特高压交流变压器送电调试过程电流规律研究.pdf

SHANDONG ELECTRIC POWER山东电力技术第50卷（总第309期）2023年第8期0引言2022 年 5 月，国务院在 关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案 中指出，建设稳定的、安全的、可靠的特高压输变电线路为载体的新能源供给消纳体系是促进区域经济和电力工业整体协调发展的一项重要的工作。随着特高压输变电工程建设工作的快速发展，电网中 1 000 kV 特高压交流变压器的数量也随之极速增加1。1 000 kV 特高压交流变压器包括主体变压器（以下简称主体变）和调压补偿变压器（以下简称调补变），其中调压变压器（以下简称调压变）、补偿变压器（以下简称补偿变）组成调补变共体运行。相较于 500 kV 自耦变压器，特高压变压器采用中性点调压方式使得其结构更为复杂2，这导致特高压变压器保护配置、分析变得更加困难3。因此，研究特高压变压器送电调试过程电流特高压交流变压器送电调试过程电流规律研究齐志强1，李聪聪2，李玉敦2（1.国网山东省电力公司，山东济南250001；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250003）摘要：特高压交流变压器因为主体变压器和调压补偿变压器两部分导致结构更为复杂，准确掌握送电时特高压变压器电流规律是进行保护方向校核的关键。建立特高压变压器单相等效计算模型，利用绕组磁势平衡原理分析变压器各侧绕组电流数值关系，建立各侧绕组电流关联模型。基于该模型分析特高压变压器保护电流可以快速确定二次电流方向，从而实现特高压变压器继电保护方向的校验。最后，通过实际带负荷试验验证了该模型的正确性。针对结构复杂的特高压变压器调试需求，详细分析特高压变压器送电调试过程中主体变压器和调压补偿变压器保护电流互感器TA测量电流的大小及方向，提出保护TA极性确定方法。研究成果可为特高压交流设备选型和工程设计提供参考依据。关键词：特高压变压器；送电调试；二次电流；保护方向校验中图分类号：TM41文献标识码：A文章编号：1007-9904（2023）08-0042-08Study on the Current Law of UHV Transfomer During SystemCommissioningQI Zhiqiang1，LI Congcong2，LI Yudun2（1.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）Abstract：The UHV transformer includes two parts：the main transformer and the voltage regulating compensation transformer，soits structure is more complex.Accurately grasping the current law of the UHV transformer during power transmission is the key toverifying the protection direction.A single-phase equivalent calculation model for UHV transformers was established，and thenumerical relationship of winding currents on each side of the transformer was analyzed using the principle of winding magneticpotential balance.A correlation model of winding currents on each side was established.By using the established model to analyzethe protection current of ultra-high voltage transformers，the direction of secondary current can be quickly determined，thusachieving verification of the relay protection direction of ultra-high voltage transformers.Finally，the correctness of the model wasverified through actual load testing.According to the debugging requirements of UHV transformers with complex structure，themagnitude and direction of the main transformer and voltage regulation compensation variable protection TA measurement currentduring the commissioning process of UHV transformer power transmission were analyzed in detail，and a method for determiningthe polarity of protection TA was proposed.The research results can provide reference for the selection and engineering design ofUHV transformers equipment.Keywords：UHV transformer；system commissioning；secondary current；protection verificationDOI：10.20097/ki.issn1007-9904.2023.08.00642规律，验证保护配置正确性对加强我国电网稳定运行具有重要的应用价值。为保证特高压变压器的保护方向和校验工作，需要明确带负荷试验时各保护用 TA 测量电流的大小和方向。研究特高压变压器的保护方向校验方法和电流分布计算方法，提升带负荷试验保护方向校验的准确性是特高压系统调试亟须解决的问题。国内外对 1 000 kV 特高压变压器的研究主要集中在调压变档位调整时调压及补偿原理4-5、调压变及补偿变的保护配置原则6-9、励磁涌流对主变压器差动保护的影响10-12和特高压变压器的仿真建模13-16等方面。然而，对特高压变压器送电调试时调补变中电流分布情况和保护方向校验方面的研究较少。文献17 分析了保护在带负荷校验方向的方法，但是未讨论自耦变压器的差动保护校验方法。文献 18 研究了调试过程中电流极性的确定方法，但是未研究复杂结构变压器的保护电流分析校验方法。文献19-20 分别研究了特高压变压器和调压补偿变调试过程中差动保护电流方向确定方法，但是均未提及电流差动保护极性确定原则，也未研究带负荷校验特高压变压器差动保护方向时各保护 TA电流分布情况。基于以上分析，文中将研究特高压变压器调试过程中进行保护方向校验时其各绕组电流分布规律。根据特高压变压器的结构和参数，分析特高压变压器单相等效计算模型；明确特高压变压器送电调试过程中主体变和调压变保护 TA 测量电流的大小及方向，设计保护 TA 极性核定方案；提出一种特高压变压器保护方向校验和电流分析计算方法。最后，基于实际带负荷调试数据证明该方法的有效性。1特高压变压器单相等效计算特高压变压器主体变的单相结构由串联绕组、公共绕组和低压绕组组成，调压变的单相结构由调压绕组和励磁绕组组成，补偿变的单相结构由励磁绕组和补偿绕组组成。从结构上来看，调压变的励磁绕组和主体变的低压绕组并联之后与补偿变的补偿绕组串联连接，调压变的调压绕组与补偿变的励磁绕组并联后与主体变中性点直接相连。针对特高压变压器的特点，图 1 为特高压变压器的等效计算模型。其中，特高压变压器主体变串联绕组匝数为 854 匝，公共绕组匝数为 854 匝，低压绕组匝数为 310 匝，补偿变励磁绕组匝数为 460 匝，补偿绕组匝数为 86 匝，调压变励磁绕组匝数为 649 匝，调压绕组匝数跟运行档位相关。调压变共设置有 9 档，每档绕组对应有匝数45 匝。主体变高压侧保护用 TA 命名为 CTH1、CTH2，中压侧保护用 TA 命名为 CTM1、CTM2，中性点侧保护用 TA 命名为 CT5，低压侧保护用断路器TA 命名为 CTL1、CTL2，低压侧保护用套管 TA 为CT4，调压变励磁绕组保护用 TA 命名为 CT7，补偿变励磁绕组保护用 TA 命名为 CT6，补充绕组保护用TA 命名为 CT8，各 TA 位置见图 1。图1特高压变压器的等效计算模型Fig.1 Equivalent model of UHV transformer1.1高压侧带负荷试验时电流分析特高压变压器低压侧为三角形接线方式，由 Y-变换可以确定补偿变补偿绕组的电流为ILT=ICTL3（1）式中：ICTL为低压侧负荷电流；ILT为补偿变补偿绕组电流。当忽略励磁电流时，变压器原边和副边的电流与变比成反比关系。在计算各绕组负荷电流时，忽略变压器的励磁电流。因此，补偿变励磁绕组的电齐志强，等：特高压交流变压器送电调试过程电流规律研究43山东电力技术第50卷（总第309期）2023年第8期流为ILE=NLTNLEILT（2）式中：ILE为补偿变励磁绕组的电流；NLT为补偿变补偿绕组匝数；NLE为补偿变励磁绕组的匝数。主体变中性点侧 CT5 的电流为IN=ITV+ILE（3）式中：IN为主体变中性点的电流；ITV为调压变调压绕组的电流。当变压器高压侧投入运行，中压侧空载运行，低压侧带负荷运行时，主体变高压侧电流与中性点电流相等。根据高、低压侧磁势平衡原理，可以确定高、低压侧的磁势相等，即FH=IN()NSV+NCV=FL=ILVNLV（4）式中：FH为主体变高压侧磁势；NSV为主体变串联绕组匝数；NCV为主体变公共绕组组数；FL为主体变低压侧磁势；NLV为主体变低压绕组匝数。根据式（4）主体变中性点侧 CT5 的电流为IN=NLVNSV+NCVILV（5）由式（3）和式（5）联立可得ITV+ILE=NLVNSV+NCVILV（6）调压变调压绕组的电流为ITV=NEVNTVIEV（7）式中：IEV为调压变励磁绕组的电流；NTV为调压变调压绕组匝数；NEV为调压变励磁绕组匝数。将式（7）代入式（6），得NEVNTVIEV+ILE=NLVNSV+NCVILV（8）因为调压变的励磁绕组和主体变的低压绕组并联之后与补偿变的补偿绕组串联连接，所以补偿变补偿绕组的电流为ILT=ILV+IEV（9）将式（2）代入式（9），得NLENLTILE=ILV+IEV（10）联立式（8）和式（10），得ILV=NEVNTV+NLTNLENLV()NSV+NCV-NLTNLEIEV（11）当特高压变压器设置+3 档运行时，调压变调压绕组匝数为 90 匝。文中假设特高压变压器调压变档位为+3 档。从而可以计算式（11）为ILV=1 355 IEV（12）1.2中压侧带负荷试验时电流分析当变压器中压侧投入运行，高压侧空载以及低压侧带负荷运行时，主体变中压侧电流与中性点电流相等。根据中、低压侧磁势平衡原理，可以确定中、低压侧的磁势相等，则有FM=INNCV=FL=ILVNLV（13）式中：FM为主体变中压侧磁势。所以主体变中性点侧 CT5 的电流为IN=NLVNCVILV（14）由式（3）和式（14）联立可得ITV+ILE=NLVNCVILV（15）将式（7）代入式（15），得NEVNTVIEV+ILE=NLVNCVILV（16）联立式（16）和式（10），得ILV=NEVNTV+NLTNLENLVNCV-NLTNLEIEV（17）将各绕组匝数代入式（17），得ILV=42IEV（18）2特高压变压器差动保护电流方向2.1主体变差动保护电流方向分析特高压变压器主体变的保护范围见图 2。分侧差动保护范围由高压侧 CTH1、CTH2，中压侧 CTM1、CTM2 和中性点 CT5 组成，如图 2 中绿色虚线范围。纵差保护范围由高压侧 CTH1、CTH2，中压侧 CTM1、CTM2 和低压侧 CTL1、CTL2 组成，如图2 中红色虚线范围。主体变分侧差动保护满足ICTH1+ICTH2+ICTM1+ICTM2+ICT5=0（19）式中：ICTH1、ICTH2分别为高压侧边、中断路器电流；ICTM1、ICTM2分别为中压侧边、中断路器电流。44主体变纵差保护满足ICTH1+ICTH2+ICTM1+ICTM2+ICTL1+ICTL2=0（20）式中：ICTL1、ICTL2分别为低压侧、分支断路器的电流。图2主体变差动保护配置Fig.2 Differential protection of the main transformer2.2调压变差动保护电流方向分析特高压变压器调压变的差动保护范围由主体变中性点侧 CT5、调压变励磁绕组 CT7 和补偿变励磁绕组 CT6 组成，如图 3 中虚线范围。当调压变区内发生故障时，调压变差动保护用CT5、CT6、CT7 的一次电流方向都指向调压变，如图3 中红色实线箭头的方向。对于调压变差动保护满足ICT5+ICT6+ICT7=0（21）式中：ICT5为主体变中性点侧电流；ICT6为补偿变励磁绕组电流；ICT7为调压变励磁绕组电流。2.3补偿变差动保护电流方向分析特高压变压器补偿变的差动保护范围由补偿变励磁绕组套管 CT6 和补偿变补偿绕组套管 CT8，即图 4 中紫色虚线范围。当调压变区内发生故障时，补偿变差动保护用 CT6、CT8 的一次电流方向都指向调压变，如图 4 中红色实线箭头的方向。对于补偿变差动保护满足式（22）。ICT6+ICT8=0（22）式中：ICT8为补偿变补偿绕组电流。图3调压变差动保护配置Fig.3 Differential protection of the regulating transformer图4补偿变差动保护配置Fig.4Differentialprotectionofthecompensationtransformer补偿变励磁绕组套管 CT6 的一次极性远离补偿变，所以 CT6 的极性为正极性。而补偿变补偿绕组齐志强，等：特高压交流变压器送电调试过程电流规律研究45山东电力技术第50卷（总第309期）2023年第8期套管 CT8 的一次极性指向补偿变，所以 CT8 的极性为负极性。特高压变压器的 TA 一次极性按照图 1 设置时，二次极性为 S1 时表示正极性，二次极性为 S2 时表示负极性。从而根据以上分析可以确定各 TA 的二次极性如图 5 所示。图5特高压变压器TA极性Fig.5 TA polarity of the UHV transformer3案例分析以特高压变压器送电调试过程验证提出模型的准确性。在进行某 1 000 kV 特高压变压器带负荷调试时，投入的电容器组的容量为 240.192 Mvar，电容器中性点侧串联有 9.6 Mvar 的分相电抗。某特高压变电站运行特高压变压器的各侧保护用 TA 变比如图 6 所示。从图 6 中可以得到主体变 1 000 kV 侧开关 CTH1、CTH2 的变比为 3 000/1，500 kV 侧开关CTM1、CTM2 的变比为 4 000/1，中性点 CT5 的变比为2 500/1，110 kV侧开关CTL1、CTL2变比为4 000/1，低压绕组套管 CT4 的变比为 4 000/1。调压变调压绕组未配置 TA，励磁绕组套管 CT7 的变比为 1 000/1。补偿变励磁绕组套管 CT6 的变比为 1 000/1，补偿绕组套管 CT8 的变比为 4 000/1。图6特高压变压器的CT变比Fig.6 Equivalent model of UHV transformer因此，可以得到某 1 000 kV 特高压变压器带负荷调试时补偿变绕组电流为ILT=ICTL3=(240.192-3 9.6)1 0003 1103=640.58(A)由式（1）、式（9）和式（12）可以判断出从高压侧带负荷校验变压器保护方向时调压变励磁绕组 EV套管一次电流值为IEV=11 355ILV=11 355+1ILT=0.47 ACT7 二次侧测量电流不足 0.5 mA，小于现有测量设备的测量精度，所以不能判断 CT7 二次极性的正确性。根据图 6 中各 TA 变比和式（18）可以确定从中压侧带负荷校验变压器保护方向时主体变低压绕组套管 CT4 和调压变励磁绕组套管 CT7 二次电流比值为 10.5 倍。该电流数值是可以测量的。CT7 一次电流数值为IEV=142ILV=142+1ILT=14.9 A此时 CT7 可以测量到较大的电流，从而可以对CT7 的二次极性进行正确判断。其他保护 CT 的电流大小在以上两种带负荷调试过程中都可以正确测46量，此处不再详细分析。3.1高压侧带负荷调试分析当特高压变压器高压侧投入运行，中压侧空载，低压侧投入一组电容器运行时进行保护 TA 电流分析。此时图 6 中各 TA 的电流录波波形见图 7。图7高压侧带负荷运行时录波图Fig.7 The recording diagram of the load operation fromhigh voltage图 7 中 ICTH1+ICTH2表示高压侧电流之和，ICTM1+ICTM2表示中压侧电流之和，ICT5表示主体变中性点CT5 电流，ICT4表示低压绕组套管电流，ICT6表示补偿变励磁绕组通过电流，ICT8表示补偿变补偿绕组套管电流，ICT7表示调压变励磁绕组套管电流，ICTL1表示低压一分支断路器电流。UH表示高压侧电压，UM表示中压侧电压，UL表示低压侧电压。高压侧和低压侧带负荷投入运行，所以中压侧无电流。调压变励磁绕组由式（12）可知也测量不到电流。与图 7 录波结果一致，证明电流大小分析方法是合理的。以高压侧电压为基准，ICT6超前电压 90，ICTH1与ICTH2之和超前电压 90，ICT5、ICT4、ICT8均滞后电压 90。ICTL1滞后电压 60。ICTL1电流因为在角形接线侧，所以超前 CT4 的角度为 30。值得注意的是，调压变励磁绕组 CT7 几乎无电流，所以可以确定在此种带负荷试验情况下主体变高压侧、中性点和补偿变励磁绕组流过相同的电流，根据图 5 确定的保护极性可以判断 ICTH1+ICTH2电流与 CT6 电流同向，与 CT5 电流反向。同样，因为调压变励磁绕组 CT7 几乎无电流，所以此时 CT4 与 CT8 流过相同的电流，根据图 5 确定的保护极性，可判断出二者同向。根据式（22）判断补偿变两侧 CT6 与 CT8 反向。各 CT 电流方向与录波图 7 中一致，即证明了特高压变压器差动保护TA 方向判断正确。3.2中压侧带负荷调试分析当特高压变压器中压侧投入运行，高压侧空载，低压侧投入一组电容器运行时进行保护 TA 电流分析。投入的电容器组参数与高压侧投入运行时一致。此时图 6 中各 TA 的电流录波波形见图 8。图8中压侧带负荷运行时录波图Fig.8 Recording diagram of the load operation frommedium voltage特高压变压器中压侧和低压侧带负荷投入运行，所以高压侧无电流。调压变励磁绕组 CT7 的电流大小为 13 A，低压绕组 CT4 的电流大小为 545 A，满足式（18），实测结果证明电流大小分析方法是合理的。另一方面，以高压侧电压为基准，ICTM1和 ICTM2之和超前电压 90，ICT7均滞后电压 90。调压变的励磁绕组和主体变的低压绕组并联连接，并且二者极性相同，所以 CT4 与 CT7 电流方向相同。主体变中压侧 ICTM1与 ICTM2之和与 CT5 方向相反。以上电流方向均与录波图一致，方向判断正确。实际负荷试验验证了提出特高压变压器保护方向校验和电流分析计算方法的正确性。4结束语针对结构复杂的特高压变压器调试需求，详细分析特高压变压器送电调试过程中主体变和调压补偿变保护 TA 测量电流的大小及方向，提出保护 TA极性确定方法。分别讨论特高压变压器从高压侧和齐志强，等：特高压交流变压器送电调试过程电流规律研究47山东电力技术第50卷（总第309期）2023年第8期中压侧投入运行时其主体变、调压变和补偿变的负荷分布特征，从而提出一种特高压变压器保护方向校验和电流分析计算方法。分析结果表明从特高压变压器高压侧投入运行、低压侧带负荷时调压变压器励磁绕组套管 CT7 的电流小到难以测量，带负荷试验结果表明特高压变压器送电调试时电流分析方法和极性确定方法与实际情况是一致的。综上所述，所提方法有助于现场调试工作的顺利开展，可确保特高压主体变和调压补偿变正确投入运行。参考文献1韩先才，孙昕，陈海波，等.中国特高压交流输电工程技术发展综述 J.中国电机工程学报，2020，40（14）：4 371-4 386.HAN Xiancai，SUN Xin，CHEN Haibo，et al.The overview ofdevelopment of UHV AC transmission technology in ChinaJ.Proceedings of the CSEE，2020，40（14）：4 371-4 386.2张青青，韦良，王华佳，等.特高压交流输电线路参数测试方法J.山东电力技术，2018，45（10）：37-40.ZHANG Qingqing，WEI Liang，WANG Huajia，et al.Test methodfor parameters of UHV AC transmission lines J.ShandongElectric Power，2018，45（10）：37-40.3李莎，倪腊琴，邱玉婷，等.特高压交流系统断路器继电保护配置与整定 J.电力建设，2015，36（11）：103-107.LI Sha，NI Laqin，QIU Yuting，et al.Relay protection configurationand setting of circuit breaker in UHV AC systemJ.ElectricPower Construction，2015，36（11）：103-107.4冯顺，曲欣，王毅，等.1 000 kV特高压变压器调压原理及其仿真分析 J.电力工程技术，2018，37（1）：109-112.FENG Shun，QU 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