電力自耦變壓器公共繞組過(guò)負(fù)荷分析

電力自耦變壓器公共繞組過(guò)負(fù)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(jì)效益，因此在220kV及以上電壓等級(jí)的超高壓電網(wǎng)及其他一些場(chǎng)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(diǎn)。自耦變壓器在不同的運(yùn)行方式下，公共繞組流過(guò)的電流與同處一個(gè)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(guò)負(fù)荷特征，對(duì)過(guò)負(fù)荷保護(hù)及第三側(cè)無(wú)功容量與公共繞組容量的關(guān)系進(jìn)行了必要的討論，以便供設(shè)計(jì)與運(yùn)行人員參考。1自耦變壓器在不同運(yùn)行方式下的電流流向1.1自耦變壓器常見(jiàn)的幾種使用形式按電壓等級(jí)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(wú)功補(bǔ)償裝置；不直接向用戶供電，只接無(wú)功補(bǔ)償裝置；不直接向用戶供電，亦不接無(wú)功補(bǔ)償裝置，只作為平衡繞組使用。1.2各種不同運(yùn)行方式下的自耦變壓器電流流向及過(guò)負(fù)荷分析降壓變電站使用的自耦變壓器，其運(yùn)行方式可歸納為兩大類(lèi)型，一類(lèi)是高壓向中壓(或低壓)或者是同時(shí)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(lèi)是高壓和低壓同時(shí)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(jiàn)，舉例來(lái)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(jì)公共繞組的容量等于自耦變壓器的計(jì)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(jì)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(lèi)運(yùn)行方式又可分為三種情形，如圖1?3所示。高壓側(cè)單獨(dú)向中壓側(cè)供電(圖1)此時(shí)I3=0。該運(yùn)行方式即為自耦變壓器的自耦運(yùn)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(shì)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)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(dāng)自耦變壓器在額定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，即S2=120MVA，U1=220kV，K12=2，可得：IC=IDB=315A可見(jiàn)，在這種運(yùn)行方式下，若變壓器未過(guò)負(fù)荷，則公共繞組不會(huì)過(guò)負(fù)荷，所以此時(shí)自耦變壓器的過(guò)負(fù)荷保護(hù)可按普通變壓器的方式裝設(shè)。高壓側(cè)單獨(dú)向低壓側(cè)供電(圖)此時(shí)I2=0。該運(yùn)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(dāng)自耦變壓器在額定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，即S3=60MVA，U1=220kV，可得：IG=IB=157.5A可見(jiàn)，在這種運(yùn)行方式下，即使變壓器低壓側(cè)滿負(fù)荷，則公共繞組中的電流也未達(dá)到額定值，所以，此時(shí)自耦變壓器的過(guò)負(fù)荷保護(hù)可按普通變壓器的方式裝設(shè)。高壓側(cè)同時(shí)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(shí)相當(dāng)于高壓側(cè)單獨(dú)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(guò)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(dāng)于高壓側(cè)單獨(dú)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(jiàn)，公共繞組中有兩個(gè)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(dāng)?shù)蛪簜?cè)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，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(dāng)中壓側(cè)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，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(shí)公共繞組的電流為：IG=IDB-IB=315A從上述分析可知，這種運(yùn)行方式下，若變壓器未過(guò)負(fù)荷，則公共繞組中的電流將會(huì)在0?315A的范圍內(nèi)，而不會(huì)超過(guò)額定值，所以，此時(shí)自耦變壓器的公共繞組不會(huì)過(guò)負(fù)荷，可不裝設(shè)過(guò)負(fù)荷保護(hù)。如圖4所示，高低壓側(cè)同時(shí)向中壓側(cè)供電時(shí)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(shí)相當(dāng)于高壓側(cè)單獨(dú)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(guò)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(dāng)于高壓側(cè)單獨(dú)向低壓側(cè)供電，IB為高壓側(cè)流過(guò)的電流。從圖中可見(jiàn)，在這種運(yùn)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(guò)變壓器方式感應(yīng)到中壓側(cè)的電流，則有：當(dāng)高壓側(cè)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，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(jiàn)，此時(shí)為了不使公共繞組過(guò)負(fù)荷，必須使低壓側(cè)的輸出電流IB=0A。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，有S2=60MVA，代入公式，可得：IB=IGe=315A由上式可知，此時(shí)要想不使公共繞組過(guò)負(fù)荷，則必須使電流IDB=0。從以上分析可以看出，在這種運(yùn)行方式下，若變壓器高壓側(cè)滿負(fù)荷運(yùn)行，則低壓側(cè)不能向中壓側(cè)供電，否則公共繞組會(huì)過(guò)負(fù)荷，即高壓側(cè)傳遞容量較多時(shí)，會(huì)限制低壓側(cè)容量的輸出；若變壓器低壓側(cè)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，則高壓側(cè)不能向中壓側(cè)供電，否則公共繞組會(huì)過(guò)負(fù)荷。需要注意的是，在后一種情況下，變壓器的輸出還未達(dá)到額定負(fù)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(wú)功補(bǔ)償裝置容量之間的關(guān)系從上面的分析可知，當(dāng)降壓變電站第三側(cè)接入無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)高低壓側(cè)同時(shí)向中壓側(cè)供電，若低壓側(cè)傳輸容量達(dá)到計(jì)算容量，為了不使公共繞組過(guò)負(fù)荷，在不計(jì)變壓器本身無(wú)功損耗時(shí)，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(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償是常見(jiàn)的運(yùn)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(wú)功補(bǔ)償裝置，必須搞清公共繞組的容量與第三側(cè)接入的無(wú)功補(bǔ)償容量的關(guān)系。2.1不考慮變壓器無(wú)功損耗時(shí)，必須增加公共繞組的容量以圖4所示為例，此時(shí)有：中壓側(cè)的輸出容量為S2=S1e+S3e=S1+S3，則公共繞組的通過(guò)容量為SG=SJS+S3（SJS為自耦變壓器的計(jì)算容量）。因?yàn)榈蛪簜?cè)連接無(wú)功補(bǔ)償裝置，所以其輸入僅為無(wú)功，即S3=jQD。在復(fù)數(shù)功率圓圖中，S3=OD總是畫(huà)在+jQ軸正方。以D為圓心，DC和DG為半徑作兩個(gè)圓，DC=SJS，DG=S1，因?yàn)镾G=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(guò)最大容量所必須滿足的容量要求），此時(shí)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(dāng)高、低壓側(cè)同時(shí)向中壓側(cè)傳送功 ,率時(shí)，公共繞組中的負(fù)荷計(jì)算公式為；對(duì)于一臺(tái)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(shí)，當(dāng)?shù)谌齻?cè)需要接入60MVAR的無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，按照 . l霸壓的單獨(dú)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(dāng)考慮變壓器本身的無(wú)功損耗，且第三側(cè)要求 ''補(bǔ)償無(wú)功容量不大時(shí)，可以不增加公共繞組容量根據(jù)公式可以算出，對(duì)于一臺(tái)額定容量為120?MVA的自耦變壓器，第三側(cè)接入無(wú)功補(bǔ)償容量不超過(guò)15?MVAR時(shí)，公共繞組可不加大容量，通常不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象。但此時(shí)公共繞組需增設(shè)過(guò)負(fù)荷保護(hù)，以防止在特殊運(yùn)行方式下有可能出現(xiàn)的過(guò)負(fù)荷情況。3.結(jié)論從上述分析可見(jiàn)，自耦變壓器的的電流流向與普通三繞組變壓器