特高壓變壓器UK%的選擇對運行電壓的影響分析

孫鳴，門富媛，吳俊玲，石婷婷（.合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥30009；．中國電力科學研究院，北京009）

特高壓變壓器UK%的選擇對運行電壓的影響分析

孫鳴1，門富媛1，吳俊玲2，石婷婷1
（1.合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥230009；2．中國電力科學研究院，北京100192）

特高壓變壓器是特高壓電網的重要設備，其短路電壓百分比UK%的選擇會影響到電網的多個指標。在1 000 kV變電站的模擬系統平臺，采用理論計算方法分析了特高壓變壓器UK%的變化對1 000 kV系統注入500 kV母線的短路電流值的影響；兼顧變壓器負載率的改變和是否通過第3繞組進行無功補償兩個方面，通過選取特定范圍內的變壓器不同的UK%值，運用PSCAD仿真軟件，分析和討論了500 kV母線電壓變化情況，得出特高壓變壓器UK%為15%～23%時任何值均能通過無功補償或有載調壓將500 kV母線電壓控制在515～530 kV的范圍內的結論。此工作可為特高壓變壓器UK%的選擇提供一定的參考。

特高壓（UHV）；變壓器；短路電壓百分比UK%；短路電流；運行電壓；無功損耗；無功補償；有載調壓

特高壓輸電具有輸送容量大、線路損耗小等優點，適合遠距離超大容量輸電，特高壓輸電技術的應用不僅能夠滿足未來我國電網規模逐步擴大、跨區聯網的要求，還能使資源達到最優化配置[1-2]。

近年來，我國部分省區負荷密度持續增長，其500 kV電網存在著擴大電源容量后可能造成短路電流超過斷路器額定遮斷容量的問題[3-4]。因此，要通過1 000 kV特高壓電網接入來滿足這類500 kV電網未來負荷增長的需求，則有必要對500 kV母線的短路電流水平加以控制。根據部分國外電網的運行經驗，變壓器的短路電壓百分比UK%一般采用10%～14%，而大容量火電廠、核電廠的變壓器的UK%則為20%左右，長三角地區新建電廠要求其變壓器的短路電壓百分比由常規的13.5%左右升高至18%～23%，新建變電站要求其500 kV變壓器的UK%由常規的13%左右升高到16%～20%[5-7]。

盡管高阻抗變壓器對短路電流有明顯的抑制作用，但高短路電壓百分比增大了系統的相角差，不利于系統的靜態穩定；同時還增大了無功損耗和電壓降落，會對電網運行電壓的質量帶來不利影響。為此，本文從限制短路電流、變壓器是否進行無功補償等方面來探討有關交流特高壓變壓器UK%的選擇對500 kV母線運行電壓影響的問題。

1 1000kV特高壓變電站獨立分區電網模型

圖1為1 000 kV特高壓變電站獨立分區電網簡圖，其中B1050和B525分別為1 000 kV和500 kV母線，XS為1 000 kV系統的等值電抗，ST1、UK1%和ST2、UK2%分別為1000 kV變電站中同類型變壓器的容量和短路電壓百分比，XL為地方電廠至分區1 000 kV變電站的線路等值電抗，SL=PL+j QL為500 kV側帶的負荷，ST3、UK3%為500 kV側地方電廠的升壓變壓器的容量和短路電壓百分比。

為便于分析，假定系統滿足如下條件：①電網中電阻遠小于電抗，即忽略電網和主變中電阻的影響；②因500 kV母線兩相接地短路電流水平一般相對較低，單相接地短路電流水平可以通過在主變中性點加裝小電抗使其降低到與三相短路電流相近，故僅對變電站母線三相短路進行分析。

圖1 1 000 kV變電站獨立分區電網接線簡圖Fig.1 SiMplified w iring diagraMof 1 000 kV substation indepenent partition

2 特高壓變壓器UK%的選擇對500 kV母線短路電流限制作用的分析

在圖1所示的1 000 kV變電站獨立分區電網中，Uk1%=Uk2%=UK%，ST1=ST2=ST。

采用標幺值法進行短路電流計算，取功率基值SB為100MVA，電壓基值UB為變壓器的額定電壓UN，可得電流和阻抗的基準值分別為

當500 kV母線故障時，1 000 kV系統通過變壓器向500 kV母線B525注入的短路電流

由式（3）可知，1 000 kV系統通過變壓器注入500 kV系統的短路電流和1 000 kV系統的短路容量、變壓器的容量和短路電壓百分比有關。

將變電站中每臺特高壓變壓器的額定容量取為3 000MVA，額定電壓取為1 050 kV/525（1±4× 1.25%）kV。在1 000 kV系統短路電流為10～60 kA（特高壓斷路器遮斷電流取為63 kA）范圍內的整數值所對應的系統的短路容量下，取不同的短路電壓百分比計算由1 000 kV系統注入500 kV母線的短路電流。本文以特高壓交流試驗示范工程及其擴建工程采用的變壓器UK%=18%為參考，并考慮到現有的制造能力，將特高壓變壓器UK%的范圍設定為15%～23%。代入有關參數進行計算，并將計算結果通過公式轉換為有效值，計算結果如表1所示。其中轉換公式為

由表1數據可知，當變壓器短路電壓百分比由15%增加到23%時，即便在1 000 kV系統短路電流為60 kA所對應的短路容量下，1 000 kV系統向500 kV母線注入的短路電流均低于33 kA。如果500 kV電網斷路器額定遮斷電流按照50 kA確定，那么，在兩臺并列運行的主變總容量為6 000 MVA的情況下，取變壓器的短路電壓百分比為下限值15%，1 000 kV系統注入500 kV母線的最大短路電流都不大于500 kV斷路器額定遮斷電流的70%，因此，是否要選擇更大的短路電壓百分比取決于該變電站500 kV母線所連接的電網自身的電源容量大小以及負荷容量大小。

為方便計算，圖1中的1 000 kV變電站獨立分區電網中，用不同容量的機組向500 kV母線提供短路電流來替代含電源線路（分區電源）對500 kV母線提供的短路電流。當地方電廠接入4臺1 000MW機組時，在1 000 kV系統最大短路容量情況下，經計算1 000 kV系統和地方電廠共同向500 kV母線注入的最大短路電流接近50 kA。由此可見，當該變電站500 kV母線系統所供的負荷容量遠大于2臺變壓器容量時，則地方電廠接入該母線系統的1 000MW機組數將大于4臺，此時可根據具體情況并參照表1適當增大變壓器短路電壓百分比，以達到限制短路電流的作用。

由電力系統潮流計算基礎知識可知，在負荷不變的情況下，增大變壓器UK%也會增大電壓的跌落值，因此，有必要研究特高壓變壓器UK%的變化對500 kV母線電壓的影響。

表1 1000 kV系統注入500 kV母線的短路電流Tab.1 Short circuit currents froM1 000 kV systeMto 500 kV bus

圖2 1 000 kV變電站仿真Fig.2 1 000 kV substation simulation diagram

3 特高壓變壓器UK%的變化對500 kV母線電壓影響的分析

輸電系統的節點電壓控制是電力系統安全穩定運行的重要保證。目前，安徽電網要求500 kV等級電網各節點電壓控制在510～525 kV[8]，華中電網則要求控制在510～540 kV[9]。考慮到各地特高壓電網對運行電壓要求的差異，以及超高壓變電站的電壓調節范圍[10]，本節取電壓調節范圍為515～530 kV。本節擬通過仿真運算來分析特高壓變壓器UK%的選擇對500 kV母線運行電壓的影響。

在PSCAD仿真平臺下，搭建如圖1所示的特高壓系統模型（如圖2所示），1 050 kV的電壓源（等效為1 000 kV系統）連接雙回輸電線路，輸電線路每km電抗和充電功率分別為0.254 7Ω和4.987 6Mvar，長度設為300 kM，考慮增設串補和高抗后的等效電抗為19.103Ω。每臺變壓器的額定容量和額定電壓分別為3 000MVA和1 050 kV/ 525（1±4×1.25%）kV[11]。

變壓器有載調壓開關位于中間位置（即變比K=1 050/525）時，保持負荷的功率因數0.98不變，分別測得短路電壓百分比在15%～23%的范圍內，變壓器通過不同的負荷值（負荷率β從20%增至90%）時500 kV母線的電壓值，結果如表2所示。

分析表2中數據可見，隨著負荷和短路電壓百分比的增大，500 kV電壓呈下降趨勢。當負荷率不高于40%時，UK%取最大值亦滿足要求；當負荷率為50%及以上時，若UK%≥19%，500 kV母線電壓則不能滿足下限515 kV的要求。

需要注意的是，表2中的數據是建立在特高壓（1 000 kV）線路經串補和并聯高抗之后、1 000 kV系統的短路電流為31.736 kA的條件下所得到的。當1 000 kV短路電流水平更低，且特高壓變壓器UK%超過18%后，如不采取必要的措施500 kV母線運行電壓將難以控制。

表2 K=1 050/525時不同負載情況下各短路阻抗比對應的500 kV側電壓Tab.2 Corresponding 500 kV side voltage atdifferent load casesand various short-circuit iMpedance of transformer w ith ratio K=1 050/525

作為一種較簡單的調壓方式，有載調壓通過改變變壓器的變比，可以在一定程度上改變500 kV側的電壓水平。但有載調壓并不總是有益的，當系統無功缺額較大，而負荷側電壓偏低時，如果通過增大變壓器的變比來使負荷側電壓升高，勢必會加大高壓側對電網無功的需求，從而使高壓側電壓嚴重下降，可能引起電壓的崩潰，不利于暫態電壓穩定性[12]。這時，可以考慮系統的無功[13]情況，從根本解決電壓水平較低的問題。而同樣由電力系統潮流計算基礎知識可知，在同一負荷下，變壓器的無功損耗的增加亦會使得變壓器上的電壓降落增大，從而導致500 kV母線電壓降低。因此，若能對變壓器的無功損耗進行補償，就會改善500 kV母線電壓的狀況。

4 無功補償后500 kV母線電壓

4.1 不同UK%時特高壓變壓器的無功損耗

單臺變壓器的無功損耗QT包括勵磁損耗ΔQ0和漏抗損耗ΔQT，即

式中：I0%為變壓器空載電流百分比；SN為變壓器的額定容量；β為變壓器的負載率[14]。

由于勵磁的無功損耗相對較小，計算時予以忽略，即變壓器的無功損耗為

改變變壓器的負載率，計算在不同UK%下的變壓器的無功損耗，計算結果如表3所示。

由表3可知，對于同一短路電壓百分比的變壓器，其無功損耗隨著負載率的增大而增大；當負載率一定時，其無功損耗隨著短路電壓百分比的增大而增大。當變壓器負載率較大時，選用較高短路電壓百分比的變壓器會產生很大的無功損耗。

4.2 無功補償后的500 kV母線電壓

在1 000 kV晉東南-南陽-荊門特高壓交流試驗示范工程中，特高壓變電站的每臺變壓器第3繞組110 kV低壓側配置了最大容量為4×210 Mvar（額定電壓126 kV）的無功補償裝置[15]，折算到110 kV后為每組補償容量為175Mvar。參考此種配置，利用圖3所示的仿真模型，參照表3中的數據再次進行仿真。由表3，在負載率20%～50%及60%下，短路電壓百分比為15%、16%時不投電容器；在負載率60%～80%的區域中，單臺變壓器無功損耗大于175Mvar，每臺投1組電容器；在負載率80%和90%加粗的數據區域內單臺變壓器投入2組電容器，即補償無功350Mvar；負載率90%網格陰影加粗的數據區域單臺變壓器投入3組電容器，即單臺補償無功525Mvar。

按照以上原則進行無功補償之后，重新得到的500 kV母線的電壓情況如表4所示。由表可知，進行無功補償后，相對于表2中的電壓情況，500 kV母線電壓已顯著提高。

表3 各負載率情況下不同短路電壓百分比的變壓器的無功損耗Tab.3 Transformer reactive power lossof variousshort circuit voltage percentagew ith different load

表4 無功補償后各短路阻抗比對應的500 kV側電壓Tab.4 Corresponding 500 kV side voltage at different load casesand various short-circuit iMpedance coMpensation

5 結果討論

本文在考慮1 000 kV系統的系統容量、特高壓變壓器容量和負荷率的前提下，分析了特高壓變壓器UK%在15%～23%的范圍內變化時對500 kV母線注入的短路電流大小的限制作用，并進一步討論了UK%相對大、小值的選取還應計及500 kV母線所接的含源線路、負荷需求的因素。在此基礎上，計算了UK%相對大、小值的選取對500 kV母線電壓的影響。第4節又對變壓器無功損耗進行補償后的500 kV母線的電壓進行了分析。本節將針對表4的結果兼顧變壓器的負荷變化率和無功補償兩個方面，對交流特高壓變壓器UK%相對大、小值的選取加以討論。

5.1 負載率20%～50%時UK%的選取

當變壓器的負載率在20%～50%的范圍內，不同的UK%對應的無功損耗均未達到175Mvar，不需要進行無功補償，500 kV母線的電壓情況同表2。在20%～40%負載率下，各短路電壓百分比下的變壓器對應的500 kV母線電壓均不低于515 kV，滿足電壓質量的要求。由此，若變壓器的負荷率不會高于40%，即便選擇UK%為23%，500 kV母線電壓亦能夠滿足要求。

當變壓器的負載率為50%時，選擇UK%不高于18%，同樣無需任何調整即能夠保證500 kV母線電壓不低于下限515 kV。考慮到特高壓電網發展中期的合理負載比例，當兩臺變壓器并列運行時，負載率一般在50%左右，此時可以通過調節變壓器的分接觸頭來調整變壓器的變比，從而改善500 kV母線電壓水平。

表5為變壓器帶50%負載情況下，調壓開關分別上調I檔和II檔時所測得的500 kV母線電壓值。由表5可見，變壓器帶正常負載即50%負載率情況下，以525 kV電壓為參考，變壓器短路電壓百分比在15%～18%時，調壓開關上調I檔可以滿足要求；變壓器短路電壓百分比在19%～23%時，調壓開關上調II檔母線電壓較接近525 kV的最佳運行電壓。可見，通過有載調壓手段UK%選擇指定范圍內的任何值，500 kV母線電壓均能滿足要求。

5.2 負載率60%～80%時UK%的選取

在負載率60%且變壓器UK%≥17%，負載率70%、80%且UK%≤17%這3種情況，需要投入一組電容器進行無功補償，補償后電壓質量顯著提高，且電壓質量較好，與不進行無功補償時20%～ 40%負載率對應的電壓情況相當。因此，UK%在這3種情況對應的范圍內選取，500 kV母線電壓均能滿足要求。

5.3 負載率90%時各電壓情況的分析

2臺并列運行的變壓器在一臺檢修時，另一臺變壓器的負載率有可能提高到90%，雖然投入2組或3組電容器，電壓水平顯著提高但電壓質量仍然較低，可通過調節分接頭改善電壓情況，故UK%可選擇指定范圍內的任何值。

綜合上述3種情景，通過有載調壓和無功補償等手段，交流特高壓變壓器UK%在15%～23%的范圍內取任何值500 kV母線電壓均能滿足要求。但是，進一步研讀表4的數據可以發現：取UK%≤18%，無需有載調壓500 kV母線電壓也能滿足要求，這非常有益于變壓器的安全運行。因此，在斷路器能夠滿足斷流條件的情況下，應盡可能取UK%≤18%。

表5 不同分接頭位置下各短路電壓百分比對應的50%負荷時的500 kV母線電壓Tab.5 Voltageof the500 kV busatdifferent tap positions of variousshort circuit voltage percentage corresponding to 50%of load

6 結論

本文以1 000 kV特高壓變電站獨立分區電網的模擬系統為樣本，分析了特高壓變電站2臺并列運行的特高壓變壓器（總容量為6 000MVA）的UK%的選擇對短路電流的限制作用和對500 kV母線運行電壓的影響。

（1）1 000 kV系統的短路容量對制約500 kV母線的短路電流有明顯作用，1 000 kV系統的短路容量約為55GVA且特高壓變壓器UK%=15%時，向500 kV母線注入的短路電流和1 000 kV系統短路容量約為109 GVA且特高壓變壓器UK%= 20%時注入的短路電流相當。

（2）因限制短路電流的要求，需要根據該變電站500 kV母線所連接的電網自身已有的電源容量大小和負荷容量大小來決定UK%的取值。

（3）根據本文的仿真結果，通過無功補償或者有載調壓的方式，特高壓變壓器UK%取15%～23%中任何值均能將500 kV母線電壓控制在515～530 kV的范圍之內。

（4）取UK%不大于18%更有益于變壓器的安全運行。另外，變壓器短路電壓百分比的選擇還需綜合考慮變壓器的輸電能力以及制造成本等因素的影響。

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Analysisof IMpactof UHV Transformer's UK%on Substation'sOperating Voltage

SUNMing1，MEN Fuyuan1，WU Junling2，SHITingting1
（1.SchoolofElectricalEngineringand Automation，HefeiUniversity of Technology，Hefei230009，China；2.China Electric PowerResearch Institute，Beijing100192，China）

The ultra high voltage（UHV）transformer isa key equipment in the UHV grid，and the percentage of shortcircuit voltage UK%may affectmultiple operating indexes of the grid.The 1 000 kV substation simulation systeMis built in the paper，and the impactof the variation of UK%on short current injected froM1 000 kV systeMinto 500 kV busisanalyzed through theoreticalcalculation.Besides，load variation and reactive powercompensation are considered，and the voltage of500 kV bus is discussed and studied in PSCAD when UK%iswithin the particular scope.It′s concluded that the voltage of 500 kV bus can be controlled within the scope of 515～530 kV bymeans of reactive power compensation or on-load voltage regulation when UK%is controlled within 15%～23%.Thework in this paper can provide certain reference for the selection of UK%of the UHV transformer.

ultra high voltage（UHV）；transformer；percentage of short-circuit voltage UK%；short-circuit current；operating voltage；reactive power loss；reactive power compensation；on-load voltage regulation

TM723

A

1003-8930（2015）09-0074-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.09.13

孫鳴（1957—），男，博士，教授，研究方向為電力系統繼電保護。Email：hfsunming@sina.com

2013-12-23；

2014-02-26

門富媛（1987—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統繼電保護與調度自動化。Email：menfuyuan@163.com

吳俊玲（1978—），女，碩士，工程師，研究方向為城市電網規劃、電力系統分析。Email：9956347@qq.com