平衡變壓器的帶負荷試驗

陸 未，宋曉露，張松濤，胡志勇

(國網江蘇省電力有限公司南通供電分公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

對于新建的供電線路繼電保護裝置，應采用一次電流及工作電壓進行帶負荷試驗。送電后，應測量交流二次電壓、二次電流的幅值及相位關系，與系統潮流的大小及方向應一致，確保電壓、電流極性和變比正確。鐵道牽引變電所采用三相變兩相阻抗匹配平衡變壓器，與常規三相對稱變壓器不同。牽引機車對電力系統是單相負荷，在系統側三相不對稱，另外可能有對稱電容電流影響，導致常規試驗方法不適用，給供電線路帶負荷試驗帶來困難。下面從平衡變壓器的接線方式及電壓向量入手，分析了平衡變壓器的傳遞關系和鐵道牽引變電所的換相聯結，得出供電線路帶負荷試驗預期結果。通過案例驗證，試驗所得結果與預期一致。

1 平衡變壓器的傳遞關系

三相變兩相阻抗匹配平衡變壓器是一種鐵道牽引變電所用變壓器，其一次繞組三相按星形接線，二次繞組為三角形接線，其中一端接地，另外兩端都由一個附加繞組引出，兩個附加繞組與B相繞組纏繞在同一鐵心上。圖1為平衡變壓器繞組聯結，WY，WΔ，Wf分別為平衡變壓器一次繞組、二次繞組、附加繞組的匝數，

圖1 平衡變壓器繞組聯結

通過平衡變壓器的傳遞，高壓側三相系統變換為低壓側兩相系統。變換后，兩相分別向上行和下行的牽引機車供電，有：

式中：UH，IH為高壓側三相系統的電壓和電流，UL，IL為低壓側兩相系統的電壓和電流，S為變壓器的視在功率。

為盡可能使兩相負荷對三相系統成為平衡負載，要求兩相系統電動勢幅值相等，相位差90°，圖2是平衡變壓器電壓向量。令三角形繞組電壓為UΔ，由幾何關系式可得：

圖2 平衡變壓器電壓向量

繞組匝數比K定義為一次繞組、二次繞組的變比，即：

通過平衡變壓器的繞組聯結原理和式(3)的傳遞關系，有：

當低壓側Iα不等于Iβ時，高壓側三相電流為平衡系；當低壓側Iα等于Iβ時，高壓側三相電流轉化為對稱系。因此，不管低壓側Iα與Iβ的關系如何，高壓側三相電流平衡，即：

結合圖1中平衡變壓器的低壓側電路和每相鐵心上繞組安匝平衡關系，有：

2 牽引變電所的換相聯結

同一鐵路的不同鐵道牽引變電所設計的相序一般是不同的。因為牽引機車屬于單相負荷，會引起電力系統的三相不對稱，帶來負序電流分量。因此，為了減少負序電流對電力系統的影響，牽引變電所普遍采用換相聯結方式。

以電力部門規定的相序ABC為基準，牽引變電所接入電力系統的相序有6種排列，分別為ABC，ACB，BAC，BCA，CAB，CBA。其中，ABC，BCA，CAB為正相序，ACB，BAC，CBA為負相序。

高壓側三相電壓、電流換相聯結關系為：

考慮牽引變電所的換相聯結，式(4)改寫成：

從上文可知，阻抗匹配平衡變壓器低壓側兩相電壓有大小相等、相位差90°的特點。當低壓側兩相電流相等時，高壓側三相電流對稱。原則上，采用平衡變壓器的牽引變電所不需要換相聯結。但實際上低壓供出負荷不可能相等，高壓側三相電流不可能對稱，經常有負序電流出現。所以，采用平衡變壓器的牽引變電所一般也進行換相聯結。

3 案例驗證

下面以甲變電所牽引線路帶乙牽引變電所為例說明。甲變電所電壓互感器變比nPT=110/0.1，電流互感器變比nCT=1 200/1。乙牽引變電所相序BAC排列，主變為三相變兩相阻抗匹配平衡變壓器，型號S2-QY-16000/110，高壓側額定電壓為110 kV，低壓側額定電壓為27.5 kV。

試驗時，乙牽引所接入負載為電容器組，額定電壓42 kV，額定容量10 Mvar。兩次帶負荷試驗，分別在低壓側α臂、β臂帶上述電容器組測試。

3.1 實測數據

表1是第一次帶負荷試驗(僅α臂帶負載)時系統側三相電壓、電流數據。表2第二次帶負荷試驗(僅β臂帶負載)時，系統側三相電壓、電流數據。實測數據具有以下特點：三相電流大小不相等，不是互成120°的正序排列；三相電流向量和為零，無零序分量；三相電壓正常，為系統正常值。

表1 第一次帶負荷試驗三相電壓、電流

表2 第二次帶負荷試驗三相電壓、電流

根據該公司《設備啟動帶負荷試驗二次專業人員旁站監督工作任務單》試驗過程監督的要求：帶負荷試驗時要求作出電壓、電流矢量六角圖，并與負荷潮流核對一致。正常情況下，三相電流應大小相等且角度按正序分布，電壓電流相角差符合潮流流向，通過實測數據畫出電壓、電流矢量六角圖能得出試驗結論。然而，這一要求僅適用于三相對稱負荷。對于三相不對稱負荷，若按要求根據實測數據作出矢量六角圖，由于三相電流無規律性，試驗人員無法獲知潮流流向從而給出試驗結論。

3.2 理論計算

若僅α臂帶負載，結合式(6)、(8)，有：

若僅β臂帶負載，同理可得：

通過電容器組額定參數，可得XC=176.4 Ω。經式(3)計算K=2.83。由表1、表2中實測數據，有。以上數據分別代入式(10)、（11），經計算得：

第一次帶負荷試驗(僅α臂帶負載)時，

第二次帶負荷試驗(僅β臂帶負載)時，

3.3 數據分析

實測數據與理論計算結果基本一致，然而不可避免存在誤差。可能有以下原因：電流互感器測量誤差；電壓互感器測量誤差；主變傳變誤差；牽引供電線路電容電流的影響。

前三項是一次設備本身固有誤差，難以測量控制。對于線路電容電流，可通過空充實測或經驗計算獲取。案例中線路電容電流較小，對試驗結果影響不大，可忽略不計。因為如果一個對稱分量與另一個對稱分量相疊加，疊加起來的結果還是對稱分量；如果相差不大的一個對稱分量與一個不對稱分量相疊加，疊加起來的結果還是一個不對稱分量且與原來的不對稱分量相差較大；如果相差很大的一個對稱分量與一個不對稱分量相疊加，疊加起來的結果體現原來量較大的分量的特征。需要注意的是，當牽引所不對稱負荷較小，供電線路對稱電容電流較大，必須考慮供電線路電容電流的影響；否則，誤差較大以至于難于做出試驗結論。

綜上所述，滿足規程規定對于帶負荷試驗的要求，試驗結果正確。

4 結束語

牽引機車不是三相對稱負荷，供電方式比較特殊。這一供電方式給電力系統運檢人員帶來一些運行的新問題。首當其沖的是新設備投產帶負荷試驗。根據平衡變壓器特點和牽引變電所換相聯結兩方面，得出供電線路帶負荷試驗預期結果，給運檢人員實施牽引線路帶負荷試驗提供技術支撐。目前，該試驗方法及思路已用于寧啟二期及滬通鐵路多條牽引線路帶負荷試驗，為牽引線路正常投產奠定堅實基礎。