隔離變壓器在孤島電站中的應(yīng)用研究

嚴(yán) 威

( 葛洲壩能源重工有限公司，北京 100102)

0 引言

對(duì)于地理位置較為偏遠(yuǎn)且負(fù)荷相對(duì)集中的地區(qū)，例如：在大型水電站建設(shè)期，為了保證負(fù)荷設(shè)備的供電可靠性，采用重油孤島電站作為供電電源，不僅可以避免電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸電的弊端[1-2]，同時(shí)可以避免負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響。對(duì)于傳輸距離不長(zhǎng)的孤島供配電系統(tǒng)，母線(xiàn)不需要增設(shè)升壓變壓器，可以直接通過(guò)架空線(xiàn)路進(jìn)行傳輸。由于架空線(xiàn)路與電站側(cè)為直接電氣連接，使得架空線(xiàn)路故障會(huì)對(duì)電站運(yùn)行產(chǎn)生直接影響。

本文以我國(guó)某水電站建設(shè)項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“該水電站”)為例，對(duì)原有線(xiàn)路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，采用10 kV 隔離變壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)于孤島電站和架空線(xiàn)路之間的電氣隔離，并且使得輸電系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)不接地系統(tǒng)，有效地減小了架空線(xiàn)路故障對(duì)于孤島電站的不利影響。在單相接地故障下，孤島系統(tǒng)仍能保證三相電壓的平衡，根據(jù)國(guó)內(nèi)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行2 h。該不接地系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)檢修人員帶電巡視故障線(xiàn)路，并且利用允許運(yùn)行的2 h 時(shí)間段，可實(shí)現(xiàn)架空線(xiàn)路的事故檢查和排除，進(jìn)而保證孤島電站的供電系統(tǒng)可靠性。

1 隔離變壓器的結(jié)構(gòu)及作用

隔離變壓器在不影響原有孤島系統(tǒng)中其他設(shè)備參數(shù)的情況下，可以構(gòu)成一次、二次側(cè)的完全電氣隔離，利用該特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原有技術(shù)方案的優(yōu)化。當(dāng)隔離變壓器的二次側(cè)采用不接地方式時(shí)，二次側(cè)回路構(gòu)成一個(gè)不接地系統(tǒng)，避免與大地之間產(chǎn)生電位差。當(dāng)隔離變壓器二次側(cè)回路中出現(xiàn)單相接地時(shí)，三相電壓依舊保持平衡[3]。文獻(xiàn)[4]通過(guò)隔離變壓器實(shí)現(xiàn)工業(yè)并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)運(yùn)行，不僅起到了電氣隔離作用，同時(shí)抑制了諧波電流流入電網(wǎng)，提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中隔離變壓器的應(yīng)用進(jìn)行研究，對(duì)比?-Y 和Y-?兩種聯(lián)結(jié)組別的特點(diǎn)，分析得到?-Y 聯(lián)結(jié)方式的隔離變壓器對(duì)于諧波的抑制效果較好。

隔離變壓器的二次側(cè)采用不接地方式，并未與大地構(gòu)成回路，可以有效地避免觸電事故的發(fā)生。因此，隔離變壓器一般主要是作為檢修電源使用，以保證二次側(cè)的用電安全。對(duì)于電力系統(tǒng)，當(dāng)隔離變壓器的二次側(cè)為不接地系統(tǒng)時(shí)，也具有此特性，可以減小單相接地故障對(duì)電力系統(tǒng)造成的不利影響。

隔離變壓器的聯(lián)結(jié)方式有Y-Y、Y-?、?-Y和?-?四種，隔離變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。對(duì)于Y-?、?-Y、?-?這三種隔離變壓器，通過(guò)三角型聯(lián)結(jié)方式，能使得3n次諧波(其中n為正整數(shù))在?中形成環(huán)流，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的抑制效果；同時(shí)也可以有效防止隔離變壓器二次側(cè)的零序電流傳到一次側(cè)的設(shè)備中。

圖1 隔離變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 常規(guī)孤島電站的接線(xiàn)方式

以我國(guó)某水電站建設(shè)項(xiàng)目為例，該水電站采用重油孤島電站作為建設(shè)期的施工電源。由于施工地點(diǎn)與重油電站之間存在一定距離，需要一段距離架空線(xiàn)路進(jìn)行輸電。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和傳輸距離考慮，不采用升壓變壓器升壓后再進(jìn)行傳輸，而是直接輸送至降壓變壓器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)施工設(shè)備的供電。電能的輸送過(guò)程為：重油機(jī)組發(fā)出的電經(jīng)過(guò)母線(xiàn)匯集，然后直接通過(guò)架空線(xiàn)路輸送到10.5/0.4 kV 降壓變壓器，最后分配給各個(gè)施工負(fù)荷。常規(guī)孤島電站的電氣系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，其中，各個(gè)發(fā)電機(jī)組的中性點(diǎn)均為經(jīng)過(guò)電阻箱接地。

圖2 常規(guī)孤島電站的電氣系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

這種接線(xiàn)方式雖然較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但是供電可靠性相對(duì)較低。由于發(fā)電機(jī)組的中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)電阻箱接地，當(dāng)輸電線(xiàn)路出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，母線(xiàn)出口側(cè)的斷路器因過(guò)電流而斷開(kāi)，將導(dǎo)致整個(gè)電站不能繼續(xù)為施工負(fù)荷供電。若采用雙回路，又會(huì)使投資和運(yùn)營(yíng)成本有較大增加。因此，需要采用更經(jīng)濟(jì)、有效的方案。

3 采用隔離變壓器的孤島電站接線(xiàn)方式

由圖2 可知，架空線(xiàn)路末端的降壓變壓器選用Dyn11 聯(lián)結(jié)組別，隔離變壓器的二次側(cè)為不接地方式，使得架空線(xiàn)輸電線(xiàn)路部分構(gòu)成一個(gè)不接地系統(tǒng)。該接線(xiàn)方式使得各相線(xiàn)路與大地之間不存在電位差。當(dāng)架空線(xiàn)路出現(xiàn)單相接地時(shí)，不會(huì)影響架空線(xiàn)路各相線(xiàn)路之間的電壓，輸電線(xiàn)路的三相之間依然相對(duì)平衡，整個(gè)電力系統(tǒng)可保持正常運(yùn)行，避免了架空線(xiàn)路的單相接地故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行影響。

采用?-Y 型隔離變壓器的主接線(xiàn)方式如圖3 所示。母線(xiàn)匯集電能后先經(jīng)過(guò)一個(gè)10.5/10.5 kV 隔離變壓器，然后再通過(guò)10 kV 的架空線(xiàn)路進(jìn)行傳輸?shù)?0.5/0.4 kV 降壓變壓器，最后再分配到各用電負(fù)荷。由于隔離變壓器一次側(cè)采用?接線(xiàn)方式，可以使得3n 次諧波形成環(huán)流，有效地避免諧波流入到架空輸電線(xiàn)路中，起到一定的諧波抑制作用，同時(shí)也避免隔離變壓器二次側(cè)的零序電流傳入到母線(xiàn)和發(fā)電機(jī)側(cè)。另外，隔離變壓器二次側(cè)選用星形接線(xiàn)方式使得架空線(xiàn)路上的線(xiàn)電流等于相電流，使得線(xiàn)路上的損耗較少。

圖3 采用?-Y型隔離變壓器的主接線(xiàn)方式

采用?-Y 型隔離變壓器主接線(xiàn)方式，不僅能夠保證孤島電站供配電系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)其成本低于雙回路供電方式。

4 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證采用隔離變壓器接線(xiàn)方式對(duì)孤島重油電站運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，本文通過(guò)MATLAB/Simulink 搭建一個(gè)10 kV 孤島供配電系統(tǒng)的仿真模型。其中，供配電系統(tǒng)的主要參數(shù)為：母線(xiàn)電壓為10 kV，負(fù)載電壓為380 V，負(fù)載的有功功率為1 000 kW，降壓變壓器變比為10/0.38 kV，隔離變壓器變比為10/10 kV。

未采用隔離變壓時(shí)母線(xiàn)側(cè)的相電壓和相電流的波形如圖4 所示。由圖4 可知，當(dāng)t=0.10 s時(shí)，架空線(xiàn)出現(xiàn)單相接地故障，發(fā)電機(jī)側(cè)也會(huì)受到單相接地故障的影響，導(dǎo)致母線(xiàn)A 相電壓為0 V，B、C 兩相的相電壓增加為原來(lái)的倍。A 相電流瞬時(shí)值的峰值基本都在1 500 A 左右，最高達(dá)到了2 500 A。此時(shí)單相接地短路電流會(huì)導(dǎo)致過(guò)電流保護(hù)啟動(dòng)，使得整個(gè)電站的電能輸出被切斷。圖4(c)為時(shí)間段0.09 ～0.11 s 時(shí)的電流波形的局部放大圖，可以明顯看到此時(shí)的A 相在0.10 s 之后電流突增。

圖4 未采用隔離變壓時(shí)母線(xiàn)側(cè)仿真波形

采用隔離變壓時(shí)母線(xiàn)側(cè)的相電壓和相電流的波形如圖5所示。由圖5可知，在t=0.10 s之后，母線(xiàn)側(cè)的三相線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流依舊保持三相平衡狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)雖然發(fā)生單相接地故障，但是對(duì)孤島系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并未產(chǎn)生不利影響，該系統(tǒng)仍可以保持正常運(yùn)行。

圖5 采用隔離變壓時(shí)母線(xiàn)側(cè)仿真波形

對(duì)比圖4 和圖5 可知，在采用隔離變壓器后，當(dāng)架空線(xiàn)路出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)中沒(méi)有短路電流產(chǎn)生，線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流三相處于平衡狀態(tài)，電力系統(tǒng)運(yùn)行正常，但是若長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)增加相間短路的概率。為了避免后期事故的擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)電力規(guī)程規(guī)定允許此狀態(tài)下運(yùn)行2 h。通過(guò)利用該時(shí)間段，可以進(jìn)行架空線(xiàn)路的故障巡視及排除，從而達(dá)到提高系統(tǒng)供電可靠性的目的。同時(shí)，該不接地系統(tǒng)也為帶電巡視故障線(xiàn)路的檢修人員提供了安全保障。

相比于雙回路線(xiàn)路，減少方案改造后的施工成本。重油電站的停電不僅會(huì)導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)停滯，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也會(huì)耗費(fèi)較多的時(shí)間成本。該方案減少了重油電站停電概率，進(jìn)而提高了電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用?-Y 型的10 kV 隔離變壓器的接線(xiàn)方式，不僅保證孤島電站運(yùn)行的供電可靠性，同時(shí)也提高了電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。該方法有效地避免了架空線(xiàn)路單相接地故障對(duì)孤島系統(tǒng)正常運(yùn)行的不利影響，當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，母線(xiàn)側(cè)的三相電壓和電流依然是保持三相平衡，避免了單相接地短路電流的產(chǎn)生，減少了供電系統(tǒng)停電的概率。同時(shí)，隔離變壓器也實(shí)現(xiàn)了母線(xiàn)和架空線(xiàn)路完全電氣隔離，減小兩者之間的相互影響。