引言

在城網(wǎng)運(yùn)行中,電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下以高電壓等級(jí)逐級(jí)向低電壓等級(jí)供電,通過(guò)變壓器的逐步降壓滿足配電網(wǎng)用戶的用電需求。在用電負(fù)荷不斷增加的同時(shí),國(guó)網(wǎng)公司及其各供電公司也在不斷進(jìn)行城網(wǎng)增容及改造工程,這個(gè)過(guò)程中,由于供電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)進(jìn)度原因,為在工程改造期間保證用戶供電可靠性,滿足雙電源運(yùn)行要求,盡最大可能發(fā)揮供電設(shè)備作用,可將多繞組變壓器以串聯(lián)方式運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)特殊供電路徑的供電方案。

在通常的輻射狀電網(wǎng)中,變壓器作為將不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)聯(lián)系起來(lái)的單一元件,一般可分為兩種:升壓變壓器和降壓變壓器。同類型的變壓器存在并聯(lián)運(yùn)行的可能性,也就是常稱的合環(huán)運(yùn)行。本文討論的變壓器串聯(lián)運(yùn)行與正常不同,涉及的是多繞組變壓器或三繞組變壓器。將兩臺(tái)三繞組變壓器的中壓側(cè)連在一起,一臺(tái)電源在其高壓側(cè),另一臺(tái)負(fù)荷在其低壓側(cè),稱多繞組變壓器串聯(lián)運(yùn)行。

在電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行中,這種供電方式很少有實(shí)際的案例分析,但出于電網(wǎng)事故或電網(wǎng)運(yùn)行方式的需要,也確實(shí)會(huì)有這樣的運(yùn)行接線。

為了確保在這種特殊的變壓器串聯(lián)接線情況下供電質(zhì)量和操作風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi),可以利用變壓器的等值電路和參數(shù)計(jì)算方法求出理論值。本文將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析,以解決母線電壓低和環(huán)網(wǎng)并解潮流計(jì)算困難的問(wèn)題:并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的比較,驗(yàn)證多繞組變壓器串聯(lián)運(yùn)行特殊方式的可行性,為提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性提供經(jīng)驗(yàn)。

1系統(tǒng)正常和特殊運(yùn)行方式介紹

目前,上海電網(wǎng)的網(wǎng)架特點(diǎn)是500kk環(huán)網(wǎng)運(yùn)行、220kk分區(qū)運(yùn)行。電磁環(huán)網(wǎng)是電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的產(chǎn)物,220kk電網(wǎng)初期為滿足輸配電要求形成了500kk、220kk電磁環(huán)網(wǎng)。而隨著500kk網(wǎng)架的加強(qiáng),許多220kk電磁環(huán)網(wǎng)為了限制短路要求開(kāi)環(huán)運(yùn)行,這也伴隨著110kk及以下配電網(wǎng)的合環(huán)問(wèn)題。電磁環(huán)網(wǎng)是指不同電壓等級(jí)運(yùn)行的線路通過(guò)變壓器電磁回路的連接而構(gòu)成的環(huán)路。電磁環(huán)網(wǎng)存在的主要原因是:一般情況下,往往在高一級(jí)電壓線路投入運(yùn)行初期,由于高一級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)尚未形成或網(wǎng)絡(luò)尚不堅(jiān)強(qiáng),為保證輸電能力或保重要負(fù)荷而不得不電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。合環(huán)是指在電力系統(tǒng)電氣操作中將線路、變壓器或斷路器串構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)閉合運(yùn)行的操作,目的是轉(zhuǎn)供負(fù)荷。合環(huán)需要一定的必備條件:合環(huán)點(diǎn)相位應(yīng)一致:如首次合環(huán)或檢修后可能引起相位變化的,必須經(jīng)測(cè)定證明合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)相位一致:如屬于電磁環(huán)網(wǎng),則環(huán)網(wǎng)內(nèi)的變壓器組別之差為零:特殊情況下,經(jīng)計(jì)算校驗(yàn)繼電保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作及有關(guān)環(huán)路設(shè)備不過(guò)載,允許變壓器差30o時(shí)進(jìn)行合環(huán)操作:合環(huán)后不會(huì)引起環(huán)網(wǎng)內(nèi)各元件過(guò)載:各母線電壓不應(yīng)超過(guò)規(guī)定值:繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置應(yīng)適應(yīng)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式:電網(wǎng)穩(wěn)定符合規(guī)定的要求。

如圖1所示,220kk某站有三臺(tái)220kk/110kk/35kk三繞組變壓器,分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)變壓器,容量為240MkA,其上級(jí)電源分別來(lái)自A站、B站、C站。由于1號(hào)主變?yōu)樾略龅谌芈?故35kk未投運(yùn),其僅運(yùn)行220kk/110kk:2號(hào)主變、3號(hào)主變?yōu)槿\(yùn)行,即某站的正常運(yùn)行方式。由于城網(wǎng)改造的要求,現(xiàn)需要將220kkB站至220kk某站的2號(hào)主變電源線停役,在典型的停役運(yùn)行方式下,220kV某站2號(hào)主變35kV將負(fù)荷通過(guò)35kV分段開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移至某站3號(hào)主變35kV供電,但這將導(dǎo)致220kV某站35kV所供用戶達(dá)到多個(gè)單電源運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。假設(shè)220kV某站3號(hào)主變及其上級(jí)電源故障,較多用戶及35kV變電站將全站停電。為此,將安排220kV某站1號(hào)主變110kV通過(guò)110kV一/二分段供應(yīng)2號(hào)主變110kV,再降壓至35kV二段母線,仍保持220kV某站35kV負(fù)荷雙電源供電要求。

2某站變壓器的等值電路和參數(shù)計(jì)算

變壓器參數(shù)一般應(yīng)歸算到低壓側(cè),因低壓側(cè)只有一個(gè)分接頭,歸算到低壓側(cè)的變壓器參數(shù)不隨變壓器變比的改變而變化。對(duì)于三繞組變壓器的主變,高中低壓各側(cè)繞組的短路損耗(APs1、APs2、APs3)的計(jì)算如公式(1)所示:

式中:APs(1-2)、APs(1-3)、APs(2-3)分別為高中低壓側(cè)繞組中某一相繞組開(kāi)路時(shí),其余兩側(cè)繞組的短路功率損耗之和。進(jìn)而可計(jì)算各側(cè)繞組的等值電阻Ri,方法如公式(2)所示:

式中:vN和sN分別為變壓器額定限電壓和三相額定容量。

再基于電壓基準(zhǔn)值uN,求得等值電阻Ri的標(biāo)幺值Ri*,如公式(3)所示:

在此基礎(chǔ)上可計(jì)算主變各側(cè)繞組的電抗標(biāo)幺值。三繞組變壓器電抗的壓降可認(rèn)為近似等于短路電壓,故各繞組電抗標(biāo)幺值的計(jì)算方法如公式(4)所示:

式中:uK1*、uK2*、uK3*分別為各繞組的短路電壓:uK(1-2)%、uK(1-3)%、uK(2-3)%分別為各繞組的短路電壓百分?jǐn)?shù)。

某站3臺(tái)主變的參數(shù)可以表1中新江灣站的數(shù)據(jù)為例。

基于以上公式,代入新江灣站主變的參數(shù),可以求得三臺(tái)主變高、中、低壓側(cè)的電阻和電抗標(biāo)幺值,如公式(5)所示:

3圖某和串變壓器電壓降落計(jì)算及其損耗

3.1電壓降落

當(dāng)220kVB站至220kV某站2號(hào)主變電源線停役時(shí),根據(jù)前文所述運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整,主變T2的220kV繞組與上級(jí)站的連接斷開(kāi),主變T1的110kV繞組連接至T2的110kV繞組,作為T2的供電電源,由此可以得到某站1號(hào)主變與2號(hào)主變串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的等效電路,如圖2所示。

根據(jù)變壓器串聯(lián)的等效電路圖,計(jì)算等效電路中的等效電阻REQ \* jc3 \* hps11 \o\al(\s\up 3(和電抗XEQ \* jc3 \* hps11 \o\al(\s\up 3(,計(jì)算方法如公式(6)所示:

進(jìn)而采用歸算至220kV側(cè)的功率(P1*、Q1*)和電壓量U1*的標(biāo)幺值可計(jì)算主變1和主變2串聯(lián)后的電壓降落,結(jié)果如公式(5)和(7)所示:

從計(jì)算結(jié)果可知,該運(yùn)行方式下某站2號(hào)主變35kV母線電壓比正常方式下降了0.3kV,主變每分接頭上調(diào)1擋后35kV母線電壓將升高084kV,故應(yīng)將某站+號(hào)主變分接頭上調(diào)1擋(從2擋改為3擋),電壓變化如圖3所示。

3.2功率損耗

同理,串聯(lián)后變壓器的損耗計(jì)算可由公式(9)計(jì)算:

計(jì)算結(jié)果表明,該運(yùn)行方式負(fù)荷損耗在運(yùn)行允許范圍內(nèi)。

4母線電壓低的解決方案

母線電壓是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。根據(jù)電壓降落計(jì)算可見(jiàn),35KV母線電壓過(guò)低,可以通過(guò)兩種方法來(lái)解決,以提高母線電壓水平。一種方法是在35KV母線投入電容器運(yùn)行或退出電抗器運(yùn)行。由于母線電壓低是系統(tǒng)方式改變引起的,故通過(guò)電容器和電抗器調(diào)節(jié)方式只能在有限范圍內(nèi)緩解,同時(shí)也失去了再次調(diào)整的靈活手段。另一種方法是通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器高壓側(cè)主變分接頭檔位來(lái)實(shí)現(xiàn)。把主變分接頭檔位上調(diào)完全可以實(shí)現(xiàn)35KV和110kV母線電壓提高的目的,同時(shí)也保留了電容器和電抗器調(diào)節(jié)的靈活手段。在目前城網(wǎng)中大容量的220kV變壓器可以逐步配置有載調(diào)壓的變壓器,其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)110kV和35KV的母線電壓可進(jìn)行不停電調(diào)整,并提高電壓質(zhì)量。

5環(huán)網(wǎng)并解潮流計(jì)算方法

以上海220kV新江灣站兩臺(tái)主變串聯(lián)特殊運(yùn)行方式為例,環(huán)網(wǎng)并解潮流計(jì)算是其關(guān)鍵問(wèn)題。若兩臺(tái)變壓器的上級(jí)電源不在同一系統(tǒng),合環(huán)時(shí)會(huì)有系統(tǒng)環(huán)流從變壓器中流過(guò),這時(shí)系統(tǒng)的負(fù)荷角差越大,環(huán)流越大,輕者造成變壓器跳閘,嚴(yán)重時(shí)會(huì)將變壓器燒損。因此,對(duì)于規(guī)程規(guī)定不允許合環(huán)的系統(tǒng),操作時(shí)要嚴(yán)格按規(guī)程執(zhí)行。而且可能的合環(huán)點(diǎn)應(yīng)加裝防誤閉鎖。在調(diào)度操作過(guò)程中,為了估算兩個(gè)系統(tǒng)的合解環(huán)情況,通過(guò)下述計(jì)算方法可理論上得出環(huán)流的理論數(shù)值和范圍。

5.1主變的繼電保護(hù)定值調(diào)整方法

需要將2號(hào)主變的電流保護(hù)時(shí)限進(jìn)行調(diào)整(從3.2s改為2.9s),以滿足非正常運(yùn)行方式下保護(hù)的差級(jí)動(dòng)作(與2號(hào)主變110KV過(guò)流保護(hù)3.2s時(shí)限配合),在35KV母線故障下保證能正確動(dòng)作,以防止│號(hào)主變110KV越級(jí)跳閘造成負(fù)荷失電。

5.2環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的環(huán)流大小

環(huán)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)環(huán)流大小的計(jì)算方法如公式(10)所示:

該方式下環(huán)流較大,但大小在保護(hù)范圍內(nèi),合環(huán)操作是安全的?；谛陆瓰痴局髯兊膮?shù),可以得到環(huán)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的潮流變化如公式(11)所示:

6結(jié)語(yǔ)

為了在工程改造期間保證用戶供電可靠性,滿足雙電源運(yùn)行要求,盡最大可能發(fā)揮供電設(shè)備作用,可將多繞組變壓器以串聯(lián)方式運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)特殊供電路徑的供電方案。本文利用變壓器的等值電路模型計(jì)算了變壓器串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的電壓降落及損耗,提出了保證電壓合格率及合解環(huán)潮流安全的技術(shù)手段,論證了多繞組變壓器串聯(lián)運(yùn)行方式的可行性。本文的計(jì)算結(jié)果表明,在電力系統(tǒng)中多繞組變壓器在特殊運(yùn)行方式下完全可以正常供電,并且其運(yùn)行損耗也滿足功率因數(shù)要求,對(duì)提升電力系統(tǒng)城網(wǎng)改造期間的可靠性有很大幫助,有效避免了單電源運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。