本發(fā)明具體涉及一種用于四繞組消諧變壓器的不對(duì)稱(chēng)短路計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，綠色電能已經(jīng)逐步受到了人們的關(guān)注。風(fēng)電、水電、太陽(yáng)能發(fā)電等大量的綠色電力進(jìn)入了現(xiàn)有的電網(wǎng)。綠色電能的加入，使得人們的生活環(huán)境更加美好，但是對(duì)于電網(wǎng)而言，綠色電能的加入則帶來(lái)了無(wú)盡的諧波。此外，隨著鋼鐵冶金、化工行業(yè)、鐵路等大型企業(yè)的工業(yè)整流機(jī)組在電網(wǎng)中大量應(yīng)用，不可避免的給電力系統(tǒng)網(wǎng)源側(cè)帶來(lái)諧波污染嚴(yán)重、功率因數(shù)低、損耗大等問(wèn)題，對(duì)電能質(zhì)量造成了不可忽視的影響。

目前電網(wǎng)傳統(tǒng)降壓變壓器一般采用三繞組或雙繞組模式，而近年研究人員提出在傳統(tǒng)三繞組變壓器的基礎(chǔ)上，利用變壓器的安匝平衡原理引入一個(gè)消諧繞組，通過(guò)該繞組上所接各次諧波濾波器、無(wú)功裝置的自動(dòng)投退，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器鐵芯諧波磁通進(jìn)行消諧，以達(dá)到消除上網(wǎng)諧波、提供功率因素等目的，該四繞組消諧變壓器對(duì)主網(wǎng)電能質(zhì)量的提高、損耗的降低將大有益處，擁有廣泛的應(yīng)用前景。

短路計(jì)算是電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行的最重要的環(huán)節(jié)之一。而目前的四繞組消諧變壓器，尤其增加了一個(gè)消諧繞組，將造成其正序、零序等值阻抗模型完全發(fā)生變化，特別是，附加的消諧繞組會(huì)改變短路計(jì)算時(shí)四繞組消諧變壓器的正、負(fù)和零序等值電路，原有三繞組變壓器的不對(duì)稱(chēng)短路電流計(jì)算方法已不適用于四繞組消諧變壓器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種針對(duì)四繞組消諧變壓器設(shè)計(jì)的、方便快捷、而且精度較高的用于四繞組消諧變壓器的不對(duì)稱(chēng)短路計(jì)算方法。

本發(fā)明提供的這種用于四繞組消諧變壓器的不對(duì)稱(chēng)短路計(jì)算方法，包括如下步驟：

S1.基于耦合漏感建立四繞組消諧變壓器的暫態(tài)等值電路的單線(xiàn)圖，并計(jì)算得到四繞組消諧變壓器的端口電流方程；

S2.根據(jù)四繞組消諧變壓器的漏阻抗遠(yuǎn)大于漏磁路間的互阻抗的特點(diǎn)，將步驟S1得到的四繞組消諧變壓器的端口電流方程進(jìn)行化簡(jiǎn)；

S3.根據(jù)步驟S2得到的簡(jiǎn)化后的端口電流方程得到用于四繞組消諧變壓器短路計(jì)算的正、負(fù)序簡(jiǎn)化等值電路以及各個(gè)等效阻抗；

S4.依據(jù)四繞組消諧變壓器的各個(gè)繞組的接線(xiàn)方式和外部電路的接線(xiàn)方式，計(jì)算四繞組消諧變壓器的零序阻抗和零序等值電路；

S5.根據(jù)步驟S4得到的四繞組消諧變壓器的零序阻抗和零序等值電路，計(jì)算四繞組消諧變壓器的短路電流。

步驟S1所述的四繞組消諧變壓器的端口電流方程，具體為如下所述的方程：

式中：U₁、U₂、U₃、U₄和I₁、I₂、I₃、I₄為4個(gè)繞組的端口電壓和電流，U_ij＝U_i-U_j為端口電壓差。

步驟S2所述的根據(jù)四繞組消諧變壓器的漏阻抗遠(yuǎn)大于漏磁路間的互阻抗的特點(diǎn)將四繞組消諧變壓器的端口電流方程進(jìn)行化簡(jiǎn)，具體為將端口電流方程中互阻抗的平方項(xiàng)忽略，從而得到如下的簡(jiǎn)化后的四繞組消諧變壓器的端口電流方程：

步驟S3所述的計(jì)算等效阻抗，具體為采用如下算式計(jì)算等效阻抗：

步驟S4所述的依據(jù)四繞組消諧變壓器的各個(gè)繞組的接線(xiàn)方式和外部電路的接線(xiàn)方式并計(jì)算四繞組消諧變壓器的零序阻抗和零序等值電路，具體包括如下步驟：

A.當(dāng)四繞組消諧變壓器為Y₀/Y₀/Δ/Δ接線(xiàn)時(shí)：

若外部無(wú)接地點(diǎn)即端口開(kāi)路，則采用如下算式計(jì)算變壓器的零序阻抗：

若第II繞組外部有接地點(diǎn)，并且外部負(fù)荷零序阻抗為ZLII(0)以及高壓繞組的系統(tǒng)零序阻抗為ZS(0)時(shí)，則短路接地故障發(fā)生在繞組I和II外部的零序阻抗：

B.當(dāng)四繞組消諧變壓器為Y₀/Δ/Δ/Δ接線(xiàn)時(shí)，則采用如下算式計(jì)算變壓器的零序阻抗：

C.當(dāng)四繞組消諧變壓器為Y₀/Y₀/Y₀/Δ接線(xiàn)時(shí)：

若第1、2繞組兩個(gè)端口外部均無(wú)接地點(diǎn)，則采用如下算式計(jì)算變壓器的零序阻抗：

若第2、3繞組的外部負(fù)荷零序阻抗為ZLII(0)、ZLIII(0)時(shí)，可得短路接地故障發(fā)生在繞組1、2和3外部的零序阻抗為：

式中A＝Z_e5Z_mZ_LIII(0)/[Z_e5(Z_m+Z_LIII(0))+Z_mZ_LIII(0)]，B＝Z_e3(Z_e4+Z_S(0))/(Z_e3+Z_e4+Z_S(0))，C＝(Z_e1+Z_LII(0))(Z_e2+B)+Z_e1Z_LII(0)。

本發(fā)明提供的這種用于四繞組消諧變壓器的不對(duì)稱(chēng)短路計(jì)算方法，針對(duì)四繞組消諧變壓器的工作過(guò)程和電路原理，提出了四繞組消諧變壓器的正序、負(fù)序和零序等值電路，并結(jié)合電網(wǎng)不同類(lèi)型故障形成復(fù)合序網(wǎng)，可以計(jì)算含四繞組消諧變壓器電網(wǎng)的不對(duì)稱(chēng)短路電流；同時(shí)，本發(fā)明方法計(jì)算方便快捷、而且精度較高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明方法的四繞組消諧變壓器的等值電路圖。

圖3為本發(fā)明方法的四繞組消諧變壓器的簡(jiǎn)化等值電路圖。

圖4為本發(fā)明方法的四繞組消諧變壓器的Y₀/Y₀/Δ/Δ接線(xiàn)方式時(shí)的各繞組電流流向示意圖。

圖5為本發(fā)明方法的四繞組消諧變壓器的Y₀/Y₀/Δ/Δ接線(xiàn)方式時(shí)的等值電路原理圖。

圖6為本發(fā)明方法的四繞組消諧變壓器的Y₀/Δ/Δ/Δ接線(xiàn)方式時(shí)的各繞組電流流向示意圖。

圖7為本發(fā)明方法的四繞組消諧變壓器的Y₀/Δ/Δ/Δ接線(xiàn)方式時(shí)的等值電路原理圖。

圖8為本發(fā)明方法的四繞組消諧變壓器的Y₀/Y₀/Y₀/Δ接線(xiàn)方式時(shí)的各繞組電流流向示意圖。

圖9為本發(fā)明方法的四繞組消諧變壓器的Y₀/Y₀/Y₀/Δ接線(xiàn)方式時(shí)的等值電路原理圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示為本發(fā)明方法的流程示意圖：本發(fā)明提供的這種用于四繞組消諧變壓器的不對(duì)稱(chēng)短路計(jì)算方法，包括如下步驟：

S1.基于耦合漏感建立四繞組消諧變壓器的暫態(tài)等值電路的單線(xiàn)圖，并計(jì)算得到四繞組消諧變壓器的端口電流方程；

S2.根據(jù)四繞組消諧變壓器的漏阻抗遠(yuǎn)大于漏磁路間的互阻抗的特點(diǎn)，將步驟S1得到的四繞組消諧變壓器的端口電流方程進(jìn)行化簡(jiǎn)；

S3.根據(jù)步驟S2得到的簡(jiǎn)化后的端口電流方程得到用于四繞組消諧變壓器短路計(jì)算的正、負(fù)序簡(jiǎn)化等值電路以及各個(gè)等效阻抗；

S4.依據(jù)四繞組消諧變壓器的各個(gè)繞組的接線(xiàn)方式和外部電路的接線(xiàn)方式，計(jì)算四繞組消諧變壓器的零序阻抗和零序等值電路；

S5.根據(jù)步驟S4得到的四繞組消諧變壓器的零序阻抗和零序等值電路，計(jì)算四繞組消諧變壓器的短路電流。

以下結(jié)合一個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說(shuō)明：

圖2給出了四繞組消諧變壓器暫態(tài)等值電路的單線(xiàn)圖，其中漏感、勵(lì)磁電感與各自的損耗電阻分別串聯(lián)、并聯(lián)。將暫態(tài)等值電路的勵(lì)磁回路合并至第1繞組上，合并后的勵(lì)磁阻抗為Z_m；漏阻抗和漏磁路互阻抗分別用Z₁₂、Z₂₃、Z₃₄和Z_M2、Z_M3表示。由此推導(dǎo)四繞組消諧變壓器的端口電流方程為，

式中：U₁、U₂、U₃、U₄和I₁、I₂、I₃、I₄為4個(gè)繞組的端口電壓和電流，U_ij＝U_i-U_j為端口電壓差。

將上式寫(xiě)成矩陣形式，再推導(dǎo)端口電流的表達(dá)式。則可將端口電流方程變換為：

式中：Π＝Z₁₂Z₂₃Z₃₄-Z₁₂Z_M3²-Z₃₄Z_M2²。前述推導(dǎo)計(jì)算變壓器漏阻抗Z₁₂、Z₂₃和Z₃₄，漏磁路互阻抗Z_M2和Z_M3、勵(lì)磁阻抗Z_m，代入上述各式計(jì)算四繞組消諧變壓器短路計(jì)算等值電路的各等效阻抗，漏阻抗Z₁₂、Z₂₃、Z₃₄遠(yuǎn)大于漏磁路間的互阻抗Z_M2、Z_M3，通常為互阻抗的7～15倍，由耦合漏感的該特點(diǎn)可對(duì)其端口電流方程進(jìn)行化簡(jiǎn)。

將式(2)中關(guān)于Z_M2²、Z_M2Z_M3和Z_M3²的平方項(xiàng)部分忽略，可得簡(jiǎn)化后的端口電流方程為，

式(2)中端口電壓差的分母項(xiàng)為兩個(gè)端口間的連接阻抗，僅在端口1、4之間沒(méi)有阻抗連接。需要注意的是，簡(jiǎn)化方程中只是忽略了互阻抗的平方項(xiàng)，但仍然保留與互阻抗相關(guān)的一次方項(xiàng)。由此可得用于四繞組消諧變壓器短路計(jì)算的簡(jiǎn)化等值電路如圖3所示，該簡(jiǎn)化電路基本呈樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，但在端口1、3之間有Z_e5連接形成單個(gè)環(huán)形。根據(jù)式(3)得到各個(gè)等效阻抗的計(jì)算式為，

其中Z_e2、Z_e3和Z_e4為式(4)中端口2、3和4間的阻抗通過(guò)星三角變換得到，并忽略互阻抗Z_M2、Z_M3的平方項(xiàng)。由上可知，Z_e5的分母項(xiàng)僅有互阻抗Z_M2，而其余阻抗Z_e1至Z_e4的分母項(xiàng)均含有漏阻抗項(xiàng)，為此Z_e5阻抗大小將高于其他阻抗。

經(jīng)大量實(shí)際短路測(cè)試得到，漏阻抗Z₁₂為互阻抗Z_M2的12倍以上時(shí)，將Z_e5作開(kāi)路簡(jiǎn)化前后的短路計(jì)算相對(duì)誤差小于5％。可將Z_e5近似為開(kāi)路，將圖3的等值電路進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可進(jìn)一步獲取不含Z_e5支路的簡(jiǎn)化后等值電路對(duì)應(yīng)的零序阻抗。本說(shuō)明仍以圖3四繞組消諧變壓器等值電路作為其短路電流計(jì)算的正、負(fù)序等值電路，再根據(jù)變壓器各個(gè)繞組的接線(xiàn)方式，推導(dǎo)四繞組消諧變壓器的零序阻抗。

由于四繞組消諧變壓器是在高、中、低壓3個(gè)繞組的基礎(chǔ)上，增加1個(gè)低壓繞組用于平衡或?yàn)V波的作用，該附加繞組一般采用三角形接線(xiàn)方式，且布置在高壓繞組和中壓繞組之間。因此，變壓器高壓(I)、中壓(II)、低壓(III)、附加(IV)繞組分別對(duì)應(yīng)于圖3短路計(jì)算等值電路的第4、2、1和3端口。圖4～圖9為四繞組消諧變壓器最常用的YNyndd(Y₀/Y₀/Δ/Δ)、YNddd(Y₀/Δ/Δ/Δ)和YNynynd(Y₀/Y₀/Y₀/Δ)三種接線(xiàn)方式時(shí)的零序等值電路。圖4和圖5中變壓器繞組III、IV都可通過(guò)零序電流，而繞組II能否有零序電流取決于外部電路有無(wú)接地點(diǎn)。若外部無(wú)接地點(diǎn)即端口開(kāi)路，則變壓器的零序阻抗為，

而當(dāng)圖4和圖5中第II繞組外部有接地點(diǎn)，并且外部負(fù)荷零序阻抗為Z_LII(0)以及高壓繞組的系統(tǒng)零序阻抗為Z_S(0)時(shí)，可得短路接地故障發(fā)生在繞組I和II外部的零序阻抗為，

在圖6和圖7中的YNddd接線(xiàn)方式中，四繞組消諧變壓器繞組II、III、IV各自形成零序電流的閉合回路。此時(shí)變壓器端口1并入端口2，同時(shí)繞組II、IV的電壓降相同，等于變壓器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，為此零序等值電路中兩繞組的等效阻抗Z_e2和Z_e3并聯(lián)，則變壓器的零序阻抗為，

在圖8和圖9的YNynynd接線(xiàn)方式中，第III、II繞組是否流通零序電流均由外部電路決定。若兩個(gè)端口外部均無(wú)接地點(diǎn)，則變壓器的零序阻抗為，

而當(dāng)四繞組消諧變壓器第II、III繞組的外部負(fù)荷零序阻抗為Z_LII(0)、Z_LIII(0)時(shí)，可得短路接地故障發(fā)生在繞組I、II和III外部的零序阻抗為，

式中：A＝Z_e5Z_mZ_LIII(0)/[Z_e5(Z_m+Z_LIII(0))+Z_mZ_LIII(0)]，B＝Z_e3(Z_e4+Z_S(0))/(Z_e3+Z_e4+Z_S(0))，C＝(Z_e1+Z_LII(0))(Z_e2+B)+Z_e1Z_LII(0)。

根據(jù)上述各種情況下的零序阻抗，即可計(jì)算出四繞組消諧變壓器的短路電流。