基于PSCAD的變壓器空投仿真分析

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(中海油裝備技術有限公司，天津 300452)

基于PSCAD的變壓器空投仿真分析

劉為玉，姚長龍

(中海油裝備技術有限公司，天津 300452)

以海洋石油平臺微電網為背景，采用PSCAD仿真軟件搭建變壓器仿真模型，對變壓器產生的勵磁涌流及和應涌流進行仿真，調整變壓器接地方式、接線組別、合閘角度、剩磁以及系統阻抗觀察并記錄勵磁涌流的變化情況，調整2臺變壓器接線組別、接地方式，觀察和應涌流的變化，得到變壓器不同條件下空載合閘的量化結果，提出規避變壓器空投風險的相應措施。

石油平臺；變壓器；空載合閘；勵磁涌流；PSCAD

海洋石油平臺屬于孤島電網，大型變壓器空載合閘所產生的涌流對電網沖擊很大。正常運行時，變壓器的勵磁電流很小，一般為額定電流的1%～2%[1]，在空載合閘時可達額定電流的6～8倍，還會導致和應涌流的出現，引起相鄰變壓器差動誤動。針對這種情況，考慮通過PSCAD仿真軟件對變壓器涌流的影響進行分析和評估，給出規避沖擊的建議。

1 勵磁涌流產生的機理

2.1 勵磁涌流產生過程

電力變壓器自身都有飽和磁通，其數值一般為Фs=1.15～1.40[2]。變壓器送電前，其內部磁通只有剩磁，其數值大小、極性與分閘時刻的穩態磁通有關[3]。合閘時會有穩態磁通產生，但是根據磁鏈守恒定理，由于磁通不能突變[4]，這時必然有一個與穩態磁通相抵消的暫態磁通產生。當他們的合成磁通超過飽和磁通后，變壓器的初級繞組電抗急劇下降，進而產生很大峰值的勵磁涌流[5]。

1.2 和應涌流產生過程

當接地變壓器合閘時，其產生的涌流的零序分量會流入相鄰并聯運行的變壓器，接著在并聯運行的變壓器中產生和應涌流[6]。和應涌流都是在供電電壓的動態幅值較大的時候發生，恰好此時勵磁涌流也達到最大值。勵磁涌流及應涌流交替出現[7]。和應涌流一般出現在運行的變壓器中，而該運行變壓器正好處在一個與空載合閘的變壓器并列的位置或者在空載合閘變壓器的上一級。當一臺變壓器空載合閘時，另一臺變壓器產生和應涌流[8]。

2 仿真分析

PSCAD/EMTDC是目前電力系統常用的電磁暫態仿真軟件，對變壓器仿真有經典方法和統一的磁等效電路(UMEC)方法，這里采用經典模型進行仿真。

2.1 勵磁涌流的仿真分析

為了變壓器更直觀的分析勵磁涌流倍數，本組仿真的變壓器容量(見圖1)設置為18.168 MW，在10.5 kV側的額定電流就是1 kA。

利用恒流源模擬剩磁大小，以此對勵磁涌流實現仿真計算。

在剩磁為0的情況下，改變電壓的合閘角度，觀察勵磁涌流變化。

仿真得到波形見圖1。

1)在線路電阻為1 Ω，剩磁為0時的不同合閘角度對應的勵磁涌流情況統計見表1。

表1 諧波含量和間斷角

圖1 仿真組合

圖2 勵磁涌流波形

2)在電源阻抗為1 Ω，合閘角度為0°時，不同剩磁(為空載勵磁電流百分比)對應的勵磁涌流情況統計見表2。

3)調整電源阻抗大小，其他2項都為0的情況下，勵磁涌流情況統計見表3。

4)系統各項參數保持不變，改變變壓器接線方式，得到勵磁涌流數據見表4。

表2 剩磁不同時的涌流倍數

表3 系統內阻不同時的涌流倍數

表4 變壓器組別不同時的涌流倍數

分析上述的數據，得出結論如下。

1)單側周期性尖頂波。

2)波形不連續。

3)大小與電壓合閘角度密切相關；

4)二次諧波含量占比大，達到44.7%。

5)與剩磁的大小和方向關系密切。

6)系統回路的電阻與勵磁涌流關系密切，通過在回路中串聯適當的電阻可以極大地降低勵磁涌流的峰值。

7)變壓器在星型接線方式下的勵磁涌流大于角型接線方式，且星型接線方式時中性點接地的勵磁涌流大于不接地的情況。

8)涌流數值大小與變壓器組別沒有關系。

2.2 和應涌流的仿真分析

采用與海洋石油平臺微電網相似的參數搭建和應涌流的仿真模型，將變壓器的容量設置為18.168 MVA。如圖3所示。

圖3 和應涌流仿真原理

仿真得到波形見圖4。

圖4 運行變帶載仿真結果

通過T1和T2接線組別及接地與否的排列組合，統計勵磁涌流和和應涌流見表5。

表5 2變壓器不同組別對應的涌流倍數

其中，2臺變壓器10.5 kV側全是角型接線時，A和B 2相產生的勵磁涌流及應涌流峰值相等并對稱分布，見圖5。

圖5 運行變空載仿真結果

上述仿真表明和應涌流具有如下特點。

1)勵磁涌流發生后，和應涌流接著出現，他們之間一前一后變化，且相互之間的方向相反。

2)和應涌流在勵磁涌流出現后產生[9]，經過一個階段才慢慢達到最大值。

3)采用接地方式，其數值大于不接地方式。

4)采用星形接地方式，其數值大于角接方式。

5)采用星型不接地方式產生的涌流最小。

2.3 變壓器串并聯的沖擊仿真分析

由于海洋石油平臺組網運行，各中心電站平臺用于組網的變壓器一般都是2臺互為備用，有的則是3臺互為備用。運行變壓器要檢修保養的時候，平臺方就要啟用備用變壓器掛網運行，這就涉及到2種送電方式：一種是正向送電實現2臺并列運行后再退出另一臺；另一種是反向送電實現2臺并列后再退出另一臺。

結果對上述2種仿真數據進行對比，以此判斷何種方式的勵磁涌流沖擊最小。反向送電得出的數據見表6。

表6 中性點接地與否對應涌流的倍數

分析上述數據可知，2臺并列使用的變壓器在進行送電的時候，順序合閘變壓器對系統的沖擊要比通過其中一臺變壓器給另一臺反送電導致的沖擊要大一倍。

3 結論

1)選用合適的涌流抑制器，可最大限度地降低對電網的沖擊。

2)針對空載合閘時發生的差動誤動作問題，可以在合閘時臨時將該保護屏蔽。

3)條件允許的情況下，選用軟啟動器給變壓器上電，可以完全消除勵磁涌流。

4)多開一臺發電機，保證充足的熱備容量，可以降低勵磁涌流的沖擊風險。

5)給停用的組網變壓器送電時，采用通過其并聯的變壓器反送電，可將勵磁涌流降低到2倍以下。

[1] 張琦兵，邰能靈，王鵬，等．船舶變壓器預充磁分析研究[J]．電力系統保護與控制，2010(18)：145-149．

[2] 張榮海．變壓器勵磁涌流的識別與抑制技術研究[D]．重慶：重慶大學，2010．

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Analysis of Transformer Simulation Based on PSCAD

LIUWei-yu,YAOChang-long

(CNOOC Equipment Technology Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

The simulation model of transformer was established by PSCAD for the offshore oil platform micro grid, to analyze the inrush current of transformer under different condition. By adjusting grounding mode, wiring group, closing angle, remanence and system impedance of the transformer, the changes inrush current and surge inrush was observed and recorded. The quantification of no-load of transformer under different conditions was given, and the corresponding measures of no-load transformer risk aversion was put forward, providing a reliable means of operation for oil platform for the safe operation of power grid.

oil platform; transformer; no-load close; inrush current; PSCAD; surge inrush

U665.1

A

1671-7953(2017)05-0123-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.033

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.032

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

劉為玉(1983—)，男，學士，中級工程師

研究方向：電力系統