基于PSCAD/EMTDC的1000 kV特高压变压器仿真

李建生

(国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103)

基于PSCAD/EMTDC的1000 kV特高压变压器仿真

李建生

(国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103)

特高压变压器是电网核心设备之一，其电磁暂态仿真模型是继电保护研究的基础。通过分析1000 kV特高压变压器运行基本原理，充分考虑主体变和调补变绕组连接特点，建立了基于PSCAD/EMTDC的主体变和调补变联合仿真模型，并对其正常运行、空载合闸和出口短路故障进行了仿真分析。

特高压变压器；PSCAD/EMTDC；非线性；空载合闸

为解决我国能源、负荷分布不均及环境污染问题，国家电网公司从2009年开始大力发展特高压电网，目前已建成±800 kV锦苏、1000 kV淮上南环工程等，大大缓解了上海、江苏等地区能源压力，同时增加了清洁能源比重、提高了煤炭资源利用效率[1，2]。作为电网安全稳定运行的第一道防线，保护控制至关重要，其研究的基础是准确的仿真模型[3，4]。目前，为研究1000 kV特高压变压器保护控制策略，文献[5]以单相分体500 kV自耦变压器模型为基础，利用整体变压器基本技术参数，通过设置4个绕组，模拟变压器内部短路故障；同样的文献[6]也建立单相分体500 kV自耦变压器模型基础上，根据变压器回路平衡方程和励磁电感，对变压器内部故障进行识别。由于500 kV自耦变压器采用中压线端调压方式，通过改变中压绕组的匝数对电压进行调节，调压过程中对高压侧和低压侧电压变化影响很小；而对于1000 kV特高压变压器，由于绝缘问题，采用中性点调压方式，这就需要引入调压变和补偿变减少高压及中压侧电压波动。由于1000 kV特高压变压器与500 kV变压器结构差异，文献[4，5]中建立的变压器模型未考虑主体变、调压变和补偿变的非线性特征，适用于仿真主体变正常运行状态、故障后稳定运行状态，难以准确仿真暂态过程。此外，主体变和调补变各个绕组电压、电流情况也无法直接反映。

为准确模拟1000 kV特高压变压器运行情况，通过分析主体变和调压补偿变结构特征、连接方式，基于PSCAD/EMTDC软件建立主体变和调补变联合仿真模型，并进行了正常运行、空载合闸和出口处短路状态仿真。

1 特高压变压器基本原理

（1）特高压变压器基本结构。1000 kV特高压变压器由主体变和调压补偿变组成，主体变与调压补偿变利用架空分裂导线连接，如图1所示。主体变压器采用双柱或三柱并联结构，高压、中压、低压绕组均为并联；调压补偿变压器内设置调压变压器和补偿变压器，调压开关放置在调压补偿变压器油箱内。

图1 特高压变压器示意图

由于特高压变压器中压侧为500 kV，若采用500 kV线端调压，绝缘水平相对较高，调压开关和调压绕组绝缘结构复杂，而且目前尚无可用的调压开关。因此现阶段特高压变压器均采用中性点变磁通调压方式，通过设置单独的调压变压器减少主体变压器电压波动、提高设备运行的安全性。主体变和调补变之间主要有2种连接方式，如图2所示。图2（a）中调压变励磁绕组与主体变低压绕组并联，图2（b）中调压变励磁绕组与整体变低压绕组并联。对于主体变，其铁心常采用四柱或五柱结构，对应的SV，CV，LV绕组分别由2个或3个绕组并联得到，并联的绕组匝数、容量完全相同。

图2 特高压变压器端子连接示意图

（2）特高压变压器电磁耦合矩阵方程。根据图2（a），可得到2种不同接线方式下特高压变压器的电磁耦合矩阵方程：

式（1，2）中；e1，e2，e3分别为绕组SV，EV，LE中每匝电势；NSV，NCV，NTV，NLV，NEV，NLT，NLE分别为对应下标绕组的匝数；UAX，UAmX，Uax分别为特高压变压器高、中、低压侧电压。

同理，得到图2（b）接线方式下电磁耦合矩阵方程：

由式（1—4）知，任一绕组运行状态变化都直接影响特高压变压器整体运行，而现有仿真模型无法仿真任一绕组的电磁耦合情况，也未考虑主体变、调压变和补偿变的非线性特征差异。

2 特高压变压器PSCAD/EMTDC模型

2.1 数学模型

主体变绕组连接示意图如图3所示。

图3 主体变绕组连接示意图

图3中，其高压、中压、低压绕组在同一铁心，磁通分布相同，考虑铁心的非线性特征，得主体变的方程：

式（5）中：uAX，uAmX，uax分别为高、中、低压绕组电压；iA，iAm，ia分别为高、中、低压侧电流；im1为励磁电流，φ1为磁通，φ1与im1之间为非线性函数关系，由铁磁材料决定，如图4所示。

图4 铁磁材料基本磁化曲线

同理，可获得调压变、补偿变电磁暂态数学模型。调压变、补偿变均为非自耦双绕组变压器，励磁电流分别为im2，im3，铁心内磁通分别为φ2，φ3。

2.2 PSCAD/EMTDC模型

特高压变压器采用单相分体结构，其主体变可利用PSCAD/EMTDC模型库中1-phase 3-winding auto transformer模拟，调压变和补偿变利用 1-phase 2-winding transformer模拟，基本参数如表1—3所示。

表1 主体变基本参数

表2 调压变基本参数

表3 补偿变基本参数

为模拟变压器非线性特征，需要填写变压器的饱和属性，主要参数包括空心电感系数、饱和点位置、励磁电流等，如表4所示。

表4 铁心非线性参数

分别建立主体变、调压变和补偿变的PSCAD模型，并按实际进行连接，即建立完成整体变的模型。

3 仿真分析

某1000 kV特高压站主变技术参数如表5所示。

假设特高压变压器500 kV，110 kV侧接有功负荷，1000 kV侧进行供电，通过控制图5中开关动作仿真特高压变压器正常运行、空载合闸和出口短路情况，如图5所示。图5中，KA，KAm，Ka分别为1000 kV，500 kV和110 kV侧三相开关，P1+jQ1，P2+jQ2分别为500 kV，110 kV侧负荷，Kabc，Kg分别为低压侧故障设置开关。

3.1 正常运行

闭合开关KA，KAm和Ka，仿真特高压变压器正常运行情况。A相电压、电流仿真波形如图6所示。由于负荷均设置为有功负荷，且该负荷下变压器运行在铁心磁化曲线线性段，电压、电流相位相同，波形均为正弦波。图中，UA，UAm，Uag分别为A相变压器1000 kV侧、500 kV侧、110 kV侧相电压；IA，IAm，Iag分别为1000 kV侧、500 kV侧、110 kV侧相电流。

表5 1000 kV变压器主要技术参数

图5 特高压变压器运行模拟示意图

图6 A相电压及电流仿真波形

3.2 空载合闸

断开所有开关，分别设置特高压变压器1000 kV侧开关KA闭合时间为0.1 s，0.108 s，仿真变压器空载合闸情况。

（1）0.10 s开关闭合。1000 kV侧相电流仿真曲线如图7所示。A相电流最大，高达2500 A，大大超过额定电流值，其次为C相，最小的为B相。由于铁心的非线性特征，三相电流均出现间断特征。

图7 三相电流

（2）0.108 s开关闭合。开关0.108 s合闸时1000 kV侧相电流仿真曲线如图8所示。B相电流最大，高达2500 A，其次为A相，最小的为C相，三相电流均存在间断。

图8 三相电流

变压器空载合闸产生的励磁涌流与合闸时间有关，且励磁涌流会产生较强的电动力，在瓦斯继电器选型时应该注意。

3.3 出口短路故障

假设1000 kV变压器运行过程中，低压侧发生单相、相间及三相金属性短路故障，利用模型仿真其电压、电流变化情况。0.03 s时变压器低压侧不同短路故障形式下的电流仿真波形如图9所示。

图9 1000 kV低压侧短路故障

变压器外部发生短路故障，将产生大短路电流，易造成绕组变形，进一步损坏绝缘导致故障。因此在特高压电网规划时，要充分考虑变压器抗短路能力，并采取一定的措施避免大短路电流产生。

4 结束语

在分析1000 kV特高压变压器结构及绕组连接特点基础上，建立了整体变PSCAD/EMTDC模型，能够对变压器正常运行、空载合闸和出口短路故障进行模拟。该模型充分考虑了主体变、调压变、补偿变的差异，不仅能够准确模拟整体变的非线性特征，而且能够对反映各个绕组电气信息，为进一步研究变压器内部故障和相应的控制保护策略奠定了基础。

[1]舒印彪，刘泽洪，袁 骏，等.2005年国家电网公司特高压输电论证工作综述[J].电网技术，2006，30（5）：1-12.

[2]刘振亚.中国特高压交流输电技术创新[J].电网技术，2013，37（3）：1-8.

[3]邓茂军，孙振文，马和科，等.1000 kV特高压变压器保护方案[J].电力系统自动化，2015，39（10）：168-173.

[4]袁宇波，李 鹏，黄浩声.变压器差动保护误动原因分析及对策综述[J].江苏电机工程，2013，32（6）：8-12.

[5]曾麟钧，林湘宁，黄景光，等，特高压自耦变压器的建模和电磁暂态仿真[J].中国电机工程学报，2010，30（1）：91-97.

[6]邓祥力，王传启，张 哲，基于回路平衡方程和励磁电感的特高压变压器保护[J].中国电机工程学报，2012，32（1）：147-154.

Simulation of 1000 kV Transformers Based on PSCAD/EMTDC

LI Jiansheng
(State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute,Nanjing 211103,China)

The ultra-high voltage transformer is one of the key equipment,and its electromagnetic transient simulation model is the basis for relay protection research.Through analyzing the principle of 1000 kV UHV transformers,and considering the winding connection characteristics,a main part and voltage regulation and compensation part integrated model is established in PSCAD/EMTDC.The simulations and analyses on normal operation,no-load switching and short circuit condition are implemented.

ultra-high voltage transformer;PSCAD/EMTDC;nonlinear;no-load switching

TM77

A

1009-0665（2016）06-0018-04

李建生（1986），男，山东青州人，工程师，从事线圈类电力设备状态评估研究工作。

2016-07-18；

2016-08-30