俞瑞茂
济南经纬电力工程咨询有限公司山东省济南市250022
摘要：某500kV变电站新扩建主变启动试运行时，低压侧电容器组投入后发生过电压保护动作跳闸，经现场检查，初步推测该主变可能存在器件连接错误问题。为了验证该推测的正确性，采用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建系统各相关元件的模型，对投入电容器组后的系统运行电压情况进行数值计算与仿真分析。最后，为了防止此类故障再次发生，提出了应对措施。
关键词：三相变压器；低压电容器组；过电压保护动作；PSCAD/EMTDC
变压器是电力系统最为关键的设备。变压器在运行过程中，可能会出现内部过电压而引发故障[1-2]，威胁人员设备安全，严重时甚至会导致大范围停电。变压器的安全稳定运行直接关系到供电的正常进行[3-4]。
本文针对某500kV变压器电容器组过电压跳闸故障，提出了主变高-低压侧与中-低压侧线路接反的猜测，最后通过PSCAD/EMTDC软件建立系统过电压故障模型进行数值计算及仿真分析，验证了故障猜测并提出相应的建议。
1故障原因分析
2014年1月13日（阴天），某500kV变电站新扩建的3号主变启动试运行。在1号、2号主变处于运行状态且1号主变低压侧N311、N312电容器组及2号主变低压侧N324、N325电容器组已投入的情况下，区控值班员投入N331电容器组，投入后500kV母线电压为533.3kV（电压曲线范围为532~538kV），连接3号主变的35kV母线电压达到38.5kV，之后继续投入N332电容器组，此时N331、N332电容器组过电压保护动作，N331、N332断路器同时跳闸。
N331电容器组的串抗率为5%，容量为63.228Mvar，单台电容器额定电压为11/2kV；N332电容器组的串抗率为12%，容量为68.244Mvar，单台电容器额定电压为12/2kV；两电容器组均采用“4串/6并+4串/5并”接线。厂家规定两组电容器组最高运行电压均为38.5kV，若长时间处于过电压的工作状态下，电容器会因发热使得绝缘加速老化[5]，故并联电容器长期工作电压最高值不能超过1.1倍额定电压[6]。按电容器铭牌所示额定电压的1.1倍整定得到N331、N332电容器组过电压保护二次定值分别为114.83V（折算到一次侧为40.19kV）、114.97V（折算到一次侧为40.24kV）。
N331、N332电容器组的过电压保护定值误差为“≤电压定值×±2.5%或±0.1V中较大者”[7]，若3号主变的N331、N332电容器组过电压保护二次定值误差为-2.5%（即定值的97.5%），则N331、N332过电压保护二次最低定值应分别为111.959V（折算到一次侧为39.186kV）、112.096V（折算到一次侧为39.234kV）。查看录波数据，可知N331、N332电容器组的过电压保护最高电压采样值分别为113.938V、113.911V，均超过了按此误差计算出来的定值，故电容器组过电压保护属于正确动作。
经后续现场检查，发现相关一次设备外观无异常，避雷器没有动作，可排除一次设备、二次回路或装置故障的可能性。高、中压系统电压在正常范围的情况下，低压系统出现了过电压，由于避雷器、一次设备、二次回路及装置均无异常，故猜测3号主变可能存在器件连接错误问题，即高-低压侧与中-低压侧线路接反。
2.数值计算分析及仿真验证
为了验证上面提出的猜测，采用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建系统各相关元件的模型，并对投入电容器组后的系统运行电压进行数值计算分析与仿真验证。
2.1仿真模型搭建
2.1.1主变仿真模型3台主变仿真模型参数设置：三相功率为750MVA；额定频率为50Hz；绕组类型一般采用Yyn0 或Dyn11（三角型连接绕组电压超前星型30°）。3台主变的短路阻抗百分比见表1。
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因1号、2号主变的短路阻抗参数差异较小，在此仅取2号、3号主变的各侧短路阻抗百分比进行计算。
通过计算，可得2号主变高、中、低压侧短路阻抗百分比分别为13.45%、-0.95%、33.75%，3号主变高、中、低压侧短路阻抗百分比分别为-1.265%、13.465%、35.045%。
2.1.3系统仿真模型
本文利用PSCAD/EMTDC仿真软件建立该变电站3台主变及相关电容器组仿真模型。其中，3台主变低压侧的N311、N312、N324、N325、N331、N332电容器组按全投的情况来搭建；各主变严格按设备铭牌及出厂文件的相关参数进行建模；电容器、电抗器严格按设备技术参数建模；省略隔离刀闸；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。为了使软件能更准确地模拟系统的动态过程，负荷也采用了标准的动态模型。
2.3仿真验证
（1）初始运行状态N311、N312、N324、N325电容器组处于运行状态。将基于3台主变及相关电容器组参数搭建的模型作为原始模型，按猜想故障原因进行修正，将调整3号主变的高-低压侧与中-低压侧接线后的模型作为修正模型。
原始模型高压侧电压有效值为532.86kV，中压侧电压有效值为240.72kV，1号、2号、3号主变低压侧电压有效值分别为38.15kV、38.22kV、37.31kV；修正模型高压侧、中压侧以及1号、2号主变低压侧电压有效值与原始模型基本相同，两条电压曲线重合，而3号主变低压侧电压有效值为36.43kV，低于原始模型数值。
（2）投入N331电容器组
投入N331电容器组后，原始模型与修正模型高压侧、中压侧与各主变低压侧电压。投入N331电容器组后，原始模型和修正模型高压侧、中压侧及各主变低压侧电压有效值均有所升高，此时3号主变低压侧电压仍低于电容器组过电压保护定值。
（3）继续投入N332电容器组
投入N332电容器组后，原始模型高压侧、中压侧及各主变低压侧电压有效值继续升高，其中2号主变低压侧电压有效值为38.30kV，与数值分析结果38.14kV相近（因忽略了高压侧流向中压侧的无功分量的压降），但仍低于电容器组过电压保护整定值；3号主变低压侧电压为39.60kV，与数值计算结果39.49kV相近（因忽略了高压侧流向中压侧的无功分量的压降），该电压值高于两电容器组的过电压保护定值39.186kV、39.234kV，运行过程中可能会引发电容器组跳闸。
投入N332电容器组后，修正模型高压侧、中压侧及各主变低压侧电压有效值继续升高，其中3号主变低压侧电压有效值为38.84kV，与数值分析结果38.54kV相近，该电压值低于两组电容器组过电压保护定值。通过上述仿真与数值计算分析，验证了3号主变高-低压侧与中-低压侧线路接反的猜想。
结语
本文通过PSCAD/EMTDC软件搭建了主变与电容器组模型，并对投入电容器组导致过电压的过程进行了仿真，从而验证了3号主变高-低压侧与中-低压侧线路接反的猜想。为了防止此类故障再次发生，建议：
（1）对于并列运行的变压器，应当考虑各主变高压侧对中压侧的短路阻抗的一致性。同时由于高压侧对低压侧及中压侧对低压侧的短路阻抗会严重影响变压器的并列运行状态，所以在变压器选型或在编制技术规范书时应准确描述短路阻抗数值，在验收、试验时也应重点检查相关的参数及试验数据，确保接线连接正确、参数正常。
（2）实际运行中，在有条件的情况下应检测故障变压器低压侧短路阻抗，对于投入运行的变压器亦应定期检测各侧短路阻抗数据。
（3）500kV变压器在运行中出现过电压异常情况时，考虑到高压环境可能对器件造成的损伤，应适当控制变压器的工作电压并适当减少无功补偿容量，并适时检修以防造成跳闸事故。
参考文献
[1]卢照恩.探析500kV变电站主变压器安装及维护[J].低碳世界，2018，8（11）：76-77.
[2]解广润.电力系统过电压[M].北京：水利水电出版社，1985.
[3]梁捷.500kV变电站主变压器安装质量控制要点探讨[J].低碳世界，2018，8（12）：53-54.
[4]何宗宝.500kV变压器安装技术及施工措施探究[J].科技创新导报，2018，15（10）：114-115，117.
[5]吴桂媛.并联电容器过电压和过电流的产生及防护[J].甘肃科技，2012，28（14）：56-57.
[6]DL/T604—2009，高压并联电容器装置使用技术条件[S].
[7]南瑞继保电气有限公司.PCS-9631NB电容器保护装置技术使用说明书[M].南京：南京南瑞继保电气有限公司，2011