某750 kV 單相自耦變壓器低壓側三相電壓不平衡問題分析計算

張立成，楊利民，頡雅迪，李山，鄭義

（1.國網新疆電力有限公司，烏魯木齊 830011；2.國網新疆電科院，烏魯木齊 830011）

0 引言

我國社會經濟飛速發展，電網結構也復雜多樣，尤其是特高壓交直流混聯輸電、柔性直流等新技術的應用，對電網的要求也越來越高[1-6]。在交流系統中，三相電壓平衡是電網安全穩定運行的基本要求，近年來，三相電壓不平衡問題頻繁出現，威脅著電力系統的安全穩定運行[7-10]。

國內外學者對三相電壓不平衡問題做了大量研究，文獻[11-12]通過PSCAD 對三相電壓不平衡現象進行了仿真分析，通過配置補償電容可有效解決三相電壓不平衡問題。文獻[13-14]分析了柴達木換流站750 kV 主變在投運過程中低壓側對地電壓不平衡問題，得出主變三相入口對地等效電容量的不平衡是引起三相電壓不平衡的主要原因。文獻[15]指出電流互感器的加裝不當也會引起三相參數不平衡的現象。目前三相電壓不平衡主要是由對地等效電容不平衡引起的，但電壓不平衡對二次設備的影響分析較少[16-21]。

本文基于750 kV 變電站實際運行工況，采用EMTPE，研究750 kV 主變投運過程中66 kV 側三相電壓不平衡產生的原因，分析三相電壓不平衡對二次設備造成的影響，結合一次和二次方面的分析，提出合理的解決措施。該研究結果對超高壓大容量輸變電系統主變的投運具有重要參考價值。

1 電壓不平衡特性分析

1.1 變壓器低壓側負載電容不平衡的影響

變壓器正常運行時，各相低壓側繞組電壓幅值相等，相位相差120°，簡化后的系統接線圖和電壓相量圖分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 主變低壓側三角形接線圖Fig.1 Triangular wiring diagram at low voltage side of main transformer

圖2 主變低壓側電壓相量圖Fig.2 Voltage phasor diagram at low voltage side of main transformer

圖1 中：UA、UB、UC表示三相電壓；CA、CB、CC表示三相對地電容量。圖2 中：A、B、C 分別為繞組的引出端點；O 為虛擬電壓中性點；G 為接地點。

三角形接線中，相對地電壓及電容量由對地電容確定[20-22]，各相流向大地的電流和為0，表達式為

式（1）和式（2）中：IA、IB、IC分別為三相電流；ω為角速度。

三相對地電壓UGA、UGB、UGC與三相對中性點的電壓UOG關系為

將式（3）代入式（2）可得

式中，UOA+UOB+UOC=0。

由式（4）可知，當變壓器三相對地電容CA=CB=CC時，UOG=0，中性點與接地點G 重合，三相對地電壓平衡；當三相對地電容不相等時，UOG≠0，此時三相對地電壓不平衡。

1.2 變壓器繞組電容不平衡的影響

交流系統中絕緣介質可等效為一個純電阻和純電容組成的等值電路，但介質中的絕緣電阻很大，可以等效為一個純電容別的等值電路[23-24]。變壓器一般由2 個及以上的繞組組成，各繞組間、繞組與地之間都有絕緣[25-30]。750 kV 自耦變壓器等效電路圖見圖3。

圖3 自耦變壓器等值電路Fig.3 Equivalent circuit of auto transformer

圖3 中：C1表示低壓繞組對地等效電容；C2為高、中壓繞組對低壓等效電容；C3表示高壓繞組對地等效電容。

750 kV 主變低壓側為三角形接線，可等效為星型不接地的接線方式，其等值電路圖見圖4。

圖4 考慮主變低壓側各繞組間電容時的等值電路Fig.4 Equivalent circuit considering capacitance between each winding at low voltage side of main transformer

根據圖4 列寫方程：

式中，EA、EB、EC為變壓器高壓側一次電動勢。

由式（3）和式（5）可知，當B 相電容變化量為ΔCB時三相電容不平衡，此時三相對中性點的電壓UOG為

通過上述分析可知，變壓器負載電容和繞組電容不平衡都會引起主變低壓側三相電壓不平衡的現象。

2 電壓不平衡現象

某變電站750 kV 主變壓器A、B 兩相由同一廠家生產，型號為ODFPS-500000/750，C 相由另一廠家生產，其型號為ODFPS-500000/750。二次人員在主變壓器送電過程中發現750 kV 側和220 kV 側電壓測量正常，66 kV 母線帶電后三相對地電壓不平衡，A、B、C 三相電壓幅值分別為56.5 V、61.4 V、54.1 V（一次相電壓分別為A 相37.356 kV、B 相40.59 kV、C 相35.838 kV，B、C 兩相電壓差為4.75 kV），主變各側電壓見表1。

表1 主變三側電壓的幅值和角度（實測值）Table 1 Amplitude and angle of voltage at tertiary sides of main transformer（actually measured value）

主變低壓側66 kV 母線三相電壓不平衡，B 相電壓偏高可能是66 kVⅡ母PT 出現異常和66 kV側三相參數不平衡?，F場對66 kVⅡ母電壓互感器進行了各種檢查，發現三相PT 接線緊固，尾端接地良好，可以排除電壓互感器異常的情況。

3 66 kV側三相電壓不平衡對一次設備影響分析

3.1 參數計算

主變A、B、C 三相由不同廠家生產，不同廠家生產的變壓器在設計和結構上可能存在差異，出現變壓器三相參數的電容量不對稱的現象，通過比較兩廠家提供的各項數據，發現C 相與A、B 兩相相比存在較大差異，繞組實測電容量差異較大，主變電容量的出廠實測值見表2。

表2 主變電容量出廠實測值參數Table 2 Actually measured value parameters of main transformer capacitance at delivery

根據表2 提供的變壓器電容量測試值，可以推算出三相變壓器各繞組的等效電容，這些電容三相之間存在顯著差異，主變電容量的等效電容見表3。

表3 主變電容量換算值參數Table 3 Conversion value parameter of main transformer capacitance

根據現場實際運行情況，利用EMTPE 建立仿真模型，根據電磁暫態計算程序的要求，對主變系統網絡進行簡化，簡化后的系統接線見圖5。

圖5 系統接線圖Fig.5 System wiring diagram

3.2 主變低壓側三相電壓不平衡仿真分析

利用EMTPE 電磁暫態仿真軟件建立模型，對66 kV 側母線電壓不平衡現象進行仿真分析，當主變低壓側空載、分別投入一組低抗、低容和SVG 時的仿真計算結果分別見圖6 和表4。

圖6 主變低壓側A、B、C三相電壓仿真波形Fig.6 Voltage simulation waveform of phase A，B and C at low-voltage side of main transformer

由圖6 和表4 的仿真計算結果可知，主變低壓側帶一組電抗器時，電壓較空載時有所降低，帶一組電容器時，電壓較空載時有所升高。主變空載和低壓側帶負載時，電壓不平衡現象主要體現在低壓側對地電壓。主變空載時，低壓側對地電壓最大差值為4.8 kV；帶一組電抗器時，低壓側對地電壓最大差值為4.4 kV；帶一組電容器時，低壓側對地電壓最大差值為4.9 kV；帶SVG（感性最大時），低壓側對地電壓最大差值為4.8 kV；帶SVG（容性最大時），低壓側對地電壓最大差值為5.5 kV。B 相電壓偏高，A、B、C 三相電壓分布趨勢與變電站現場實測數據大體一致，進一步驗證了仿真模型的正確性。

4 66 kV側三相電壓不平衡對二次設備的影響分析

4.1 系統實際運行中的三相電壓不平衡現象

主變送電過程中750 kV 側和220 kV 側電壓測量正常，66 kV 側母線在空載和投入1 組低抗時出現三相母線對地電壓不平衡的問題，實測二次電壓值見表5。低壓側空載時，A、B、C 三相對地電壓分別為56.52 V、61.38 V、54.10 V，外接零序電壓為7.17 V。投入1 組低抗時，A、B、C 三相對地電壓分別為55.00 V、59.83 V、52.64 V，外接零序電壓為6.92 V。投入3 組低抗時，A、B、C 三相對地電壓分別為52.99 V、56.91 V、51.47 V，外接零序電壓為5.34 V。

表5 主變低壓側不同負載時三相電壓（實測值）Table 5 Three phase voltage（actually measured value）at different loads at low voltage side of main transformer

根據主變低壓側不同負載時實測三相電壓數據分別計算低壓側負序電壓U2和自產零序電壓3U0。當低壓側空載時，主變低壓側負序電壓U2為0.175 V，自產零序電壓3U0為12.51 V。當低壓側投入1 組低抗時，主變低壓側負序電壓U2為0.195 V，自產零序電壓3U0為12.24 V。當低壓側投入3 組低抗時，主變低壓側負序電壓U2為0.167 V，自產零序電壓3U0為9.32 V，具體計算數值如表6 所示。

表6 主變低壓側不同負載時負序電壓和自產零序電壓Table 6 Negative sequence voltage and self-produced zero sequence voltage under different loads at low voltage side of main transformer

4.2 三相電壓不平衡對相關二次設備的影響

根據現場實測的二次電壓和計算的零負序電壓，分析三相對地不平衡電壓對相關二次設備的影響。

4.2.1 對母線、主變和電容器的影響

當主變低壓側空載、投入1 組低抗或3 組低抗運行時，分析三相電壓不平衡對66 kV 母線保護、主變保護和66 kV 電容器保護功能及告警信號的影響，其結果如表7 所示。

表7 三相電壓不平衡對母線、主變和電容器的影響Table 7 The influence of three-phase voltage imbalance on the busbar，main transformer and capacitor

由表7 的結果可知，主變低壓側空載、投入一組低抗或三組低抗運行時，各二次設備保護裝置均不會發“PT 斷線”告警信號，主變低壓側不平衡電壓對66 kVⅡ母母線保護裝置運行、主變保護裝置運行和66 kV 電容器保護裝置的運行無影響。

4.2.2 對測控及錄波裝置的影響

當主變低壓側空載、投入一組低抗或三組低抗運行時，分析三相電壓不平衡對66 kVⅡ母測控裝置、主變低壓側測控裝置和主變故障錄波器的影響分析錄波裝置的影響，其結果見表8。

表8 三相電壓不平衡對測控及錄波裝置的影響Table 8 Influence of three-phase voltage imbalance on measurement，control and wave recording device

結合表8 的分析結果可知主變低壓側空載或投入一組低抗時，主變低壓側不平衡電壓會造成66 kVⅡ母測控及主變低壓側測控裝置發“PT 斷線”告警信號，同時可能會啟動主變故障錄波器。主變低壓側投入三組低抗時，對66 kVⅡ母測控、主變低壓側測控裝置及主變故障錄波器均無影響。

4.2.3 對其他保護裝置的影響分析

主變低壓側空載、投入一組低抗或三組低抗運行時，分別對66 kV 電抗器及66 kV 站用變、66 kV聯絡變和SVG 保護的影響進行分析，經分析可知，主變低壓側不平衡電壓對66 kV 電抗器、66 kV 站用變、66 kV 聯絡變及SVG 保護運行均無影響。

5 三相電壓不平衡對系統運行的影響

5.1 對一次系統運行的影響分析

主變低壓側帶不同感性負載運行時，三相電流幅值見表9。其中SVG 運行在最大感性負載，為理論計算值，其余數據為實測值。

表9 主變低壓側帶感性負載時的三相電流Table 9 Three-phase current with inductive load at lowvoltage side of main transformer

由表9 可知，主變低壓側帶一組及多組電抗器或SVG 時，低壓側環流（3I0）最大不超過10 A，遠小于主變低壓側額定電流，故主變可以持續運行。

主變低壓側帶不同容性負載時，三相電流幅值見表10。其中SVG 運行在最大容性負載，均為理論計算值。

表10 主變低壓側帶容性負載時的三相電流Table 10 Three phase current with capacitive load at low voltage side of main transformer

由表10 可知，主變低壓側帶一組及多組電容器或SVG 時，低壓側環流最大不超過10 A，遠小于主變低壓側額定電流，可以持續運行。

5.2 對SVG運行的影響

由于SVG 為三角型接線方式（相電壓等于線電壓），再通過聯絡變壓器接入主變66 kV 側母線，雖然66 kV 母線三相相電壓存在不平衡情況，但主變66 kV 母線線電壓不存在不平衡問題，因此SVG 的運行電壓不會受到66 kV 母線三相相電壓不平衡現象的影響。

5.3 對二次系統運行的影響

主變低壓側空載或投入一組低抗時，主變低壓側母線三相電壓不平衡，會產生一定負序電壓和零序電壓，根據現場實測數據和計算的零負序電壓分析，對主變、66 kV 母線、66 kV 電抗器、66 kV 站用變、66 kV 聯絡變及SVG 等相關保護運行無影響。

6 結語

1）66 kVⅡ母電壓互感器試驗、檢測數據正常，可以排除電壓互感器異常情況。C 相變壓器與A、B兩相變壓器各繞組等效電容存在明顯差異，三相參數不平衡。低壓側三相參數不平衡可以引起三相電壓不平衡，仿真結果與現場監測趨勢一致。同時會在主變低壓側會產生一定的環流，但數值較?。ㄐ∮?0 A），不影響主變正常運行。主變低壓側母線三相電壓不平衡不會影響主變、66 kV 母線、66 kV電抗器、66 kV 站用變、66 kV 聯絡變及SVG 的正常運行。

2）主變低壓側空載或投入一組低抗時，電壓不平衡電壓會造成66 kVⅡ母測控及主變低壓側測控裝置發“PT 斷線”告警信號，同時啟動主變故障錄波器。主變低壓側投入三組低抗時，對66 kVⅡ母測控、主變低壓側測控裝置及主變故障錄波器均無影響。結合現場運行情況，上述運行方式時的不平衡電壓對設備運行無影響。

3）結合現場實測情況，主變低壓側三相電壓不平衡，會產生一定的環流，應加強主變電壓、電流及溫升情況的監測，應注意對地電壓最高值不應超過低壓側電容式電壓互感器允許最高運行電壓。