CN109449952B - 500kV主变35kV侧电容器异常过电压仿真方法 - Google Patents

500kV主变35kV侧电容器异常过电压仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供500kV主变35kV侧电容器异常过电压仿真方法，属于电力设备故障诊断技术领域。该系统通过收集主变等主要设备的详细参数和电容器组过压跳闸时的运行参数，利用PSCAD搭建了包含主变和电容器组及其串抗的仿真系统，按照电容器组过压跳闸时的运行参数进行仿真，建立了主变的变比与阻抗压降的关联方程，解释低压电容器组过压的原因。该仿真方法能分析500kV主变35kV侧电容器异常过电压的原因，为制定相应的措施，防止类似的事件发生奠定基础。

Description

500kV主变35kV侧电容器异常过电压仿真方法
【技术领域】
本发明涉及电力设备故障诊断技术领域，具体涉及500kV主变35kV侧电容器异常过电压仿真方法。
【背景技术】
变电站是对电压及电流进行变换和接受电能及分配电能的场所，是用户与供电期间之间的主要纽带，在电力供应过程中有着重要的作用，其在运行过程中出现影响的问题，对整个供电系统的正常运行有着较大的影响。变电站内设备主要包括变压器、高压断路器、隔离开关、母线、避雷器、电容器、电抗器等，设备的故障时有发生。其中，投切补偿电容器组过电压是较为常见的故障。例如，本申请人在项目改造运行中发现，南宁站#N3B主变带额定电容器组，且高、中压系统电压在正常范围的情况下，低压电容器组出现过电压异常问题(当时#N1B、#N2B低电容器组无过压跳闸情况)，此问题涉及系统过电压、主变及电容器组选型、继电保护整定等问题，比较复杂，故障发生的原因尚不明确。因此，有必要对变电站建立仿真系统，采用仿真的方法分析投切电容器组发生过电压的原因，并据此制定相应的措施，防止类似的事件发生，保障电网稳定运行。
【发明内容】
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种500kV主变35kV侧电容器异常过电压仿真方法，该方法能分析500kV主变35kV侧电容器异常过电压的原因，从而制定相应的措施，防止类似的事件发生。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
500kV主变35kV侧电容器异常过电压仿真方法，包括以下步骤：
S1.获取系统参数，包含主变压器、输电线路、串联补偿、低压电抗器补偿、低压电容器补偿、断路器、电流互感器及电压互感器、断面负荷参数；
S2.收集低压电容器组过压跳闸时的运行参数；
S3.利用PSCAD搭建了包含主变和电容器组及其串抗的仿真模型；
仿真模型中的设置为：设有500kV母线，3台编号分别为#N1B、#N2B和#N3B、容量为750MVA的500kV主变压器，220kV母线和1回220kV出线线路；每一台500kV主变压器均为三绕组变压器，每一台500kV主变压器的500kV侧均连接所述500kV母线，35kV侧均接有低压电抗器补偿和低压电容器补偿，三台500kV主变压器的35kV侧连接的低压电容器补偿的编号分别为N311、N312和N324、N325以及N331、N332；220kV侧均连接所述220kV 母线，每一回220kV出线线路的首端连接所述220kV母线；
S4.根据步骤S2中收集的运行参数进行模拟仿真运行，使#N1B、#N2B及#N3B主变低压侧的N311、N312、N324、N325电容器组处于运行状态，记录原运行状态，即高压侧、中压侧、#N1B主变低压侧、#N2B主变低压侧和#N3B主变低压侧的电压；
S5.投入N332，记录并分析运行状态；再继续投入N331，记录并分析运行状态，观察#N2B主变低压侧和#N3B主变低压侧是否出现过电压，验证N3B主变高压对低压短路阻抗、中压对低短路阻抗的异常是否会造成35kV侧电容器异常过电压。
S6.建立变压器的短路阻抗值百分比与阻抗压降的关联方程，解释N331、N332低压电容器组过压的原因；根据仿真的结果，推理演算，验证仿真的准确性以及从演算中验证低压电容器组过压的原因。
进一步地，所述步骤S2中，是在低压电容器组过压跳闸时，收集变电站的运行参数。
进一步地，所述运行参数包括3个主变和各低压电抗器补偿、各低压电容器补偿的投切情况。
进一步地，所述步骤S3中，搭建模型时，3台主变压器严格按设备的铭牌及出厂文件的相关参数进行建模；电容器、电抗器严格按设技术参数建模；断路器、电流互感器及电压互感器采用理想模型；外部电源500kV系统、220kV系统均采用包含原动机、励磁机的详细动态模型；输电线路采用电抗模型；负荷也采用标准的动态模型；省略刀闸设备。
所述步骤S6中，变压器的短路阻抗值百分比Δu高％、Δu中％、Δu低％与阻抗压降的关联方程为：
Figure BDA0001913282620000021
Figure BDA0001913282620000022
Figure BDA0001913282620000023
其中,U高·中代表高压侧对中压侧的短路阻抗,U高·低代表高压侧对低压侧的短路阻抗,U中·低代表中压侧对低压侧的短路阻抗
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种有效的500kV主变35kV侧电容器异常过电压仿真方法，仿真了投切电容器组发生过电压的过程，并分析产生过压的原因，为制定相应的改进措施。防止类似事件发生。保障电网安全运行奠定了基础，且本方法简单可靠，易执行。
【附图说明】
图1为本发明的仿真方法的流程图；
图2为本发明中仿真模型的简化示意图；
图3为本发明的仿真模型中电源及其周边的电路详细示意图；
图4为本发明的主变#N1B中电源及其周边的电路详细示意图；
图5为#N1B主变等效电路；
图6为#N2B主变等效电路；
图7为#N3B主变等效电路。
【具体实施方式】
为了更清楚地表达本发明，以下通过南宁变电站的具体实施例对本发明作进一步说明。
500kV主变35kV侧电容器异常过电压仿真方法，参见图1的流程图，包括以下步骤：
S1.获取系统参数，包含主变压器、输电线路、串联补偿、低压电抗器补偿、低压电容器补偿、断路器、电流互感器及电压互感器、断面负荷参数；
S2.在低压电容器组过压跳闸时，收集变电站的运行参数；所述运行参数包括3个主变和各低压电抗器补偿、各低压电容器补偿的投切情况；
S3.利用PSCAD搭建了包含主变和电容器组及其串抗的仿真模型，仿真模型的电路简化示意图见图2；
仿真模型中的设置为：设有500kV母线，3台编号分别为#N1B、#N2B和#N3B、容量为750MVA的500kV主变压器，220kV母线和1回220kV出线线路；每一台500kV主变压器均为三绕组变压器，每一台500kV主变压器的500kV侧均连接所述500kV母线，35kV侧均接有低压电抗器补偿和低压电容器补偿，三台500kV主变压器的35kV侧连接的低压电容器补偿的编号分别为N311、N312和N324、N325以及N331、N332；220kV侧均连接所述220kV 母线，每一回220kV出线线路的首端连接所述220kV母线；
仿真模型中电源及其周边的电路详细示意图见图3；主变#N1B及其周边的电路详细示意图见图4，主变#N2B、主变#N3B参考主变#N1B；搭建模型时，3台主变压器严格按设备的铭牌及出厂文件的相关参数进行建模；电容器、电抗器严格按设技术参数建模；断路器、电流互感器及电压互感器采用理想模型；外部电源500kV系统、220kV系统均采用包含原动机、励磁机的详细动态模型；输电线路采用电抗模型；负荷也采用标准的动态模型；省略刀闸设备。
S4.根据步骤S2中收集的运行参数进行模拟仿真运行，使#N1B、#N2B及#N3B主变低压侧的N311、N312、N324、N325电容器组处于运行状态，记录原运行状态，即高压侧、中压侧、#N1B主变低压侧、#N2B主变低压侧和#N3B主变低压侧的电压；其结果为：高压侧532.5kV；中压侧238.5kV；#N1B主变低压侧38.12kV、#N2B主变低压侧38.23kV，#N3B 主变低压侧37.3kV；
S5.投入N332，记录并分析运行状态，此时，电压情况结果为：高压侧533.4kV；中压侧238.9kV；N1B主变低压侧38.18kV、N2B主变低压侧38.26kV,N3B主变低压侧38.4kV。再继续投入N331，记录并分析运行状态，观察#N2B主变低压侧和#N3B主变低压侧是否出现过电压，验证N3B主变高压对低压短路阻抗、中压对低短路阻抗的异常是否会造成35kV 侧电容器异常过电压。投入N331后的结果为：高压侧534.3kV；中压侧239.4kV；N1B主变低压侧38.21kV、N2B主变低压侧38.30kV，N3B主变低压侧39.60kV，超过了N331、N332 电容器组最高运行电压。
根据模拟仿真的电压结果可知，N331、N332电容器组容量、串抗率等参数选择不太合理，造成同时投入两组电容器组时35kV#N3M母线电压达到了电容器组过电压保护定值。N331电容器组串抗率为5％，容量为63.228MVar，单台电容器额定电压为11/2V(采用“4 串/6并+4串/5并”接线)；N332电容器组串抗率为12％，容量为68.244MVar，单台电容器额定电压为12/2V(采用“4串/6并+4串/5并”接线)。厂家规定的两组电容器组最高运行电压均为38.5kV。当只投入N332电容器组时，500kV母线电压由532.29kV升高为533.3kV (电压曲线范围为532-538kV)，而35kV#N3M母线电压由37.16kV升高为38.5kV，再投入 N331电容器组时35kV#N3M母线电压即超过了过电压保护定值而引起跳闸。
采用本发明的方法，可以继续在仿真模型中调整N331、N332电容器组容量、串抗率的选型，对设备进行调整，直至不会发生过电压的事故；或者针对仿真的结果，对AVC控制策略进行合理设置，例如设置N331、N332电容器组在35kV母线电压升高到电容器组过电压保护定值前自动退出低容、高到一定值时闭锁投入低容的措施。
S6.建立变压器的短路阻抗值百分比与阻抗压降的关联方程，解释N331、N332低压电容器组过压的原因；根据仿真的结果，推理演算，验证仿真的准确性以及从演算中验证低压电容器组过压的原因。
(1)变压器短路阻抗值百分比
变压器的短路阻抗值百分比是变压器的一个重要参数，它表明变压器内阻抗的大小，即变压器在额定负荷运行时变压器本身的阻抗压降大小，和运行中内部压降有关系。当变压器满载运行时，短路阻抗的高低对二次侧输出电压的高低有一定的影响，短路阻抗小，电压降小，短路阻抗大，电压降大。表1为3个主变压器的短路阻抗值。
表1主变压器的短路阻抗值
短路阻抗 #N1B #N2B #N3B
高压侧对中压侧 0.1187 0.125 0.122
高压侧对低压侧 0.4682 0.472 0.3378
中压侧对低压侧 0.3272 0.328 0.4851
计算各个主变的短路阻抗值百分比Δu高％、Δu中％、Δu低％,采用以下公式：
Figure BDA0001913282620000051
Figure BDA0001913282620000052
Figure BDA0001913282620000053
其中,U高·中代表高压侧对中压侧的短路阻抗,U高·低代表高压侧对低压侧的短路阻抗,U中·低代表中压侧对低压侧的短路阻抗；
因为，#N1B主变的短路阻抗参与#N2B主变的短路阻抗参数差异较小，在此仅分析#N2B 主变的计算情况。其计算结果如下：
Figure BDA0001913282620000061
Figure BDA0001913282620000062
Figure BDA0001913282620000063
#N3B主变的计算结果：
Figure BDA0001913282620000064
Figure BDA0001913282620000065
Figure BDA0001913282620000066
图2-4分别为#N1B、#N2B、#N3B主变等效电路图，从图中可以看出，#N2B主变的高压侧对低压侧的电气距离(13.45+33.75＝47.2)明显大于#N3B主变(-1.265+35.045＝33.78)。因此，在高压侧相同的低压侧的无功补偿容量相同的情况下，#N3B主变的高压侧对低压侧的阻抗电压降要小于#N2B主变的数据。事实上，由于电网系统固有特性，电网实际的运行情况无功基本由500kV系统流向220kV系统，若低压侧有无功补偿，低压侧无功亦主要流向中压侧220kV系统。若以中压侧为计算基准，N2B主变的中压侧对低压侧的电气距离 (-0.95+33.75＝32.8)，明显小于N3B主变的数据(13.465+35.045＝48.51)。也就是说，在500kV高压侧电压、N1B及N2B主变低压侧的电压均在正常情况下，N3B主变低压侧可能出现过压的情况。
(2)主变低压侧电压的演算验证：
高压侧额定阻抗计算：相额定电压为525kV/303.12kV，额定电流为824.76A，额定阻抗为367.53欧。
220kV中压侧的额定值分别为：242kV(139.72kV),1789.3A
35kV低压侧的额定值分别为：36.75kV，1904.8A
计算以220kV高压侧为基准值，由于220kV中压侧吸收无功，仿真计算也表明无功从 500kV高压侧、35kV低压侧流向220kV中压侧。
忽略高压侧流向中侧的无功，核算如下：
1)#N2B主变
低压1748A折算到绕组电流为1009A,折算到中压侧为265.52(高压侧为122.36安)，标么值为0.148(高压侧0.148)。
△u中低％＝I×(U中+U低)＝0.148×(-0.95％+33.75％)＝0.0486
△uN％＝I×U中＝0.148×(-1.9％)＝0.0028
△u中低＝0.0486×220＝10.692(kV)
△uN＝I×U中＝0.0028×220＝0.616(kV)
u低＝(u中+△u中低)/1.732/3.8＝(239.4+10.692)/1.732/3.8＝38.0(kV)
与仿真结果38.30kV相近(因略去了高压侧流向中压侧的无功分量的压降)，，说明仿真方法的结果准确可靠。
2)#N3B主变：
低压2075A折算到绕组电流为1198A,折算到高压侧为145.25安，标么值为0.176。
△u中低％＝I×(U中+U低)＝0.176×(13.465％+35.045％)＝0.08536
△uN％＝I×U中＝0.148×(-1.9％)＝0.0028
△u中低＝0.08536×220＝18.780(kV)
u低＝(u中+△u中低)/1.732/3.8＝(239.4+18.780)/1.732/3.8＝39.22(kV)
与仿真结果39.60kV相近(略去了高压侧流向中压侧的无功分量的压降)，说明仿真方法的结果准确可靠。
通过本发明的仿真方法可以找到电容组过电压的原因，从而提示，对于并列运行的变压器，不但要考虑高压侧对中压侧的短路阻抗必须一致，高压对低压及中压对低压的阻抗也严重影响变压器的并列运行的状态，需要在设计的过程中进行考虑。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (4)

1.500KV主变35KV侧电容器异常过电压仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.获取系统参数，包含主变压器、输电线路、串联补偿、低压电抗器补偿、低压电容器补偿、断路器、电流互感器及电压互感器、断面负荷参数；
S2.收集低压电容器组过压跳闸时的运行参数；
S3.利用PSCAD搭建包含主变和电容器组及其串抗的仿真模型；
仿真模型中的设置为：设有500kV母线，3台编号分别为#N1B、#N2B和#N3B、容量为750MVA的500kV主变压器，220kV母线和1回220kV出线线路；每一台500kV主变压器均为三绕组变压器，每一台500kV主变压器的500kV侧均连接所述500kV母线，35kV侧均接有低压电抗器补偿和低压电容器补偿，三台500kV主变压器的35kV侧连接的低压电容器补偿的编号分别为N311、N312和N324、N325以及N331、N332；220kV侧均连接所述220kV母线，每一回220kV出线线路的首端连接所述220kV母线；
S4.根据步骤S2中收集的运行参数进行模拟仿真运行，使#N1B、#N2B主变低压侧的N311、N312、N324、N325电容器组处于运行状态，记录原运行状态，即高压侧、中压侧、#N1B主变低压侧、#N2B主变低压侧和#N3B主变低压侧的电压；
S5.投入N332，记录并分析运行状态；再继续投入N331，记录并分析运行状态，观察#N2B主变低压侧和#N3B主变低压侧是否出现过电压，验证N3B主变高压对低压短路阻抗、中压对低短路阻抗的异常是否会造成35KV侧电容器异常过电压；
S6.建立变压器的短路阻抗值百分比与阻抗压降的关联方程，解释N331、N332低压电容器组过压的原因；根据仿真的结果，推理演算，验证仿真的准确性以及从演算中验证低压电容器组过压的原因；
所述步骤S6中，变压器的短路阻抗值百分比Δu高％、Δu中％、Δu低％与阻抗压降的关联方程为：
Figure FDA0003316933000000011
Figure FDA0003316933000000012
Figure FDA0003316933000000013
其中,U高-中代表高压侧对中压侧的短路阻抗,U高-低代表高压侧对低压侧的短路阻抗,U中-低代表中压侧对低压侧的短路阻抗。
2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于：所述步骤S2中，是在低压电容器组过压跳闸时，收集变电站的运行参数。
3.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于：所述运行参数包括3个主变和各低压电抗器补偿、各低压电容器补偿的投切情况。
4.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于：所述步骤S3中，搭建模型时，3台主变压器严格按设备的铭牌及出厂文件的相关参数进行建模；电容器、电抗器严格按设技术参数建模；断路器、电流互感器及电压互感器采用理想模型；外部电源500kV系统、220kV系统均采用包含原动机、励磁机的详细动态模型；输电线路采用电抗模型；负荷也采用标准的动态模型；省略刀闸设备。
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