主變壓器低壓側三相空載電壓不平衡分析

王能進，周子洋，李 飛，覃春陽，王 哲

(錦屏水力發電廠，四川 西昌 615000)

0 引 言

三相電壓不平衡作為電力系統最為常見的異常現象，會對電力系統和用戶造成一系列的危害,將會引起旋轉電動機的附加發熱和振動、發電機容量利用率下降、繞組壽命縮短等一系列嚴重后果。主變壓器低壓側三相電壓作為發電廠重要機組參數，直接關乎發電廠機組正常運轉。

1 異常主變壓器簡介

該電廠主變壓器為單相油浸式、水冷雙圈銅繞組升壓電力變壓器組，三相組合容量為702 MVA 。變壓器高壓側采用油/SF6套管與550 kV GIS相連；低壓側采用油/空氣套管與IPB相連；高壓側中性點采用油/空氣套管引出。低壓繞組采用A柱和X柱兩部分并聯結構，均為雙層圓筒式，上部出線。主接線如圖1所示。

2 事件描述

2.1 事件現象

1號主變壓器進行合閘充電試驗(主變壓器空載試驗)，當主變壓器空載狀態后，運行人員在主變壓器低壓側PT端子箱上檢查，發現1BYH C相PT二次側電壓顯示偏小，此時故障錄波波形如圖2所示。從圖中可看出主變壓器三相電壓不平衡，低壓側二次電壓A、B、C三相分別為58.358 V、58.282 V、56.757 V，C相較A、B相低1.5 V左右。

圖1 主接線

圖2 1號主變壓器空載狀態故障錄波波形

2.2 現場檢查情況

對主變壓器保護裝置和故障錄波裝置中主變壓器低壓側電壓采樣值進行檢查，結果與PT端子箱電壓表顯示一致，初步判斷為一次回路存在異常。對1BYH C相PT進行變比測試，變比誤差滿足要求。測試1BYH C相PT一次側高壓熔斷器阻值為14 Ω左右，熔斷器阻值正常。接著進行PT 3倍頻感應耐壓試驗測試，通過用萬用表測量PT二次繞組實際輸入值與保護班在PT端子箱PT二次繞組上實測值進行對比分析，兩者數值一致。再進行PT高壓尾端與地導通情況測試，測得接地電阻值都為0.02 Ω，根據DL/T 475-2017《接地裝置特性參數測量導則》判斷中性點接地狀況良好。最后對PT進行直流電阻測試，分別將三相PT小車推入工作位置時測得直流電阻值均為392.7 mΩ左右(推入工作位置時，直流電阻實際測試值為PT一次回路直流電阻與廠用高壓變壓器高壓繞組、主變壓器低壓側繞組直流電阻三者并聯值)，直流電阻平衡；將PT小車拉至檢修位置，測試PT本體一次回路直流電阻值均為1.17 kΩ左右，直流電阻平衡。

待1BYH C相所有試驗均正常后，將1BYH C相PT與1BYH B相PT本體進行對調，再次對主變壓器進行充電，1BYH C相PT二次繞組電壓偏低現象仍未消失，此時可排除現象由PT本體原因所造成。再次檢查確認一次設備無故障后，發電機出口斷路器系統(GCB)合閘進行并網試驗，該現象消除。

3 事件分析

3.1 向量圖分析

通過查詢1號機組故障錄波歷史數據發現，1號機組檢修前空載狀態下即會出現主變壓器低壓側三相電壓不平衡現象，GCB合閘瞬間主變壓器低壓側三相電壓即平衡。初步判斷此現象一直存在，與機組的參數三相不平衡有關。

對于不接地系統而言，電壓取決于阻抗和容抗，但對于阻抗很大可忽略時就主要取決于容抗。在三相對地電容不平衡時，將會導致中性點漂移，具體漂移的角度及方向取決于三相對地電容不平衡情況。三相對地電壓向量圖如圖3所示。某相容抗值越小，即該相對地電容值越大，則中性點向該相電壓方向漂移，當某相對地電容相比其他兩相越大，則中性點O′向該相偏移越嚴重。

圖3 三相對地電壓向量

3.2 等效電路圖構建

某電廠發電機出口20 kV系統屬于不接地系統且主變壓器、廠用高壓變壓器采用Y-D11接線，在交流電壓作用下，可以看成是如圖4的一個純電容和電阻所組成的等效電路。此時對等效電路圖進行分析，由于介質中的絕緣電阻極大，可以忽略不計，因此可以看成是一個純電容的等效電路。

表1 機組電容實測

如圖4所示，圖中CB1、CB2、CB3為主變壓器低壓側三相對地電容，Cg1、Cg2、Cg3為GCB主變壓器低壓側三相對地電容，Cd1、Cd2、Cd3為GCB發電機出口側三相對地電容，CG1、CG2、CG3為發電機定子繞組三相對地電容。

圖4 等效電路

當變壓器空載時，GCB處于分閘狀態，此時主變壓器低壓側三相對地電容為主變壓器對地電容CB和GCB主變壓器低壓側對地電容Cg。當兩個并聯電容不平衡時，主變壓器低壓側電壓中性點可能由O點漂移至O′，從而導致主變壓器三相電壓不平衡。當機組并網后，GCB處于合閘狀態，由于發電機對地電容CG遠遠大于CB、Cg和Cd，此時CB、Cg和Cd可以忽略不計，起決定作用的為發電機對地電容CG。當三相CG對地不平衡時，將會導致發電機出口電壓和主變壓器低壓側電壓三相電壓不平衡。

3.3 實測數據分析

利用機組檢修進行主變壓器低壓繞組對地電容、GCB主變壓器低壓側電容、GCB發電機出口側電容、發電機定子繞組對地電容數據實測。以1號機組為例，空載狀態時，C相主變壓器低壓側電容為306.69 nF，A相主變壓器低壓側電容為297.36 nF，B相主變壓器低壓側電容為299.56 nF，C相與A、B相間的最大差值較每相總對地電容值占比較大，達到2.3%左右。

當GCB合閘后，主變壓器低壓側對地電容需考慮GCB發電機出口側電容以及發電機定子繞組對地電容，此時C相主變壓器低壓側電容為2 928.89 nF，A相主變壓器低壓側電容為2 917.26 nF，B相主變壓器低壓側電容為2 922.86 nF，最大差值占總電容比僅為0.39%。因此當GCB合閘后電容差值較總電容值占比極大降低，使主變壓器低壓側電壓差值也降低，從而三相電壓趨于平衡。

4 結 語

對主變壓器空載三相電壓不平衡的原因進行了分析，得到如下結論：

當主變壓器空載時，如果三相對地電容不平衡，將會導致主變壓器低壓側三相電壓不平衡；但由于發電機對地電容較大，且三相基本平衡，發電機并網后主變壓器低壓側三相電壓即平衡，所以主變壓器送電后在確認一次熔斷器正常的情況下，PT二次側電壓值略微不平衡屬于正常現象。