阻抗不同的變壓器并列運(yùn)行分析

●國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 徐彬焜 曾白艷

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，電網(wǎng)負(fù)荷日益增加，現(xiàn)有的變電站主變?nèi)萘恳呀?jīng)不能滿足負(fù)荷增長的需要，通常需對變電站進(jìn)行增容擴(kuò)建改造。為了提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，降低電能損耗，通常將擴(kuò)建的主變與原主變并列運(yùn)行。變壓器的并列運(yùn)行，就是將2臺(tái)或2臺(tái)以上變壓器的一次繞組并聯(lián)在同一電壓母線上，二次繞組并聯(lián)在另一電壓母線上運(yùn)行。這樣既可以保障運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，又可以保證運(yùn)行的靈活性。

1 變壓器并列運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)及條件

1.1 變壓器并列運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)

（1）提高變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)負(fù)荷增加至1臺(tái)變壓器容量不足時(shí)，則并列投入第二臺(tái)變壓器，當(dāng)負(fù)荷減少到不需要2個(gè)變壓器同時(shí)供電時(shí)，可將1臺(tái)變壓器退出運(yùn)行。特別是在農(nóng)村臺(tái)區(qū)，季節(jié)性用電特點(diǎn)明顯，可以根據(jù)用電負(fù)荷的大小選擇投切變壓器，這樣就可以盡量減少變壓器本身的運(yùn)行損耗，提高效率，又可以減少無功勵(lì)磁電流，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目的。

（2）提高供電可靠性。當(dāng)并列運(yùn)行的變壓器中有1臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，并列運(yùn)行的其它變壓器可以繼續(xù)運(yùn)行，以保證重要供電用戶的電力供應(yīng)。當(dāng)其中1臺(tái)變壓器需要檢修時(shí)，只需要將檢修變壓器退出運(yùn)行，并不影響其它變壓器的正常運(yùn)行，這樣就減少了故障和檢修時(shí)的停電范圍和停電次數(shù)，提高了供電的可靠性。

（3）減少備用容量。有些工程項(xiàng)目需要分期投產(chǎn)，也就是用電負(fù)荷處于陸續(xù)增長階段，故變壓器容量也可以根據(jù)電量的增加，分期加裝新增變壓器，減少一次性投資。

1.2 變壓器并列運(yùn)行的條件

變壓器并列運(yùn)行的理想情況是當(dāng)變壓器空載運(yùn)行時(shí)，變壓器一、二次繞組中沒有環(huán)流；負(fù)載時(shí)，各臺(tái)變壓器所承擔(dān)的負(fù)荷按其額定容量同比例分配，這樣可使變壓器的容量得到充分利用。要達(dá)到理想情況，并列運(yùn)行的變壓器要滿足以下條件：

（1）并列運(yùn)行變壓器具有相同的聯(lián)接組別。變壓器的接線組別包括2部分的內(nèi)容：一是變壓器一、二次繞組的接線方式，星形接線記為Y或y，三角形接線記為D或d；二是以二次側(cè)線電壓與一次側(cè)線電壓相位差為度量單位，以時(shí)鐘0(12)～11的數(shù)字表示，每個(gè)連續(xù)的數(shù)字相位差為30°。例如Y、d11表示變壓器一次繞組為星形接線、二次繞組為三角形接線，二次側(cè)線電壓與一次側(cè)線電壓相位差為30°×11=330°。幾臺(tái)并列運(yùn)行變壓器的接線組別必須相同，否則并列運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，有時(shí)可能幾倍于額定電流，但是由于變壓器差動(dòng)保護(hù)、電流速斷保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，從而造成變壓器繞組過熱，損毀設(shè)備。

（2）并列運(yùn)行變壓器的電壓比相同，或具有相近的分接范圍。若并列運(yùn)行變壓器變比不同，則會(huì)在二次側(cè)產(chǎn)生電勢差，從而出現(xiàn)環(huán)流，環(huán)流的方向一般為從變比小的變壓器流向變比大的變壓器，環(huán)流主要是感性負(fù)荷，呈感性。由于環(huán)流的存在，變比小的變壓器繞組電流增加，而變比大的變壓器繞組電流減少。當(dāng)變比小的變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變比大的變壓器為欠負(fù)荷運(yùn)行；當(dāng)變比大的變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變比小的變壓器為過載運(yùn)行，這樣就會(huì)造成變壓器的總?cè)萘坎荒艹浞值睦?。變壓器的環(huán)流不是負(fù)荷電流，卻占用了變壓器的容量，因此降低了輸出功率，增加了損耗。為了保證變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)空載環(huán)流不超過額定電流的10%。通常規(guī)定并聯(lián)運(yùn)行的變壓器變比差值百分?jǐn)?shù)ΔK≤1%。

2 阻抗不同的變壓器并聯(lián)運(yùn)行情況分析

阻抗電壓是將變壓器的二次繞組短路，使一次繞組電壓慢慢加大，當(dāng)二次繞組的短路電流達(dá)到額定電流時(shí)，一次繞組所施加的電壓（短路電壓）與額定電壓的比值百分?jǐn)?shù)。同容量的變壓器，阻抗電壓小的成本低，效率高，價(jià)格便宜，另外運(yùn)行時(shí)的壓降及電壓變動(dòng)率也小，電壓質(zhì)量容易得到控制和保證。因此從電網(wǎng)的運(yùn)行角度考慮，希望阻抗電壓小一些好。但從變壓器限制短路電流條件考慮，則希望阻抗電壓大一些好，以免電氣設(shè)備（如斷路器、隔離開關(guān)、電纜等）在運(yùn)行中經(jīng)受不住短路電流的沖擊而損壞。

忽略勵(lì)磁電流，采用簡化等效電路，而且把原邊歸算到副邊，假設(shè)有2臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行，而且已滿足變比相等和聯(lián)結(jié)組相同2個(gè)條件。圖1表示這2臺(tái)變壓器并聯(lián)時(shí)的簡化等效電路。

圖1 變壓器并聯(lián)運(yùn)行簡化等效電路圖

由于一般變壓器中電阻和電抗的比值很接近，可得：

即：

兩邊分別除以額定電流得：

上式等號(hào)右邊分子、分母除以額定電壓UN=UN1=UN2，并令 β1=I1/IN1，β2=I2/IN2，可得：

即每臺(tái)變壓器的負(fù)載系數(shù)和阻抗電壓成反比?？芍?，當(dāng)2臺(tái)變壓器的短路阻抗相等時(shí)，負(fù)荷在2臺(tái)變壓器上的分配是與變壓器的容量成正比，這是理想的負(fù)荷分配情況。當(dāng)2臺(tái)變壓器的短路阻抗不相等時(shí)，阻抗電壓較大的變壓器負(fù)荷占額定容量百分比較小，當(dāng)這臺(tái)變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)阻抗較小的變壓器就會(huì)過載運(yùn)行。但是變壓器長期過載運(yùn)行是不允許的，因此就只能讓阻抗電壓大的變壓器欠負(fù)荷運(yùn)行，這樣就限制了總的輸出功率，增大了能量損耗，不能保證變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3 阻抗不同的變壓器并列運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

以湖南省某500kV變電站主變擴(kuò)建工程為例，該站原有1臺(tái)總?cè)萘?50MVA、高中壓側(cè)單相容量為250MVA、阻抗電壓為U1-2%=12的單相自耦無勵(lì)磁調(diào)壓變壓器(S1)，現(xiàn)計(jì)算不同阻抗電壓，不同容量的變壓器(S2)與其并列運(yùn)行所產(chǎn)生的情況。

（1）容量 1000MVA，阻抗電壓為 U1-2%（1）=12 的變壓器：

當(dāng)S1滿載時(shí)，S2的負(fù)載比率為1，所帶的總功率為：

（2）容量 1000MVA，阻抗電壓為 U1-2%（2）=18 的變壓器：

當(dāng)S1滿載時(shí)，S2的負(fù)載比率為66%，所帶的總功率為：

（3）容量 1000MVA，阻抗電壓為 U1-2%（3）=24 的變壓器：

當(dāng)S1滿載時(shí)，S2的負(fù)載比率為50%，所帶的總功率為：

（4）容量 1500MVA，阻抗電壓為 U1-2%（4）=18 的變壓器：

當(dāng)S1滿載時(shí)，S2的負(fù)載比率為66%，所帶的總功率為：

由以上4種情況可以看出，當(dāng)選取的變壓器容量一定時(shí)，隨著阻抗電壓的增加，2臺(tái)變壓器所能供帶的總負(fù)荷不斷減少，即變壓器的利用率越來越低。若在保持阻抗電壓不變的情況下，要增加2臺(tái)變壓器的總輸出功率，就必須增大新上變壓器的容量，這也使變壓器的利用率降低。因此，為降低因阻抗壓相差過大產(chǎn)生的變壓器負(fù)荷電流嚴(yán)重分配不均，造成變壓器容量不能充分發(fā)揮，《變壓器安全運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定并列運(yùn)行的變壓器阻抗電壓相差不能超過10%。

4 結(jié)束語

由上可知，幾臺(tái)相同接線組別、相同電壓比的變壓器并列運(yùn)行時(shí)，要使變壓器容量利用率最大，就要求變壓器的阻抗電壓一致，此時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最大。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于短路電流等條件的限制，并列運(yùn)行的變壓器往往阻抗電壓不一致，這就造成了部分變壓器重負(fù)載、部分變壓器輕負(fù)載同時(shí)運(yùn)行的情況。隨著近些年各電壓等級(jí)的變電站主變擴(kuò)建工程越來越多，必須要提高變壓器容量的利用率，避免浪費(fèi)，提高運(yùn)行效率。在此提出2條合理性建議：

（1）合理規(guī)劃。在變電工程建設(shè)前期，要充分考慮該站供電范圍內(nèi)的負(fù)荷增長、短路電流數(shù)值大小、負(fù)荷分配等情況，考慮遠(yuǎn)景安排，選取合適的變壓器。

（2）適當(dāng)改變主變運(yùn)行方式。若阻抗電壓不同的變壓器并列運(yùn)行，可以根據(jù)出線潮流和變壓器容量，綜合考慮遠(yuǎn)景變壓器臺(tái)數(shù)、供電可靠性、變壓器的損耗等條件，適時(shí)將變壓器分列運(yùn)行，以獲取更好的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。