特高壓交流變壓器送電調試過程電流規律研究

齊志強，李聰聰，李玉敦

（1.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

2022 年5 月，國務院在《關于促進新時代新能源高質量發展的實施方案》中指出，建設穩定的、安全的、可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系是促進區域經濟和電力工業整體協調發展的一項重要的工作。隨著特高壓輸變電工程建設工作的快速發展，電網中1 000 kV 特高壓交流變壓器的數量也隨之極速增加［1］。1 000 kV 特高壓交流變壓器包括主體變壓器（以下簡稱主體變）和調壓補償變壓器（以下簡稱調補變），其中調壓變壓器（以下簡稱調壓變）、補償變壓器（以下簡稱補償變）組成調補變共體運行。相較于500 kV 自耦變壓器，特高壓變壓器采用中性點調壓方式使得其結構更為復雜［2］，這導致特高壓變壓器保護配置、分析變得更加困難［3］。因此，研究特高壓變壓器送電調試過程電流規律，驗證保護配置正確性對加強我國電網穩定運行具有重要的應用價值。

為保證特高壓變壓器的保護方向和校驗工作，需要明確帶負荷試驗時各保護用TA 測量電流的大小和方向。研究特高壓變壓器的保護方向校驗方法和電流分布計算方法，提升帶負荷試驗保護方向校驗的準確性是特高壓系統調試亟須解決的問題。國內外對1 000 kV 特高壓變壓器的研究主要集中在調壓變檔位調整時調壓及補償原理［4-5］、調壓變及補償變的保護配置原則［6-9］、勵磁涌流對主變壓器差動保護的影響［10-12］和特高壓變壓器的仿真建模［13-16］等方面。然而，對特高壓變壓器送電調試時調補變中電流分布情況和保護方向校驗方面的研究較少。文獻［17］分析了保護在帶負荷校驗方向的方法，但是未討論自耦變壓器的差動保護校驗方法。文獻［18］研究了調試過程中電流極性的確定方法，但是未研究復雜結構變壓器的保護電流分析校驗方法。文獻［19-20］分別研究了特高壓變壓器和調壓補償變調試過程中差動保護電流方向確定方法，但是均未提及電流差動保護極性確定原則，也未研究帶負荷校驗特高壓變壓器差動保護方向時各保護TA 電流分布情況。

基于以上分析，文中將研究特高壓變壓器調試過程中進行保護方向校驗時其各繞組電流分布規律。根據特高壓變壓器的結構和參數，分析特高壓變壓器單相等效計算模型；明確特高壓變壓器送電調試過程中主體變和調壓變保護TA 測量電流的大小及方向，設計保護TA 極性核定方案；提出一種特高壓變壓器保護方向校驗和電流分析計算方法。最后，基于實際帶負荷調試數據證明該方法的有效性。

1 特高壓變壓器單相等效計算

特高壓變壓器主體變的單相結構由串聯繞組、公共繞組和低壓繞組組成，調壓變的單相結構由調壓繞組和勵磁繞組組成，補償變的單相結構由勵磁繞組和補償繞組組成。

從結構上來看，調壓變的勵磁繞組和主體變的低壓繞組并聯之后與補償變的補償繞組串聯連接，調壓變的調壓繞組與補償變的勵磁繞組并聯后與主體變中性點直接相連。針對特高壓變壓器的特點，圖1 為特高壓變壓器的等效計算模型。其中，特高壓變壓器主體變串聯繞組匝數為854 匝，公共繞組匝數為854 匝，低壓繞組匝數為310 匝，補償變勵磁繞組匝數為460 匝，補償繞組匝數為86 匝，調壓變勵磁繞組匝數為649 匝，調壓繞組匝數跟運行檔位相關。調壓變共設置有9 檔，每檔繞組對應有匝數45 匝。主體變高壓側保護用TA 命名為CTH1、CTH2，中壓側保護用TA 命名為CTM1、CTM2，中性點側保護用TA 命名為CT5，低壓側保護用斷路器TA 命名為CTL1、CTL2，低壓側保護用套管TA 為CT4，調壓變勵磁繞組保護用TA 命名為CT7，補償變勵磁繞組保護用TA 命名為CT6，補充繞組保護用TA 命名為CT8，各TA 位置見圖1。

圖1 特高壓變壓器的等效計算模型Fig.1 Equivalent model of UHV transformer

1.1 高壓側帶負荷試驗時電流分析

特高壓變壓器低壓側為三角形接線方式，由YΔ 變換可以確定補償變補償繞組的電流為

式中：ICTL為低壓側負荷電流；ILT為補償變補償繞組電流。

當忽略勵磁電流時，變壓器原邊和副邊的電流與變比成反比關系。在計算各繞組負荷電流時，忽略變壓器的勵磁電流。因此，補償變勵磁繞組的電流為

式中：ILE為補償變勵磁繞組的電流；NLT為補償變補償繞組匝數；NLE為補償變勵磁繞組的匝數。

主體變中性點側CT5 的電流為

式中：IN為主體變中性點的電流；ITV為調壓變調壓繞組的電流。

當變壓器高壓側投入運行，中壓側空載運行，低壓側帶負荷運行時，主體變高壓側電流與中性點電流相等。根據高、低壓側磁勢平衡原理，可以確定高、低壓側的磁勢相等，即

式中：FH為主體變高壓側磁勢；NSV為主體變串聯繞組匝數；NCV為主體變公共繞組組數；FL為主體變低壓側磁勢；NLV為主體變低壓繞組匝數。

根據式（4）主體變中性點側CT5 的電流為

由式（3）和式（5）聯立可得

調壓變調壓繞組的電流為

式中：IEV為調壓變勵磁繞組的電流；NTV為調壓變調壓繞組匝數；NEV為調壓變勵磁繞組匝數。

將式（7）代入式（6），得

因為調壓變的勵磁繞組和主體變的低壓繞組并聯之后與補償變的補償繞組串聯連接，所以補償變補償繞組的電流為

將式（2）代入式（9），得

聯立式（8）和式（10），得

當特高壓變壓器設置+3 檔運行時，調壓變調壓繞組匝數為90 匝。文中假設特高壓變壓器調壓變檔位為+3 檔。從而可以計算式（11）為

1.2 中壓側帶負荷試驗時電流分析

當變壓器中壓側投入運行，高壓側空載以及低壓側帶負荷運行時，主體變中壓側電流與中性點電流相等。根據中、低壓側磁勢平衡原理，可以確定中、低壓側的磁勢相等，則有

式中：FM為主體變中壓側磁勢。

所以主體變中性點側CT5 的電流為

由式（3）和式（14）聯立可得

將式（7）代入式（15），得

聯立式（16）和式（10），得

將各繞組匝數代入式（17），得

2 特高壓變壓器差動保護電流方向

2.1 主體變差動保護電流方向分析

特高壓變壓器主體變的保護范圍見圖2。

圖2 主體變差動保護配置Fig.2 Differential protection of the main transformer

分側差動保護范圍由高壓側CTH1、CTH2，中壓側CTM1、CTM2 和中性點CT5 組成，如圖2 中綠色虛線范圍。縱差保護范圍由高壓側CTH1、CTH2，中壓側CTM1、CTM2 和低壓側CTL1、CTL2 組成，如圖2 中紅色虛線范圍。

主體變分側差動保護滿足

主體變縱差保護滿足

2.2 調壓變差動保護電流方向分析

特高壓變壓器調壓變的差動保護范圍由主體變中性點側CT5、調壓變勵磁繞組CT7 和補償變勵磁繞組CT6 組成，如圖3 中虛線范圍。

圖3 調壓變差動保護配置Fig.3 Differential protection of the regulating transformer

當調壓變區內發生故障時，調壓變差動保護用CT5、CT6、CT7 的一次電流方向都指向調壓變，如圖3 中紅色實線箭頭的方向。對于調壓變差動保護滿足

2.3 補償變差動保護電流方向分析

特高壓變壓器補償變的差動保護范圍由補償變勵磁繞組套管CT6 和補償變補償繞組套管CT8，即圖4 中紫色虛線范圍。當調壓變區內發生故障時，補償變差動保護用CT6、CT8 的一次電流方向都指向調壓變，如圖4 中紅色實線箭頭的方向。對于補償變差動保護滿足式（22）。

圖4 補償變差動保護配置Fig.4 Differential protection of the compensation transformer

補償變勵磁繞組套管CT6 的一次極性遠離補償變，所以CT6 的極性為正極性。而補償變補償繞組套管CT8 的一次極性指向補償變，所以CT8 的極性為負極性。

特高壓變壓器的TA 一次極性按照圖1 設置時，二次極性為S1 時表示正極性，二次極性為S2 時表示負極性。從而根據以上分析可以確定各TA 的二次極性如圖5 所示。

圖5 特高壓變壓器TA極性Fig.5 TA polarity of the UHV transformer

3 案例分析

以特高壓變壓器送電調試過程驗證提出模型的準確性。在進行某1 000 kV 特高壓變壓器帶負荷調試時，投入的電容器組的容量為240.192 Mvar，電容器中性點側串聯有9.6 Mvar 的分相電抗。某特高壓變電站運行特高壓變壓器的各側保護用TA 變比如圖6 所示。從圖6 中可以得到主體變1 000 kV 側開關CTH1、CTH2 的變比為3 000/1，500 kV 側開關CTM1、CTM2 的變比為4 000/1，中性點CT5 的變比為2 500/1，110 kV 側開關CTL1、CTL2 變比為4 000/1，低壓繞組套管CT4 的變比為4 000/1。調壓變調壓繞組未配置TA，勵磁繞組套管CT7 的變比為1 000/1。補償變勵磁繞組套管CT6 的變比為1 000/1，補償繞組套管CT8 的變比為4 000/1。

圖6 特高壓變壓器的CT變比Fig.6 Equivalent model of UHV transformer

因此，可以得到某1 000 kV 特高壓變壓器帶負荷調試時補償變繞組電流為

由式（1）、式（9）和式（12）可以判斷出從高壓側帶負荷校驗變壓器保護方向時調壓變勵磁繞組EV套管一次電流值為

CT7 二次側測量電流不足0.5 mA，小于現有測量設備的測量精度，所以不能判斷CT7 二次極性的正確性。根據圖6 中各TA 變比和式（18）可以確定從中壓側帶負荷校驗變壓器保護方向時主體變低壓繞組套管CT4 和調壓變勵磁繞組套管CT7 二次電流比值為10.5 倍。該電流數值是可以測量的。CT7 一次電流數值為

此時CT7 可以測量到較大的電流，從而可以對CT7 的二次極性進行正確判斷。其他保護CT 的電流大小在以上兩種帶負荷調試過程中都可以正確測量，此處不再詳細分析。

3.1 高壓側帶負荷調試分析

當特高壓變壓器高壓側投入運行，中壓側空載，低壓側投入一組電容器運行時進行保護TA 電流分析。此時圖6 中各TA 的電流錄波波形見圖7。

圖7 高壓側帶負荷運行時錄波圖Fig.7 The recording diagram of the load operation from high voltage

圖7 中ICTH1+ICTH2表示高壓側電流之和，ICTM1+ICTM2表示中壓側電流之和，ICT5表示主體變中性點CT5 電流，ICT4表示低壓繞組套管電流，ICT6表示補償變勵磁繞組通過電流，ICT8表示補償變補償繞組套管電流，ICT7表示調壓變勵磁繞組套管電流，ICTL1表示低壓一分支斷路器電流。UH表示高壓側電壓，UM表示中壓側電壓，UL表示低壓側電壓。高壓側和低壓側帶負荷投入運行，所以中壓側無電流。調壓變勵磁繞組由式（12）可知也測量不到電流。與圖7 錄波結果一致，證明電流大小分析方法是合理的。

以高壓側電壓為基準，ICT6超前電壓90°，ICTH1與ICTH2之和超前電壓90°，ICT5、ICT4、ICT8均滯后電壓90°。ICTL1滯后電壓60°。ICTL1電流因為在角形接線側，所以超前CT4 的角度為30°。值得注意的是，調壓變勵磁繞組CT7 幾乎無電流，所以可以確定在此種帶負荷試驗情況下主體變高壓側、中性點和補償變勵磁繞組流過相同的電流，根據圖5 確定的保護極性可以判斷ICTH1+ICTH2電流與CT6 電流同向，與CT5 電流反向。同樣，因為調壓變勵磁繞組CT7 幾乎無電流，所以此時CT4 與CT8 流過相同的電流，根據圖5 確定的保護極性，可判斷出二者同向。根據式（22）判斷補償變兩側CT6 與CT8 反向。各CT 電流方向與錄波圖7 中一致，即證明了特高壓變壓器差動保護TA 方向判斷正確。

3.2 中壓側帶負荷調試分析

當特高壓變壓器中壓側投入運行，高壓側空載，低壓側投入一組電容器運行時進行保護TA 電流分析。投入的電容器組參數與高壓側投入運行時一致。此時圖6 中各TA 的電流錄波波形見圖8。

特高壓變壓器中壓側和低壓側帶負荷投入運行，所以高壓側無電流。調壓變勵磁繞組CT7 的電流大小為13 A，低壓繞組CT4 的電流大小為545 A，滿足式（18），實測結果證明電流大小分析方法是合理的。另一方面，以高壓側電壓為基準，ICTM1和ICTM2之和超前電壓90°，ICT7均滯后電壓90°。調壓變的勵磁繞組和主體變的低壓繞組并聯連接，并且二者極性相同，所以CT4 與CT7 電流方向相同。主體變中壓側ICTM1與ICTM2之和與CT5 方向相反。以上電流方向均與錄波圖一致，方向判斷正確。實際負荷試驗驗證了提出特高壓變壓器保護方向校驗和電流分析計算方法的正確性。

4 結束語

針對結構復雜的特高壓變壓器調試需求，詳細分析特高壓變壓器送電調試過程中主體變和調壓補償變保護TA 測量電流的大小及方向，提出保護TA極性確定方法。分別討論特高壓變壓器從高壓側和中壓側投入運行時其主體變、調壓變和補償變的負荷分布特征，從而提出一種特高壓變壓器保護方向校驗和電流分析計算方法。分析結果表明從特高壓變壓器高壓側投入運行、低壓側帶負荷時調壓變壓器勵磁繞組套管CT7 的電流小到難以測量，帶負荷試驗結果表明特高壓變壓器送電調試時電流分析方法和極性確定方法與實際情況是一致的。綜上所述，所提方法有助于現場調試工作的順利開展，可確保特高壓主體變和調壓補償變正確投入運行。