統一潮流控制器用500 kV油浸式串聯變壓器技術解析

吳 鵬, 陶風波, 蔚 超,李 群, 楊小平, 王 駿, 孫 磊

( 1. 國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京，211103；2. 國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京，210029；3. 國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京，211106)

0 引言

統一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)是一種可分別或同時實現并聯補償、串聯補償、移相和端電壓調節等多種功能的可控硅控制裝置。可在不改變網架結構的前提下調節潮流、提高系統的輸電能力，通過快速無功吞吐，動態地支撐接入點的電壓，提高系統電壓穩定性，是一種先進的柔性輸電技術[1-2]。截至目前，世界上真正投入工業化運行的UPFC 僅有4套，分別位于美國電力(American Electric Power，AEP)肯塔基州的Inez 變電站、美國紐約電力局的Marcy 變電站、韓國南半部的Kangjin 變電站和中國江蘇南京西環網鐵北變電站[3-4]。2017年投運的蘇州UPFC變電站是世界首個500 kV電壓等級的UPFC工程。

500 kV串聯變壓器是UPFC工程關鍵設備，承擔著換流器與線路電壓、功率輸送調節的任務。串聯變壓器網側繞組串聯入線路，閥側繞組接入換流器，換流器產生幅值、相位可控的電壓，通過串聯變壓器變換到網側，就可以等效為在線路上串入了1個幅值、相位可調的電源，實現UPFC的功能[5]。串聯變壓器具有特殊的聯結方式和運行工況，與常規變壓器存在諸多不同。網側繞組主絕緣與線路電壓等級匹配，而網側繞組額定電壓往往遠低于線路電壓，帶來了網側繞組絕緣水平復雜的特點。因此，絕緣試驗中雷電全波沖擊試驗和外施耐壓試驗與常規變壓器差異較大。另外，串聯變壓器的特殊工況造成了其對抗短路能力和過勵磁能力要求高的特點[6]。

文中主要針對蘇州UPFC用500 kV油浸式串聯變壓器的技術特點進行深入解析。

1 運行工況

串聯變壓器應用于UPFC中，其網側繞組串聯于高電壓等級線路中，閥側繞組接入換流器，平衡繞組僅提供三次諧波通路，通過刀閘和開關實現串聯變壓器的投入和退出，如圖1所示。

圖1 串聯變壓器在UPFC中的基本接線示意Fig. 1 Schematic diagram of the series transformer in UPFC

合上網側機械旁路開關，拉開串聯變壓器網側2個刀閘，則串聯變壓器退出運行。若合上串聯變壓器網側2個刀閘，拉開網側機械旁路開關，串聯變壓器網側串入線路，則串聯變壓器投入運行，控制換流器輸出幅值和相位可調的電壓，通過串聯變壓器閥側到網側的能量變換傳輸，相當于在網側線路上疊加1個幅值和相位可調的電壓源，實現線路有功和無功的精確控制，達到電網潮流控制的目的。

串聯變壓器通過網側機械旁路開關拉開或閉合可實現投入或退出，機械旁路開關合閘時間約為幾十毫秒；閥側繞組除配置機械旁路開關外，還配置了晶閘管旁路開關，晶閘管旁路開關合閘時間約為幾個毫秒。由于串聯變壓器網側繞組額定電壓較系統電壓偏低，其網側繞組匝數較常規500 kV變壓器偏少，網側繞組端間絕緣難以承受500 kV系統的標準雷電過電壓的沖擊，需在網側繞組兩端就近配置網側跨接避雷器來限制網側繞組端間雷電過電壓，可降低串聯變壓器制造難度，網側跨接避雷器的選型應與網側繞組絕緣水平匹配。

正常運行工況下，串聯變壓器網側繞組和閥側繞組基本為額定電流，網側繞組額定電流與線路額定電流一致，閥側繞組額定電流根據網側額定電流按照變比計算得到。

閥側開路故障情況下，從網側看進去串聯變壓器的阻抗會產生變化，接近于線路串聯電抗器，不考慮外部潮流的變化，串聯變壓器網側繞組仍需要流經線路額定電流，而閥側繞組和平衡繞組電流為零。

網側繞組線路單相接地短路故障情況下，閥側繞組將由晶閘管旁路開關在極短時間內動作，將閥側繞組短路導通。根據500 kV UPFC工程系統短路電流計算可得：網側繞組遠景年最大短路電流約為額定電流的13倍，持續0.25 s。

2 技術特點

2.1 基本參數

表1 串聯變壓器基本參數Tab.1 Basic parameters of series transformers

2.2 結構型式

500 kV串聯變壓器繞組形式為單相雙繞組帶平衡繞組，分接方式為無分接。由于串聯變壓器網側繞組串聯接入線路中，其網側繞組對地絕緣水平與500 kV線路電壓等級匹配，因此串聯變壓器繞組不能采用自耦形式，需要獨立的雙繞組結構。另外，串聯變壓器閥側繞組接入換流器，換流器本身可以改變電壓幅值和相位，因此串聯變壓器不需要調電壓的分接開關，采用無分接形式。

2.3 聯結組標號

500 kV串聯變壓器的聯結組標號與常規變壓器差異較大，主要是其網側繞組串聯入線路，并不像常規變壓器三相聯結成星形或三角形。其聯結組標號為：單相為I0(網側)，I0(閥側)，i0(平衡繞組)；三相聯結為III(網側)，yn(閥側)，+d11(平衡繞組)；網側繞組首末端分別引出，繞組聯結如圖2所示。

圖2 500 kV串聯變壓器三相繞組聯結Fig.2 500 kV series transformer winding connection diagram

2.4 絕緣水平

網側繞組串聯入500 kV系統，其絕緣水平應主要參考500 kV系統，并且充分考慮網側繞組匝數少的特征和過電壓情況，確定該繞組采用全絕緣結構。閥側繞組和平衡繞組絕緣水平根據系統設計參照GB 311.1—2012[7]執行，還應滿足網側繞組絕緣試驗時傳遞過電壓要求。500 kV串聯變壓器繞組絕緣水平如表2所示。

表2 繞組絕緣水平Tab.2 Insulation level of windings kV

串聯變壓器的特殊性決定了網側繞組匝數少，網側繞組難以承受500 kV系統的雷電沖擊過電壓，從而需要在網側繞組端間就近配置跨接避雷器來限制網側繞組端間雷電過電壓水平。經核算通過跨接避雷器可以將串聯變壓器網側繞組端間雷電過電壓限制在750 kV左右，因此將串聯變壓器網側繞組端間額定雷電全波沖擊耐受電壓(峰值)設計為950 kV，既可以保障絕緣安全裕度，又盡量降低了串聯變壓器設計制造難度。

由于運行工況中500 kV串聯變壓器存在網側機械旁路開關閉合、刀閘也閉合的熱備用狀態，因此網側繞組相對地額定雷電全波沖擊耐受電壓(峰值)設計為1550 kV[8]，并且按照雙端同時入波進行絕緣設計和試驗考核。

網側繞組端間額定短時感應或外施耐受電壓進行設計校核，遠大于運行過電壓和試驗傳遞過電壓，由于串聯變壓器特殊結構原因無法試驗驗證。

2.5 承受短路能力

串聯變壓器串聯于線路中，一旦線路發生相間、相對地短路時，線路上的短路電流就會穿越串聯變壓器網側繞組，閥側繞組的晶閘管快速旁路開關(TBS)會快速導通。相當于閥側繞組短路，網側繞組會通過短路電流，根據計算該方式下網側繞組承受的短路電流相比常規變壓器短路要大很多。綜合考慮流經串變短路電流限制及換流器容量選擇的需求，串變短路阻抗按20%考慮。根據遠景年短路電流計算，500 kV母線最大短路電流為53 kA。考慮對應線路分支影響，并計及串變短路阻抗影響，經計算流經串變繞組的故障電流為37 kA。并以此作為流經串聯變壓器短路電流最大工頻分量有效值，取短路電流沖擊系數為2.69[9]，可以計算得到串聯變壓器短路電流最大峰值為99.53 kA。500 kV串聯變壓器制造完成后，經短路試驗驗證滿足承受短路能力要求。

2.6 承受過勵磁能力

串聯變壓器串聯于線路中，正常運行中閥側繞組低阻導通運行，網側繞組中只有幾個安培電流用于勵磁。

閥側開路故障情況下，閥側繞組開路，網側繞組電流受制于線路輸送容量變化緩慢，則串聯變壓器相當于串聯電抗器，線路電流將全部參與勵磁，串聯變壓器將出現嚴重的過勵磁狀態。經有限元仿真計算，正常工況和閥側開路過程中串聯變壓器鐵心磁通密度分別如圖3、圖4所示。

圖3 閥側開路工況下鐵心的磁密Fig.3 The core magnetic field under value winding open circuit

圖4 正常運行工況下鐵心磁密Fig.4 The core magnetic field under normal operation

硅鋼片材質鐵心通常磁通密度在2T已經開始飽和，可以看出閥側開路狀態時鐵心局部出現了磁飽和。

3 試驗要求

串聯變壓器的大部分試驗項目要求與常規變壓器無特殊差異，如電壓比及聯結組標號測量、繞組直阻測試、繞組對地及繞組間電容及介損測試、絕緣電阻測量、負載試驗、空載試驗、長時感應耐壓試驗、繞組頻率響應特性試驗、操作沖擊試驗、溫升試驗、聲級測定等。而網側繞組雷電全波沖擊試驗、網側繞組外施交流耐壓試驗則存在顯著差異，具體差異如下。

3.1 網側繞組雷電全波沖擊試驗

串聯變壓器網側繞組采用的全絕緣設計，雷電波從網側繞組兩端均可能侵入，因此，每個網側繞組應分別開展兩端的雷電全波沖擊試驗。串聯變壓器網側繞組往往匝數少，網側繞組與閥側繞組變比為43.5/105，串聯變壓器內部的過電壓傳遞比常規變壓器更加復雜和嚴重，因此網側繞組端間雷電全波沖擊試驗中不能將閥側繞組和平衡繞組簡單短路接地，需要順便開展傳遞過電壓對閥側繞組和平衡繞組的考核。因此，開展網側繞組端間雷電全波沖擊試驗時，考慮傳遞過電壓，閥側繞組和平衡繞組端頭宜接避雷器，避雷器應與工程中配置一致。

開展網側繞組端間雷電全波沖擊試驗時，網側繞組一端入波，另一端經分流器接地；閥側繞組一端經避雷器接地，另一端直接接地；平衡繞組一端經避雷器接地，另一端直接接地，試驗接線如圖5所示。

圖5 串聯變壓器網側繞組端間雷電沖擊試驗Fig.5 Lightning impulse test of the side windings of the series transformers

由于存在網側繞組兩端同時侵入雷電沖擊的情況，因此在開展網側繞組相對地雷電全波沖擊試驗時，應充分考慮工程實際接線情況，采用網側繞組兩端短接同時入波的雷電沖擊試驗。試驗接線如圖6所示，網側繞組兩端短接入波，閥側繞組一端經避雷器接地，另一端經分流器接地；平衡繞組一端經避雷器接地，另一端直接接地。

圖6 串聯變壓器網側繞組相對地雷電沖擊試驗Fig.6 Lightning impulse test of the winding of the series transformers to earth

因避雷器的存在，試驗程序中應在全電壓全波沖擊試驗后進行不同電壓值的降低電壓全波沖擊試驗。該降低電壓值與試驗電壓逐次上升至全壓全波沖擊試驗過程中所用的幾個電壓降低值相同，例如：60%，80%，100%，100%，100%，80%，60%。對于帶避雷器的雷電全波沖擊試驗，降低電壓全波沖擊示波圖與全電壓全波沖擊示波圖可能存在差異。因此可對3次全電壓全波沖擊示波圖進行比較，并對相同電壓值的降低電壓全波沖擊示波圖試驗前后進行比較，無明顯差異，則認為試驗合格。

3.2 網側繞組外施交流耐壓試驗

串聯變壓器網側繞組相對地主絕緣水平與端間的縱向絕緣水平不匹配，相對地主絕緣水平與接入線路電壓等級相關，額定短時感應或外施耐受電壓為680 kV；而網側繞組端間縱向絕緣水平需要綜合考慮額定電壓、繞組匝數和各種過電壓水平來確定，設計為200 kV，低于主絕緣水平。由此，長時感應耐壓帶局放測量試驗在網側繞組感應出來的電壓只達到了最高額定電壓的1.7倍(約42.7 kV)，不足以考核網側繞組主絕緣的局部放電水平，需要采用外施交流耐壓試驗來考核。

開展試驗時應進行局部放電測量，試驗接線如圖7所示。施加電壓應按圖8所示的電壓時間順序來檢驗變壓器的局部放電性能。

圖7 串聯變壓器網側繞組外施交流耐壓試驗Fig.7 The test of the external voltage withstand test of the series transformer net side winding

圖8 外施耐壓試驗流程Fig.8 The external voltage withstand test procedure

(1) 在不大于U2/3的電壓下接通電源，U2為1.5倍最高相對地電壓；

(2) 上升至U1保持60 s，U1為試驗耐受電壓；

(3) 降低至U2保持60 min，測試局部放電量；

(4) 降低至U3保持5 min，U3為1.1倍最高相對地電壓，測試局部放電量；

(5) 當電壓降低至不大于U2/3的電壓，方可斷開電源。

各測試階段局放量均不應大于100 pC。

4 結語

文中充分考慮500 kV油浸式串聯變壓器與常規變壓器的差異性及特點，在技術特點方面對500 kV油浸式串聯變壓器的基本參數、結構型式、聯結組標號、絕緣水平、承受短路能力、承受過勵磁能力等進行了解析；在試驗方面規定了500 kV油浸式串聯變壓器獨特的試驗項目，如雷電全波沖擊試驗和外施交流耐壓帶局放測試試驗的具體要求。

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