電力自耦變壓器公共繞組過負荷分析

電力自耦變壓器公共繞組過負荷分析電力自耦變壓器與普通變壓器相比具有明顯的經(jīng)濟效益，因此在220kV及以上電壓等級的超高壓電網(wǎng)及其他一些場合得到了廣泛的應(yīng)用。自耦變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通變壓器相比，有著本質(zhì)的差別，具有功率傳導(dǎo)容易、體積小等特點。自耦變壓器在不同的運行方式下，公共繞組流過的電流與同處一個鐵心的串聯(lián)繞組有所不同。本文從分析自耦變壓器的電流流向入手，導(dǎo)出公共繞組過負荷特征，對過負荷保護及第三側(cè)無功容量與公共繞組容量的關(guān)系進行了必要的討論，以便供設(shè)計與運行人員參考。1自耦變壓器在不同運行方式下的電流流向1.1自耦變壓器常見的幾種使用形式按電壓等級分，第三側(cè)有35kV和10kV兩種；按與系統(tǒng)連接形式分，第三側(cè)有：直接向用戶供電；直接向用戶供電且安裝無功補償裝置；不直接向用戶供電，只接無功補償裝置；不直接向用戶供電，亦不接無功補償裝置，只作為平衡繞組使用。1.2各種不同運行方式下的自耦變壓器電流流向及過負荷分析降壓變電站使用的自耦變壓器，其運行方式可歸納為兩大類型，一類是高壓向中壓(或低壓)或者是同時向中低壓供電，如上述接入系統(tǒng)方式中的a、b兩種；另一類是高壓和低壓同時向中壓供電，如上述接入系統(tǒng)方式中的b、c兩種。為直觀起見，舉例來加以分析，假設(shè)某一變壓器變量為120MVA，電壓比為220/110/10kV，容量比為100/100/50，通常設(shè)計公共繞組的容量等于自耦變壓器的計算容量，所以該變壓器的公共繞組容量為：MVA(K12為高壓側(cè)與中壓側(cè)的變比)。由此可知，高壓側(cè)額定電流為，高壓側(cè)額定電流即等于串聯(lián)繞組的額定電流ICe；中壓側(cè)額定電流為I2e=120,000/(31/2X110)=630A；低壓側(cè)額定電流為I3e=60,000/(31/2X10)=3,464A；公共繞組額定電流為IG￡=計算容量/(31/2X110)=60,000(31/2X110)=315A。降壓變電站使用的自耦變壓器第一類運行方式又可分為三種情形，如圖1?3所示。高壓側(cè)單獨向中壓側(cè)供電(圖1)此時I3=0。該運行方式即為自耦變壓器的自耦運行方式。高壓側(cè)以自耦方式向中壓側(cè)供電，有S1=S2。根據(jù)鐵心中磁勢平衡原理，有：其中：I1、I2、I3分別為高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)的電流；IAB、IDB分別為自耦方式運行時串聯(lián)繞組、公共繞組的電流；I為高、低壓側(cè)之間以變壓器方式(電磁感應(yīng))運行時高壓側(cè)的電流；WAB、WCD、W3分別為串聯(lián)繞組、公共繞組、低壓繞組的匝數(shù)。當自耦變壓器在額定負荷下運行時，即S2=120MVA，U1=220kV，K12=2，可得：IC=IDB=315A可見，在這種運行方式下，若變壓器未過負荷，則公共繞組不會過負荷，所以此時自耦變壓器的過負荷保護可按普通變壓器的方式裝設(shè)。高壓側(cè)單獨向低壓側(cè)供電(圖)此時I2=0。該運行方式即為雙繞組普通變壓器的工作方式，高壓側(cè)以普通變壓器方式向低壓側(cè)供電，有S1=S3。當自耦變壓器在額定負荷下運行時，即S3=60MVA，U1=220kV，可得：IG=IB=157.5A可見，在這種運行方式下，即使變壓器低壓側(cè)滿負荷，則公共繞組中的電流也未達到額定值，所以，此時自耦變壓器的過負荷保護可按普通變壓器的方式裝設(shè)。高壓側(cè)同時向中低壓側(cè)供電方式的電流流向(圖)這種方式可看作上面兩種方式的迭加，高壓側(cè)輸入容量分為兩部分:、。為高壓側(cè)以自耦方式傳遞給中壓側(cè)的容量，等于中壓側(cè)的輸出容量，=S1，此時相當于高壓側(cè)單獨向中壓側(cè)供電，高一中壓繞組間自耦方式供電，IAB、IDB為串聯(lián)繞組、公共繞組中流過的電流。為高壓側(cè)以高、低壓繞組間以變壓器(電磁感應(yīng))方式傳遞的容量，等于低壓側(cè)的輸出容量，=S3,相當于高壓側(cè)單獨向低壓側(cè)供電，高一低壓繞組間以電磁感應(yīng)方式供電，IB為高壓側(cè)電流。從圖中可見，公共繞組中有兩個電流：IDB和IB，且兩電流方向相反，所以公共繞組中的電流為：IG=IDB-IB當?shù)蛪簜?cè)滿負荷運行時，即本例中的S3=60MVA，則S2=60MVA，且有U1=220kV，K12=2,將其代入式(11)、式(1-1〃)，可以求得：所以，公共繞組中的電流為：IG=IDB-IB=0當中壓側(cè)滿負荷運行時，即S2=120MVA，則S3=0MVA，將其代入式(1-1)或(1-2)，同理，可求得：IDB=315A；IB=0A，所以，此時公共繞組的電流為：IG=IDB-IB=315A從上述分析可知，這種運行方式下，若變壓器未過負荷，則公共繞組中的電流將會在0?315A的范圍內(nèi)，而不會超過額定值，所以，此時自耦變壓器的公共繞組不會過負荷，可不裝設(shè)過負荷保護。如圖4所示，高低壓側(cè)同時向中壓側(cè)供電時中壓則的輸出容量由、兩部分組成。為高壓側(cè)以自耦方式傳遞給中壓側(cè)的容量，等于中壓側(cè)的輸出容量，=S2,此時相當于高壓側(cè)單獨向中壓側(cè)供電，高一中壓繞組間可以自耦方式供電，IAB、IDB為串聯(lián)繞組、公共繞組中流過的電流。為高壓側(cè)以變壓器方式(電磁感應(yīng))方式傳遞的容量，等于低壓側(cè)的輸出容量，=S3,相當于高壓側(cè)單獨向低壓側(cè)供電，IB為高壓側(cè)流過的電流。從圖中可見，在這種運行方式下，公共繞組中的電流為：IG=IDB+IB，其中，IDB可由公式求得。IB為低壓側(cè)通過變壓器方式感應(yīng)到中壓側(cè)的電流，則有：當高壓側(cè)滿負荷運行時，上面的算例中有S1=120MVA，且U1=220kV，K12=2,代入公式，可得：IDB=IGe=315A可見，此時為了不使公共繞組過負荷，必須使低壓側(cè)的輸出電流IB=0A。當?shù)蛪簜?cè)滿負荷運行時，有S2=60MVA，代入公式，可得：IB=IGe=315A由上式可知，此時要想不使公共繞組過負荷，則必須使電流IDB=0。從以上分析可以看出，在這種運行方式下，若變壓器高壓側(cè)滿負荷運行，則低壓側(cè)不能向中壓側(cè)供電，否則公共繞組會過負荷，即高壓側(cè)傳遞容量較多時，會限制低壓側(cè)容量的輸出；若變壓器低壓側(cè)滿負荷運行時，則高壓側(cè)不能向中壓側(cè)供電，否則公共繞組會過負荷。需要注意的是，在后一種情況下，變壓器的輸出還未達到額定負載，其輸出為60MVA，僅為額定功率的一半。2.公共繞組的容量與第三側(cè)接入無功補償裝置容量之間的關(guān)系從上面的分析可知，當降壓變電站第三側(cè)接入無功補償裝置時，則會出現(xiàn)高低壓側(cè)同時向中壓側(cè)供電，若低壓側(cè)傳輸容量達到計算容量，為了不使公共繞組過負荷，在不計變壓器本身無功損耗時，高壓側(cè)就不能再向中壓側(cè)供電。在電力系統(tǒng)中，高壓側(cè)向中壓側(cè)傳送功率，低壓側(cè)進行無功功率補償是常見的運行方式。為了能不影響高壓側(cè)以額定容量向中壓側(cè)系統(tǒng)供電，又能充分利用第三側(cè)接入的無功補償裝置，必須搞清公共繞組的容量與第三側(cè)接入的無功補償容量的關(guān)系。2.1不考慮變壓器無功損耗時，必須增加公共繞組的容量以圖4所示為例，此時有：中壓側(cè)的輸出容量為S2=S1e+S3e=S1+S3，則公共繞組的通過容量為SG=SJS+S3（SJS為自耦變壓器的計算容量）。因為低壓側(cè)連接無功補償裝置，所以其輸入僅為無功，即S3=jQD。在復(fù)數(shù)功率圓圖中，S3=OD總是畫在+jQ軸正方。以D為圓心，DC和DG為半徑作兩個圓，DC=SJS，DG=S1，因為SG=SJS+S3,S2=S3+S1，所以TOC\o"1-5"\h\zOC=SG，OG=S2，即公共繞組的“必須容量”為圖中所示 ―oc的幅值（必須容量一一繞組可能通過最大容量所必須滿足的容量要求），此時中壓側(cè)的輸出容量為圖中向量 ；■■一一一…OG所定義的幅值，且公共繞組的“必須容量”和中壓側(cè) 小一"輸出容量與高壓側(cè)的功率因數(shù)有密切關(guān)系，它將隨功率 ?；：?因數(shù)的減小而增大。當高、低壓側(cè)同時向中壓側(cè)傳送功 ,率時，公共繞組中的負荷計算公式為；對于一臺額定容 - '量為120MVA的自耦變壓器，高壓側(cè)功率因數(shù)假定為0.9 上代匚之⑶叱叩*擋!時，當?shù)谌齻?cè)需要接入60MVAR的無功補償裝置時，按照 . l霸壓的單獨向中Utt!供公式可求出公共繞組容量為： 蛆氣汗泠菁&上芥2.2當考慮變壓器本身的無功損耗，且第三側(cè)要求 ''補償無功容量不大時，可以不增加公共繞組容量根據(jù)公式可以算出，對于一臺額定容量為120?MVA的自耦變壓器，第三側(cè)接入無功補償容量不超過15?MVAR時，公共繞組可不加大容量，通常不會出現(xiàn)過載現(xiàn)象。但此時公共繞組需增設(shè)過負荷保護，以防止在特殊運行方式下有可能出現(xiàn)的過負荷情況。3.結(jié)論從上述分析可見，自耦變壓器的的電流流向與普通三繞組變壓器