基于PSCAD的变压器空投仿真分析

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(中海油装备技术有限公司，天津 300452)

基于PSCAD的变压器空投仿真分析

刘为玉，姚长龙

(中海油装备技术有限公司，天津 300452)

以海洋石油平台微电网为背景，采用PSCAD仿真软件搭建变压器仿真模型，对变压器产生的励磁涌流及和应涌流进行仿真，调整变压器接地方式、接线组别、合闸角度、剩磁以及系统阻抗观察并记录励磁涌流的变化情况，调整2台变压器接线组别、接地方式，观察和应涌流的变化，得到变压器不同条件下空载合闸的量化结果，提出规避变压器空投风险的相应措施。

石油平台；变压器；空载合闸；励磁涌流；PSCAD

海洋石油平台属于孤岛电网，大型变压器空载合闸所产生的涌流对电网冲击很大。正常运行时，变压器的励磁电流很小，一般为额定电流的1%～2%[1]，在空载合闸时可达额定电流的6～8倍，还会导致和应涌流的出现，引起相邻变压器差动误动。针对这种情况，考虑通过PSCAD仿真软件对变压器涌流的影响进行分析和评估，给出规避冲击的建议。

1 励磁涌流产生的机理

2.1 励磁涌流产生过程

电力变压器自身都有饱和磁通，其数值一般为Фs=1.15～1.40[2]。变压器送电前，其内部磁通只有剩磁，其数值大小、极性与分闸时刻的稳态磁通有关[3]。合闸时会有稳态磁通产生，但是根据磁链守恒定理，由于磁通不能突变[4]，这时必然有一个与稳态磁通相抵消的暂态磁通产生。当他们的合成磁通超过饱和磁通后，变压器的初级绕组电抗急剧下降，进而产生很大峰值的励磁涌流[5]。

1.2 和应涌流产生过程

当接地变压器合闸时，其产生的涌流的零序分量会流入相邻并联运行的变压器，接着在并联运行的变压器中产生和应涌流[6]。和应涌流都是在供电电压的动态幅值较大的时候发生，恰好此时励磁涌流也达到最大值。励磁涌流及应涌流交替出现[7]。和应涌流一般出现在运行的变压器中，而该运行变压器正好处在一个与空载合闸的变压器并列的位置或者在空载合闸变压器的上一级。当一台变压器空载合闸时，另一台变压器产生和应涌流[8]。

2 仿真分析

PSCAD/EMTDC是目前电力系统常用的电磁暂态仿真软件，对变压器仿真有经典方法和统一的磁等效电路(UMEC)方法，这里采用经典模型进行仿真。

2.1 励磁涌流的仿真分析

为了变压器更直观的分析励磁涌流倍数，本组仿真的变压器容量(见图1)设置为18.168 MW，在10.5 kV侧的额定电流就是1 kA。

利用恒流源模拟剩磁大小，以此对励磁涌流实现仿真计算。

在剩磁为0的情况下，改变电压的合闸角度，观察励磁涌流变化。

仿真得到波形见图1。

1)在线路电阻为1 Ω，剩磁为0时的不同合闸角度对应的励磁涌流情况统计见表1。

表1 谐波含量和间断角

图1 仿真组合

图2 励磁涌流波形

2)在电源阻抗为1 Ω，合闸角度为0°时，不同剩磁(为空载励磁电流百分比)对应的励磁涌流情况统计见表2。

3)调整电源阻抗大小，其他2项都为0的情况下，励磁涌流情况统计见表3。

4)系统各项参数保持不变，改变变压器接线方式，得到励磁涌流数据见表4。

表2 剩磁不同时的涌流倍数

表3 系统内阻不同时的涌流倍数

表4 变压器组别不同时的涌流倍数

分析上述的数据，得出结论如下。

1)单侧周期性尖顶波。

2)波形不连续。

3)大小与电压合闸角度密切相关；

4)二次谐波含量占比大，达到44.7%。

5)与剩磁的大小和方向关系密切。

6)系统回路的电阻与励磁涌流关系密切，通过在回路中串联适当的电阻可以极大地降低励磁涌流的峰值。

7)变压器在星型接线方式下的励磁涌流大于角型接线方式，且星型接线方式时中性点接地的励磁涌流大于不接地的情况。

8)涌流数值大小与变压器组别没有关系。

2.2 和应涌流的仿真分析

采用与海洋石油平台微电网相似的参数搭建和应涌流的仿真模型，将变压器的容量设置为18.168 MVA。如图3所示。

图3 和应涌流仿真原理

仿真得到波形见图4。

图4 运行变带载仿真结果

通过T1和T2接线组别及接地与否的排列组合，统计励磁涌流和和应涌流见表5。

表5 2变压器不同组别对应的涌流倍数

其中，2台变压器10.5 kV侧全是角型接线时，A和B 2相产生的励磁涌流及应涌流峰值相等并对称分布，见图5。

图5 运行变空载仿真结果

上述仿真表明和应涌流具有如下特点。

1)励磁涌流发生后，和应涌流接着出现，他们之间一前一后变化，且相互之间的方向相反。

2)和应涌流在励磁涌流出现后产生[9]，经过一个阶段才慢慢达到最大值。

3)采用接地方式，其数值大于不接地方式。

4)采用星形接地方式，其数值大于角接方式。

5)采用星型不接地方式产生的涌流最小。

2.3 变压器串并联的冲击仿真分析

由于海洋石油平台组网运行，各中心电站平台用于组网的变压器一般都是2台互为备用，有的则是3台互为备用。运行变压器要检修保养的时候，平台方就要启用备用变压器挂网运行，这就涉及到2种送电方式：一种是正向送电实现2台并列运行后再退出另一台；另一种是反向送电实现2台并列后再退出另一台。

结果对上述2种仿真数据进行对比，以此判断何种方式的励磁涌流冲击最小。反向送电得出的数据见表6。

表6 中性点接地与否对应涌流的倍数

分析上述数据可知，2台并列使用的变压器在进行送电的时候，顺序合闸变压器对系统的冲击要比通过其中一台变压器给另一台反送电导致的冲击要大一倍。

3 结论

1)选用合适的涌流抑制器，可最大限度地降低对电网的冲击。

2)针对空载合闸时发生的差动误动作问题，可以在合闸时临时将该保护屏蔽。

3)条件允许的情况下，选用软启动器给变压器上电，可以完全消除励磁涌流。

4)多开一台发电机，保证充足的热备容量，可以降低励磁涌流的冲击风险。

5)给停用的组网变压器送电时，采用通过其并联的变压器反送电，可将励磁涌流降低到2倍以下。

[1] 张琦兵，邰能灵，王鹏，等．船舶变压器预充磁分析研究[J]．电力系统保护与控制，2010(18)：145-149．

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Analysis of Transformer Simulation Based on PSCAD

LIUWei-yu,YAOChang-long

(CNOOC Equipment Technology Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

The simulation model of transformer was established by PSCAD for the offshore oil platform micro grid, to analyze the inrush current of transformer under different condition. By adjusting grounding mode, wiring group, closing angle, remanence and system impedance of the transformer, the changes inrush current and surge inrush was observed and recorded. The quantification of no-load of transformer under different conditions was given, and the corresponding measures of no-load transformer risk aversion was put forward, providing a reliable means of operation for oil platform for the safe operation of power grid.

oil platform; transformer; no-load close; inrush current; PSCAD; surge inrush

U665.1

A

1671-7953(2017)05-0123-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.033

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.032

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

刘为玉(1983—)，男，学士，中级工程师

研究方向：电力系统