多绕组变压器串联运行的特殊方式分析

引言

在城网运行中，电力系统正常运行方式下以高电压等级逐级向低电压等级供电，通过变压器的逐步降压满足配电网用户的用电需求[1]。在用电负荷不断增加的同时，国网公司及其各供电公司也在不断进行城网增容及改造工程，这个过程中，由于供电网络的建设进度原因，为在工程改造期间保证用户供电可靠性，满足双电源运行要求[2]，尽最大可能发挥供电设备作用，可将多绕组变压器以串联方式运行，实现特殊供电路径的供电方案。

在通常的辐射状电网中，变压器作为将不同电压等级的电网联系起来的单一元件，一般可分为两种：升压变压器和降压变压器。同类型的变压器存在并联运行的可能性，也就是常称的合环运行[3]。本文讨论的变压器串联运行与正常不同，涉及的是多绕组变压器或三绕组变压器。将两台三绕组变压器的中压侧连在一起，一台电源在其高压侧，另一台负荷在其低压侧，称多绕组变压器串联运行[4]。在电网的实际运行中，这种供电方式很少有实际的案例分析，但出于电网事故或电网运行方式的需要，也确实会有这样的运行接线。

为了确保在这种特殊的变压器串联接线情况下供电质量和操作风险在可控范围内，可以利用变压器的等值电路和参数计算方法求出理论值。本文将对此进行详细计算分析，以解决母线电压低和环网并解潮流计算困难的问题；并通过实际运行数据的比较，验证多绕组变压器串联运行特殊方式的可行性，为提高电网运行可靠性提供经验。

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系统正常和特殊运行方式介绍

目前，上海电网的网架特点是500kV环网运行、220kV分区运行[5]。电磁环网是电网发展过程中的产物，220 kV电网初期为满足输配电要求形成了500 kV、220 kV电磁环网[6]。而随着500 kV网架的加强，许多220 kV电磁环网为了限制短路要求开环运行，这也伴随着110 kV及以下配电网的合环问题。电磁环网是指不同电压等级运行的线路通过变压器电磁回路的连接而构成的环路[7]。电磁环网存在的主要原因是：一般情况下，往往在高一级电压线路投入运行初期，由于高一级电压网络尚未形成或网络尚不坚强，为保证输电能力或保重要负荷而不得不电磁环网运行[8]。合环是指在电力系统电气操作中将线路、变压器或断路器串构成的网络闭合运行的操作，目的是转供负荷。合环需要一定的必备条件：合环点相位应一致；如首次合环或检修后可能引起相位变化的，必须经测定证明合环点两侧相位一致；如属于电磁环网，则环网内的变压器组别之差为零；特殊情况下，经计算校验继电保护不会误动作及有关环路设备不过载，允许变压器差30°时进行合环操作；合环后不会引起环网内各元件过载；各母线电压不应超过规定值；继电保护与安全自动装置应适应环网运行方式；电网稳定符合规定的要求[9]。

如图1所示，220 kV某站有三台220 kV/110 kV/35 kV三绕组变压器，分别为1号、2号、3号变压器，容量为240 MVA，其上级电源分别来自A站、B站、C站。由于1号主变为新增第三回路，故35 kV未投运，其仅运行220 kV/110 kV；2号主变、3号主变为全运行，即某站的正常运行方式。由于城网改造的要求，现需要将220 kV B站至220 kV某站的2号主变电源线停役，在典型的停役运行方式下，220 kV某站2号主变35 kV将负荷通过35 kV分段开关转移至某站3号主变35 kV供电，但这将导致220 kV某站35 kV所供用户达到多个单电源运行风险状态。假设220 kV某站3号主变及其上级电源故障，较多用户及35 kV变电站将全站停电。为此，将安排220 kV某站1号主变110 kV通过110 kV一/二分段供应2号主变110 kV，再降压至35 kV二段母线，仍保持220 kV某站35 kV负荷双电源供电要求。

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某站变压器的等值电路和参数计算

变压器参数一般应归算到低压侧，因低压侧只有一个分接头，归算到低压侧的变压器参数不随变压器变比的改变而变化。对于三绕组变压器的主变，高中低压各侧绕组的短路损耗（ΔPS1、ΔPS2、ΔPS3）的计算如公式（1）所示：

式中：ΔPS（1-2）、ΔPS（1-3）、ΔPS（2-3）分别为高中低压侧绕组中某一相绕组开路时，其余两侧绕组的短路功率损耗之和。

进而可计算各侧绕组的等值电阻Ri，方法如公式（2）所示：

式中：VN和SN分别为变压器额定限电压和三相额定容量。

再基于电压基准值UN，求得等值电阻Ri的标幺值Ri*，如公式（3）所示：

在此基础上可计算主变各侧绕组的电抗标幺值。三绕组变压器电抗的压降可认为近似等于短路电压，故各绕组电抗标幺值的计算方法如公式（4）所示：

式中：UK1*、UK2*、UK3*分别为各绕组的短路电压；UK1-2%、UK1-3%、UK2-3%分别为各绕组的短路电压百分数。

某站3台主变的参数可以表1中新江湾站的数据为例。

基于以上公式，代入新江湾站主变的参数，可以求得三台主变高、中、低压侧的电阻和电抗标幺值，如公式（5）所示：

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某站串联变压器电压降落计算及其损耗

3.1

电压降落

当220 kV B站至220 kV某站2号主变电源线停役时，根据前文所述运行方式进行调整，主变T2的220 kV绕组与上级站的连接断开，主变T1的110 kV绕组连接至T2的110 kV绕组，作为T2的供电电源，由此可以得到某站1号主变与2号主变串联运行时的等效电路，如图2所示。

根据变压器串联的等效电路图，计算等效电路中的等效电阻RZ*和电抗XZ*，计算方法如公式（6）所示：

进而采用归算至220 kV侧的功率（P1*、Q1*）和电压量U1*的标幺值可计算主变1和主变2串联后的电压降落，结果如公式（7）和（8）所示：

从计算结果可知，该运行方式下某站2号主变35 kV母线电压比正常方式下降了0.3 kV，主变每分接头上调1挡后35 kV母线电压将升高0.4 kV，故应将某站3号主变分接头上调1挡（从2挡改为3挡），电压变化如图3所示。

3.2

功率损耗

同理，串联后变压器的损耗计算可由公式（9）计算：

计算结果表明，该运行方式负荷损耗在运行允许范围内。

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母线电压低的解决方案

母线电压是电网安全稳定运行的重要指标之一。根据电压降落计算可见，35 kV母线电压过低，可以通过两种方法来解决，以提高母线电压水平。一种方法是在35 kV母线投入电容器运行或退出电抗器运行。由于母线电压低是系统方式改变引起的，故通过电容器和电抗器调节方式只能在有限范围内缓解，同时也失去了再次调整的灵活手段。另一种方法是通过调节变压器高压侧主变分接头档位来实现。把主变分接头档位上调完全可以实现35 kV和110 kV母线电压提高的目的，同时也保留了电容器和电抗器调节的灵活手段。在目前城网中大容量的220 kV变压器可以逐步配置有载调压的变压器，其优势在于对110 kV和35 kV的母线电压可进行不停电调整，并提高电压质量。

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环网并解潮流计算方法

以上海220 kV新江湾站两台主变串联特殊运行方式为例，环网并解潮流计算是其关键问题。若两台变压器的上级电源不在同一系统，合环时会有系统环流从变压器中流过，这时系统的负荷角差越大，环流越大，轻者造成变压器跳闸，严重时会将变压器烧损。因此，对于规程规定不允许合环的系统，操作时要严格按规程执行。而且可能的合环点应加装防误闭锁。在调度操作过程中，为了估算两个系统的合解环情况，通过下述计算方法可理论上得出环流的理论数值和范围。

5.1

主变的继电保护定值调整方法

需要将2号主变的电流保护时限进行调整（从3.2 s改为2.9 s），以满足非正常运行方式下保护的差级动作（与2号主变110 kV过流保护3.2 s时限配合），在35 kV母线故障下保证能正确动作，以防止3号主变110 kV越级跳闸造成负荷失电。

5.2

环网运行的环流大小

环网运行时环流大小的计算方法如公式（10）所示：

该方式下环流较大，但大小在保护范围内，合环操作是安全的。基于新江湾站主变的参数，可以得到环网运行时的潮流变化如公式（11）所示：

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结语

为了在工程改造期间保证用户供电可靠性，满足双电源运行要求，尽最大可能发挥供电设备作用，可将多绕组变压器以串联方式运行，实现特殊供电路径的供电方案。本文利用变压器的等值电路模型计算了变压器串联运行时的电压降落及损耗，提出了保证电压合格率及合解环潮流安全的技术手段，论证了多绕组变压器串联运行方式的可行性。本文的计算结果表明，在电力系统中多绕组变压器在特殊运行方式下完全可以正常供电，并且其运行损耗也满足功率因数要求，对提升电力系统城网改造期间的可靠性有很大帮助，有效避免了单电源运行风险。

审核编辑：刘清