基于MATLAB的1 000 kV特高压变压器仿真

李其莹，吴 遨，韩金林，高文龙，王鸿志

（1.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；2.山东送变电工程有限公司，山东 济南 250118；3.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东 青岛 266002；4.国网山东省电力公司建设公司，山东 济南 250001）

0 引言

随着特高压工程的不断发展，电力变压器的电压等级、传输容量、绕组数量和体积不断增大。1 000 kV泉城站作为“特高压入鲁”工程山东第一座1 000 kV变电站，其主变压器由主体变和调压补偿变两部分构成［1］，容量和复杂程度都是首次接触，在进行变压器一次通流试验时，由于调压补偿变绕组产生的电流很小，给调试工作带来很大挑战。为了更好地研究特高压变压器的结构特点和保护运行方式，对特高压变压器进行一次电流仿真显得十分必要。

1 1 000 kV特高压变压器结构

1 000 kV特高压变压器采用中性点无励磁调压方式，由主体变压器和调压补偿变压器两部分组成。为了使调压过程中低压侧电压不受影响，加入调压补偿绕组，对低压绕组进行补偿。调压补偿变压器由调压变压器和补偿变压器组成，二者共用一个油箱，调压补偿变压器的励磁绕组（EV）与主体变压器的低压绕组 （LV）并联，低压补偿变压器的励磁绕组（LE）与调压变压器的调压绕组（TV）并联，调压补偿变压器的补偿绕组 （LT）与主体变压器的低压绕组（LV）串联，变压器结构如图1所示。

图1 1 000 kV特高压变压器绕组接线

2 1 000 kV特高压变压器保护配置

1 000 kV特高压变压器保护由主体变压器保护和调压补偿变压器保护两部分组成，主体变压器保护与常规500 kV变压器保护配置相同，配备了完善的主、后备保护。调压补偿变压器保护配置了调压变压器纵差保护和增量差动、补偿变压器纵差保护和增量差动主保护［2］。

调压变压器和补偿变压器的绕组匝数占整个变压器的比例相对较小，当调压变压器发生匝间短路时，主体变压器配置的纵差保护差流很小，甚至不能够起动，为了提高调压变压器和补偿变压器发生匝间故障时的灵敏度，单独配置调压变压器和补偿变压器差动保护。变压器绕组与电流互感器接线如图2所示。

调压补偿变压器差动保护电流由电流互感器TA4、TA5、TA6、TA7 获得，其中，调压变压器差动保护电流由TA5、TA6、TA7组成，补偿变压器差动保护电流由 TA4、TA6、TA7 组成。

图2 1 000 kV特高压变压器绕组和TV接线

调压变压器差流满足：

补偿变压器差流满足：

当调压装置在1～4档位时，调压绕组中的电流方向为正，当调压装置在6～9档位时，调压绕组中的电流方向为负，此时TA5、TA6的电流极性也随着改变。

图3 变压器中—高压侧通流仿真模型

图4 变压器中—低压侧通流仿真模型

3 1 000 kV特高压变压器通流试验仿真建模

仿真在MATLAB/Simulink软件平台上进行，用simulink中的电力系统工具箱（PSB）工具箱建立变压器通流的模型，在Simulink环境下进行仿真［3］。

3.1 电力系统工具箱

PSB（Power System Blockset）是基于 Simulink 而发展起来的对电力系统进行仿真的强大的工具箱［3］。PSB中的Powerlib-models使用预先构造好的用于仿真非线性电路的元件；连接在状态空间块输入的Simulink源，通常用来仿真电源块。Simulink中非线性模块以反馈方式连接到线性模块的电压输出和电流输入之间。

PSB电力系统模型块是电力系统仿真的基础，PSB中以图元的形式表示电力系统设备的数学模型。所有的模型块有7类：电源库（各种交直流电源模型）；输电变电库（包含电力网的线性和非线性元件，如断路器、线路、变压器、负荷、避雷器、接地点和中性点等）；电力电子设备库（包含二极管、晶闸管、可关断晶闸管等元件）；电机库（直流电机、同步电机、异步电机和永磁同步电机等）；测量库（电流互感器、电压互感器和阻抗测量等）等。

3.2 变压器通流仿真模型

以单电源三卷变压器为模型建立特高压变压器主体变和调压补偿变模型，短接高压侧绕组模拟中-高压侧通流试验，仿真模型如图3，短接低压侧绕组模拟中-低压侧通流试验，仿真模型如图4所示。

4 变压器通流仿真结果及分析

4.1 中-高压侧通流仿真

中-高压侧通流仿真结果可以看出，中压侧电流和调压变压器原边电流幅值和相位相同，此时调压变压器副边和低压侧绕组电流幅值相等方向相反，补偿变绕组中几乎没有电流通过。中-高压侧通流仿真结果如图5所示。

图5 中—高压侧通流仿真波形

图6 中—低压侧通流仿真波形

4.2 中-低压侧通流仿真

中-低压侧通流仿真结果可以看出，中压侧电流幅值等于补偿变压器和调压变压器原边电流之和，三者相位相同，低压侧和补偿变副边电流幅值相等但相位相反，调压变压器副边电流较小。中-低压侧通流仿真结果如图6所示。

4.3 中压侧空载合闸励磁涌流仿真

对中压侧空载合闸瞬间进行仿真如图7所示，从结果可以看到中、低压侧励磁涌流在一个周波内呈不连续状且偏于时间轴的一侧，中、低压侧电流相位相反，与实际情况相符。

图7 模拟中压侧空载合闸瞬间励磁涌流

5 结语

所进行特高压变压器一次电流仿真结果与实际相吻合，建立的模型正确性得到了验证。随着特高压工程建设加快，大容量变压器特别是换流变及调压补偿变越来越多，保护配置更加复杂，给出了电力变压器保护仿真的思路和具体方法，可为大容量变压器的仿真提供一定参考，能够加深现场工程人员对变压器结构和保护配置的理解，有助于提高现场调试工作的顺利开展。