多繞組變壓器串聯運行的特殊方式分析

引言

在城網運行中，電力系統正常運行方式下以高電壓等級逐級向低電壓等級供電，通過變壓器的逐步降壓滿足配電網用戶的用電需求[1]。在用電負荷不斷增加的同時，國網公司及其各供電公司也在不斷進行城網增容及改造工程，這個過程中，由于供電網絡的建設進度原因，為在工程改造期間保證用戶供電可靠性，滿足雙電源運行要求[2]，盡最大可能發揮供電設備作用，可將多繞組變壓器以串聯方式運行，實現特殊供電路徑的供電方案。

在通常的輻射狀電網中，變壓器作為將不同電壓等級的電網聯系起來的單一元件，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運行的可能性，也就是常稱的合環運行[3]。本文討論的變壓器串聯運行與正常不同，涉及的是多繞組變壓器或三繞組變壓器。將兩臺三繞組變壓器的中壓側連在一起，一臺電源在其高壓側，另一臺負荷在其低壓側，稱多繞組變壓器串聯運行[4]。在電網的實際運行中，這種供電方式很少有實際的案例分析，但出于電網事故或電網運行方式的需要，也確實會有這樣的運行接線。

為了確保在這種特殊的變壓器串聯接線情況下供電質量和操作風險在可控范圍內，可以利用變壓器的等值電路和參數計算方法求出理論值。本文將對此進行詳細計算分析，以解決母線電壓低和環網并解潮流計算困難的問題；并通過實際運行數據的比較，驗證多繞組變壓器串聯運行特殊方式的可行性，為提高電網運行可靠性提供經驗。

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系統正常和特殊運行方式介紹

目前，上海電網的網架特點是500kV環網運行、220kV分區運行[5]。電磁環網是電網發展過程中的產物，220 kV電網初期為滿足輸配電要求形成了500 kV、220 kV電磁環網[6]。而隨著500 kV網架的加強，許多220 kV電磁環網為了限制短路要求開環運行，這也伴隨著110 kV及以下配電網的合環問題。電磁環網是指不同電壓等級運行的線路通過變壓器電磁回路的連接而構成的環路[7]。電磁環網存在的主要原因是：一般情況下，往往在高一級電壓線路投入運行初期，由于高一級電壓網絡尚未形成或網絡尚不堅強，為保證輸電能力或保重要負荷而不得不電磁環網運行[8]。合環是指在電力系統電氣操作中將線路、變壓器或斷路器串構成的網絡閉合運行的操作，目的是轉供負荷。合環需要一定的必備條件：合環點相位應一致；如首次合環或檢修后可能引起相位變化的，必須經測定證明合環點兩側相位一致；如屬于電磁環網，則環網內的變壓器組別之差為零；特殊情況下，經計算校驗繼電保護不會誤動作及有關環路設備不過載，允許變壓器差30°時進行合環操作；合環后不會引起環網內各元件過載；各母線電壓不應超過規定值；繼電保護與安全自動裝置應適應環網運行方式；電網穩定符合規定的要求[9]。

如圖1所示，220 kV某站有三臺220 kV/110 kV/35 kV三繞組變壓器，分別為1號、2號、3號變壓器，容量為240 MVA，其上級電源分別來自A站、B站、C站。由于1號主變為新增第三回路，故35 kV未投運，其僅運行220 kV/110 kV；2號主變、3號主變為全運行，即某站的正常運行方式。由于城網改造的要求，現需要將220 kV B站至220 kV某站的2號主變電源線停役，在典型的停役運行方式下，220 kV某站2號主變35 kV將負荷通過35 kV分段開關轉移至某站3號主變35 kV供電，但這將導致220 kV某站35 kV所供用戶達到多個單電源運行風險狀態。假設220 kV某站3號主變及其上級電源故障，較多用戶及35 kV變電站將全站停電。為此，將安排220 kV某站1號主變110 kV通過110 kV一/二分段供應2號主變110 kV，再降壓至35 kV二段母線，仍保持220 kV某站35 kV負荷雙電源供電要求。

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某站變壓器的等值電路和參數計算

變壓器參數一般應歸算到低壓側，因低壓側只有一個分接頭，歸算到低壓側的變壓器參數不隨變壓器變比的改變而變化。對于三繞組變壓器的主變，高中低壓各側繞組的短路損耗（ΔPS1、ΔPS2、ΔPS3）的計算如公式（1）所示：

式中：ΔPS（1-2）、ΔPS（1-3）、ΔPS（2-3）分別為高中低壓側繞組中某一相繞組開路時，其余兩側繞組的短路功率損耗之和。

進而可計算各側繞組的等值電阻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。

再基于電壓基準值UN，求得等值電阻Ri的標幺值Ri*，如公式（3）所示：

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

式中：UK1*、UK2*、UK3*分別為各繞組的短路電壓；UK1-2%、UK1-3%、UK2-3%分別為各繞組的短路電壓百分數。

某站3臺主變的參數可以表1中新江灣站的數據為例。

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

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某站串聯變壓器電壓降落計算及其損耗

3.1

電壓降落

當220 kV B站至220 kV某站2號主變電源線停役時，根據前文所述運行方式進行調整，主變T2的220 kV繞組與上級站的連接斷開，主變T1的110 kV繞組連接至T2的110 kV繞組，作為T2的供電電源，由此可以得到某站1號主變與2號主變串聯運行時的等效電路，如圖2所示。

根據變壓器串聯的等效電路圖，計算等效電路中的等效電阻RZ*和電抗XZ*，計算方法如公式（6）所示：

進而采用歸算至220 kV側的功率（P1*、Q1*）和電壓量U1*的標幺值可計算主變1和主變2串聯后的電壓降落，結果如公式（7）和（8）所示：

從計算結果可知，該運行方式下某站2號主變35 kV母線電壓比正常方式下降了0.3 kV，主變每分接頭上調1擋后35 kV母線電壓將升高0.4 kV，故應將某站3號主變分接頭上調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，串聯后變壓器的損耗計算可由公式（9）計算：

計算結果表明，該運行方式負荷損耗在運行允許范圍內。

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母線電壓低的解決方案

母線電壓是電網安全穩定運行的重要指標之一。根據電壓降落計算可見，35 kV母線電壓過低，可以通過兩種方法來解決，以提高母線電壓水平。一種方法是在35 kV母線投入電容器運行或退出電抗器運行。由于母線電壓低是系統方式改變引起的，故通過電容器和電抗器調節方式只能在有限范圍內緩解，同時也失去了再次調整的靈活手段。另一種方法是通過調節變壓器高壓側主變分接頭檔位來實現。把主變分接頭檔位上調完全可以實現35 kV和110 kV母線電壓提高的目的，同時也保留了電容器和電抗器調節的靈活手段。在目前城網中大容量的220 kV變壓器可以逐步配置有載調壓的變壓器，其優勢在于對110 kV和35 kV的母線電壓可進行不停電調整，并提高電壓質量。

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環網并解潮流計算方法

以上海220 kV新江灣站兩臺主變串聯特殊運行方式為例，環網并解潮流計算是其關鍵問題。若兩臺變壓器的上級電源不在同一系統，合環時會有系統環流從變壓器中流過，這時系統的負荷角差越大，環流越大，輕者造成變壓器跳閘，嚴重時會將變壓器燒損。因此，對于規程規定不允許合環的系統，操作時要嚴格按規程執行。而且可能的合環點應加裝防誤閉鎖。在調度操作過程中，為了估算兩個系統的合解環情況，通過下述計算方法可理論上得出環流的理論數值和范圍。

5.1

主變的繼電保護定值調整方法

需要將2號主變的電流保護時限進行調整（從3.2 s改為2.9 s），以滿足非正常運行方式下保護的差級動作（與2號主變110 kV過流保護3.2 s時限配合），在35 kV母線故障下保證能正確動作，以防止3號主變110 kV越級跳閘造成負荷失電。

5.2

環網運行的環流大小

環網運行時環流大小的計算方法如公式（10）所示：

該方式下環流較大，但大小在保護范圍內，合環操作是安全的?；谛陆瓰痴局髯兊膮?，可以得到環網運行時的潮流變化如公式（11）所示：

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結語

為了在工程改造期間保證用戶供電可靠性，滿足雙電源運行要求，盡最大可能發揮供電設備作用，可將多繞組變壓器以串聯方式運行，實現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算了變壓器串聯運行時的電壓降落及損耗，提出了保證電壓合格率及合解環潮流安全的技術手段，論證了多繞組變壓器串聯運行方式的可行性。本文的計算結果表明，在電力系統中多繞組變壓器在特殊運行方式下完全可以正常供電，并且其運行損耗也滿足功率因數要求，對提升電力系統城網改造期間的可靠性有很大幫助，有效避免了單電源運行風險。

審核編輯：劉清