(jiān)測(cè)，應(yīng)注意對(duì)地電壓最高值不應(yīng)超過(guò)低壓側(cè)電容式電壓互感器允許最高運(yùn)行電壓。