電力系統變壓器故障態電壓電流相量分析

鄭浩聰

（廣東電網有限責任公司 潮州供電局，廣東 潮州 521000）

0 引 言

變壓器是電力系統的主要電氣設備，目前110 kV及以上變電站中使用的變壓器絕大部分采用的是YNd11的接線形式，低壓側使用三角繞組會使電流、電壓在經過變壓器后發生相位變化。對于繼電保護人員來說，故障分析往往需要借助故障錄波圖。但變壓器一側故障時，由于經過Y-Δ轉換后電流電壓相位會發生變化，因此在另一側看到的波形并非常見的短路故障特征，繼電保護人員不易快速準確地確定故障類型[1-3]。本文通過對變壓器常見的高低壓繞組短路故障進行相量分析，總結出短路時非故障特征側的電流電壓大小及相位關系。

1 YNd11接線變壓器故障量分析

下文針對主變故障量的分析中，不考慮主變變比的影響，均假設主變變比，即此時正常負荷下有。

1.1 主變短路故障分析方法

在YNd11變壓器中，正序電壓d側相電壓會超前Y側相電壓30°，而負序電壓的d側相電壓會滯后Y側相電壓30°，電流亦有此等規律。利用序分量的獨立性，將星形側各序相量經過同一轉換公式向三角形側轉換，以a相為例，則：

無論是正序還是負序分量，在經過同一方式轉換后都能得到對應的三角形側分量，如圖1所示。

圖1 各序分量Y-Δ轉換

對于Yd接法變壓器，由于高壓側單相接地的零序電流不會流出低壓側繞組，因此可以在已知星側相電流、相電壓的情況下，利用Y-Δ轉換推出三角形側相電流、相電壓，即：

同理，也可以將三角形側各序相量經過同一轉換公式向星形側轉換（同樣以A相為例），即：

由式（3）可知，無論是正序還是負序分量，在經過同一方式轉換后都能得到對應三角形側分量，如圖2所示[4]。

圖2 各序分量Δ-Y轉換

同時由于三角形側相間短路時不會產生零序電流，因此同樣可以在已知三角形側相電流、相電壓情況下，利用Δ-Y轉換推出星形側相電流、相電壓，即：

1.2 主變高壓側（YN側）單相接地故障

圖3 變壓器高壓側A相接地

利用Y-Δ轉換，可以將星形側的電壓電流相位歸算至三角形側，同時由于高壓側單相接地的零序電流不會流出低壓側繞組，利用序分量的獨立性，并依據邊界條件的電流關系，可以計算出三角形側各相電流為[5]：

從上述計算結果可得出故障量經相位變化后在三角形側存在以下關系：

（1）故障相與非故障相中滯后相的電流大小相等、方向相反，電壓大小相等、方向相同；

（2）非故障相中超前相的電流大小為0，電壓大小為故障相的2倍，且方向相反[6]。

從上述推論過程可知，對于無需經過相位變化的星形側存在以下關系：

（1）故障相的電流為故障電流，電壓大小為0；

（2）非故障相的電流大小為0，電壓大小相等，方向相反。

1.3 主變高壓側（YN側）兩相短路故障

假設高壓側B、C相發生短路（如圖4所示），其故障處的3個邊界條件為。

圖4 變壓器高壓側BC相間故障

通過Y-Δ的變化，將星形側的各序電壓電流相位調整至三角形側，并依據邊界條件的電流關系[7]，計算出三角形側各相電流為：

此時非故障相電壓為故障相電壓的兩倍，且方向相反，即有。再依據邊界條件的電壓關系[8]，計算出三角形側各相電壓，即：

從上述計算結果可得出故障量經相位變化后在三角形側存在以下關系。

（1）故障相中滯后相與非故障相的電流大小相等、方向相反，電壓大小相等、方向相反；

（2）故障相中超前相的電流大小為非故障相的2倍，且方向相反，電壓大小為0。

由上述推論過程可知，對于無需經過相位變化的星形側存在以下關系：

（1）故障相的兩相電流大小相等，方向相反，電壓大小相等，方向相同；

（2）非故障相的電流大小為0，電壓大小為故障相的2倍，且方向相反[9]。

1.4 主變低壓側（Δ側）兩相短路故障

假設低壓側B、C相發生短路，如圖5所示，其故障處的3個邊界條件為，令。

圖5 變壓器低壓側BC相間故障

通過Δ-Y的變化，將三角形側的各序電壓電流相位調整至星形側，并依據邊界條件的電流關系，計算出星形側各相電流為：

此時非故障相電壓為故障相電壓的兩倍，且方向相反，即有。再依據邊界條件的電壓關系，計算出三角形側各相電壓，即[10]：

從上述計算結果可得出故障量經相位變化后在Y側存在以下關系：

（1）故障相中超前相與非故障相的電流大小相等、方向相反，電壓大小相等、方向相反；

（2）故障相中滯后相的電流大小為非故障相的兩倍且方向相反，電壓大小為0。

由上述推論過程可知，對于無需經過相位變化的三角形側存在以下關系：

（1）故障相的兩相電流大小相等、方向相反，電壓大小相等、方向相同；

（2）非故障相的電流大小為0，電壓大小為故障相的兩倍且方向相反。

2 結 論

現有110 kV及以上變電站絕大部分采用的是YNd11接線，電流電壓在流過主變后會產生相位變化，使得工作人員無法快速判斷故障。本文通過Y-Δ轉換公式，基于短路故障邊界條件，可計算出不同故障類型下非故障側的電流電壓相量。同時總結了YNd11變壓器在不同短路故障類型下的非故障側電流電壓相量關系，推論結果有助于運維人員快速定位故障類型，并及時處理故障。