某750 kV 单相自耦变压器低压侧三相电压不平衡问题分析计算

张立成，杨利民，颉雅迪，李山，郑义

（1.国网新疆电力有限公司，乌鲁木齐 830011；2.国网新疆电科院，乌鲁木齐 830011）

0 引言

我国社会经济飞速发展，电网结构也复杂多样，尤其是特高压交直流混联输电、柔性直流等新技术的应用，对电网的要求也越来越高[1-6]。在交流系统中，三相电压平衡是电网安全稳定运行的基本要求，近年来，三相电压不平衡问题频繁出现，威胁着电力系统的安全稳定运行[7-10]。

国内外学者对三相电压不平衡问题做了大量研究，文献[11-12]通过PSCAD 对三相电压不平衡现象进行了仿真分析，通过配置补偿电容可有效解决三相电压不平衡问题。文献[13-14]分析了柴达木换流站750 kV 主变在投运过程中低压侧对地电压不平衡问题，得出主变三相入口对地等效电容量的不平衡是引起三相电压不平衡的主要原因。文献[15]指出电流互感器的加装不当也会引起三相参数不平衡的现象。目前三相电压不平衡主要是由对地等效电容不平衡引起的，但电压不平衡对二次设备的影响分析较少[16-21]。

本文基于750 kV 变电站实际运行工况，采用EMTPE，研究750 kV 主变投运过程中66 kV 侧三相电压不平衡产生的原因，分析三相电压不平衡对二次设备造成的影响，结合一次和二次方面的分析，提出合理的解决措施。该研究结果对超高压大容量输变电系统主变的投运具有重要参考价值。

1 电压不平衡特性分析

1.1 变压器低压侧负载电容不平衡的影响

变压器正常运行时，各相低压侧绕组电压幅值相等，相位相差120°，简化后的系统接线图和电压相量图分别如图1 和图2 所示。

图1 主变低压侧三角形接线图Fig.1 Triangular wiring diagram at low voltage side of main transformer

图2 主变低压侧电压相量图Fig.2 Voltage phasor diagram at low voltage side of main transformer

图1 中：UA、UB、UC表示三相电压；CA、CB、CC表示三相对地电容量。图2 中：A、B、C 分别为绕组的引出端点；O 为虚拟电压中性点；G 为接地点。

三角形接线中，相对地电压及电容量由对地电容确定[20-22]，各相流向大地的电流和为0，表达式为

式（1）和式（2）中：IA、IB、IC分别为三相电流；ω为角速度。

三相对地电压UGA、UGB、UGC与三相对中性点的电压UOG关系为

将式（3）代入式（2）可得

式中，UOA+UOB+UOC=0。

由式（4）可知，当变压器三相对地电容CA=CB=CC时，UOG=0，中性点与接地点G 重合，三相对地电压平衡；当三相对地电容不相等时，UOG≠0，此时三相对地电压不平衡。

1.2 变压器绕组电容不平衡的影响

交流系统中绝缘介质可等效为一个纯电阻和纯电容组成的等值电路，但介质中的绝缘电阻很大，可以等效为一个纯电容别的等值电路[23-24]。变压器一般由2 个及以上的绕组组成，各绕组间、绕组与地之间都有绝缘[25-30]。750 kV 自耦变压器等效电路图见图3。

图3 自耦变压器等值电路Fig.3 Equivalent circuit of auto transformer

图3 中：C1表示低压绕组对地等效电容；C2为高、中压绕组对低压等效电容；C3表示高压绕组对地等效电容。

750 kV 主变低压侧为三角形接线，可等效为星型不接地的接线方式，其等值电路图见图4。

图4 考虑主变低压侧各绕组间电容时的等值电路Fig.4 Equivalent circuit considering capacitance between each winding at low voltage side of main transformer

根据图4 列写方程：

式中，EA、EB、EC为变压器高压侧一次电动势。

由式（3）和式（5）可知，当B 相电容变化量为ΔCB时三相电容不平衡，此时三相对中性点的电压UOG为

通过上述分析可知，变压器负载电容和绕组电容不平衡都会引起主变低压侧三相电压不平衡的现象。

2 电压不平衡现象

某变电站750 kV 主变压器A、B 两相由同一厂家生产，型号为ODFPS-500000/750，C 相由另一厂家生产，其型号为ODFPS-500000/750。二次人员在主变压器送电过程中发现750 kV 侧和220 kV 侧电压测量正常，66 kV 母线带电后三相对地电压不平衡，A、B、C 三相电压幅值分别为56.5 V、61.4 V、54.1 V（一次相电压分别为A 相37.356 kV、B 相40.59 kV、C 相35.838 kV，B、C 两相电压差为4.75 kV），主变各侧电压见表1。

表1 主变三侧电压的幅值和角度（实测值）Table 1 Amplitude and angle of voltage at tertiary sides of main transformer（actually measured value）

主变低压侧66 kV 母线三相电压不平衡，B 相电压偏高可能是66 kVⅡ母PT 出现异常和66 kV侧三相参数不平衡。现场对66 kVⅡ母电压互感器进行了各种检查，发现三相PT 接线紧固，尾端接地良好，可以排除电压互感器异常的情况。

3 66 kV侧三相电压不平衡对一次设备影响分析

3.1 参数计算

主变A、B、C 三相由不同厂家生产，不同厂家生产的变压器在设计和结构上可能存在差异，出现变压器三相参数的电容量不对称的现象，通过比较两厂家提供的各项数据，发现C 相与A、B 两相相比存在较大差异，绕组实测电容量差异较大，主变电容量的出厂实测值见表2。

表2 主变电容量出厂实测值参数Table 2 Actually measured value parameters of main transformer capacitance at delivery

根据表2 提供的变压器电容量测试值，可以推算出三相变压器各绕组的等效电容，这些电容三相之间存在显著差异，主变电容量的等效电容见表3。

表3 主变电容量换算值参数Table 3 Conversion value parameter of main transformer capacitance

根据现场实际运行情况，利用EMTPE 建立仿真模型，根据电磁暂态计算程序的要求，对主变系统网络进行简化，简化后的系统接线见图5。

图5 系统接线图Fig.5 System wiring diagram

3.2 主变低压侧三相电压不平衡仿真分析

利用EMTPE 电磁暂态仿真软件建立模型，对66 kV 侧母线电压不平衡现象进行仿真分析，当主变低压侧空载、分别投入一组低抗、低容和SVG 时的仿真计算结果分别见图6 和表4。

图6 主变低压侧A、B、C三相电压仿真波形Fig.6 Voltage simulation waveform of phase A，B and C at low-voltage side of main transformer

由图6 和表4 的仿真计算结果可知，主变低压侧带一组电抗器时，电压较空载时有所降低，带一组电容器时，电压较空载时有所升高。主变空载和低压侧带负载时，电压不平衡现象主要体现在低压侧对地电压。主变空载时，低压侧对地电压最大差值为4.8 kV；带一组电抗器时，低压侧对地电压最大差值为4.4 kV；带一组电容器时，低压侧对地电压最大差值为4.9 kV；带SVG（感性最大时），低压侧对地电压最大差值为4.8 kV；带SVG（容性最大时），低压侧对地电压最大差值为5.5 kV。B 相电压偏高，A、B、C 三相电压分布趋势与变电站现场实测数据大体一致，进一步验证了仿真模型的正确性。

4 66 kV侧三相电压不平衡对二次设备的影响分析

4.1 系统实际运行中的三相电压不平衡现象

主变送电过程中750 kV 侧和220 kV 侧电压测量正常，66 kV 侧母线在空载和投入1 组低抗时出现三相母线对地电压不平衡的问题，实测二次电压值见表5。低压侧空载时，A、B、C 三相对地电压分别为56.52 V、61.38 V、54.10 V，外接零序电压为7.17 V。投入1 组低抗时，A、B、C 三相对地电压分别为55.00 V、59.83 V、52.64 V，外接零序电压为6.92 V。投入3 组低抗时，A、B、C 三相对地电压分别为52.99 V、56.91 V、51.47 V，外接零序电压为5.34 V。

表5 主变低压侧不同负载时三相电压（实测值）Table 5 Three phase voltage（actually measured value）at different loads at low voltage side of main transformer

根据主变低压侧不同负载时实测三相电压数据分别计算低压侧负序电压U2和自产零序电压3U0。当低压侧空载时，主变低压侧负序电压U2为0.175 V，自产零序电压3U0为12.51 V。当低压侧投入1 组低抗时，主变低压侧负序电压U2为0.195 V，自产零序电压3U0为12.24 V。当低压侧投入3 组低抗时，主变低压侧负序电压U2为0.167 V，自产零序电压3U0为9.32 V，具体计算数值如表6 所示。

表6 主变低压侧不同负载时负序电压和自产零序电压Table 6 Negative sequence voltage and self-produced zero sequence voltage under different loads at low voltage side of main transformer

4.2 三相电压不平衡对相关二次设备的影响

根据现场实测的二次电压和计算的零负序电压，分析三相对地不平衡电压对相关二次设备的影响。

4.2.1 对母线、主变和电容器的影响

当主变低压侧空载、投入1 组低抗或3 组低抗运行时，分析三相电压不平衡对66 kV 母线保护、主变保护和66 kV 电容器保护功能及告警信号的影响，其结果如表7 所示。

表7 三相电压不平衡对母线、主变和电容器的影响Table 7 The influence of three-phase voltage imbalance on the busbar，main transformer and capacitor

由表7 的结果可知，主变低压侧空载、投入一组低抗或三组低抗运行时，各二次设备保护装置均不会发“PT 断线”告警信号，主变低压侧不平衡电压对66 kVⅡ母母线保护装置运行、主变保护装置运行和66 kV 电容器保护装置的运行无影响。

4.2.2 对测控及录波装置的影响

当主变低压侧空载、投入一组低抗或三组低抗运行时，分析三相电压不平衡对66 kVⅡ母测控装置、主变低压侧测控装置和主变故障录波器的影响分析录波装置的影响，其结果见表8。

表8 三相电压不平衡对测控及录波装置的影响Table 8 Influence of three-phase voltage imbalance on measurement，control and wave recording device

结合表8 的分析结果可知主变低压侧空载或投入一组低抗时，主变低压侧不平衡电压会造成66 kVⅡ母测控及主变低压侧测控装置发“PT 断线”告警信号，同时可能会启动主变故障录波器。主变低压侧投入三组低抗时，对66 kVⅡ母测控、主变低压侧测控装置及主变故障录波器均无影响。

4.2.3 对其他保护装置的影响分析

主变低压侧空载、投入一组低抗或三组低抗运行时，分别对66 kV 电抗器及66 kV 站用变、66 kV联络变和SVG 保护的影响进行分析，经分析可知，主变低压侧不平衡电压对66 kV 电抗器、66 kV 站用变、66 kV 联络变及SVG 保护运行均无影响。

5 三相电压不平衡对系统运行的影响

5.1 对一次系统运行的影响分析

主变低压侧带不同感性负载运行时，三相电流幅值见表9。其中SVG 运行在最大感性负载，为理论计算值，其余数据为实测值。

表9 主变低压侧带感性负载时的三相电流Table 9 Three-phase current with inductive load at lowvoltage side of main transformer

由表9 可知，主变低压侧带一组及多组电抗器或SVG 时，低压侧环流（3I0）最大不超过10 A，远小于主变低压侧额定电流，故主变可以持续运行。

主变低压侧带不同容性负载时，三相电流幅值见表10。其中SVG 运行在最大容性负载，均为理论计算值。

表10 主变低压侧带容性负载时的三相电流Table 10 Three phase current with capacitive load at low voltage side of main transformer

由表10 可知，主变低压侧带一组及多组电容器或SVG 时，低压侧环流最大不超过10 A，远小于主变低压侧额定电流，可以持续运行。

5.2 对SVG运行的影响

由于SVG 为三角型接线方式（相电压等于线电压），再通过联络变压器接入主变66 kV 侧母线，虽然66 kV 母线三相相电压存在不平衡情况，但主变66 kV 母线线电压不存在不平衡问题，因此SVG 的运行电压不会受到66 kV 母线三相相电压不平衡现象的影响。

5.3 对二次系统运行的影响

主变低压侧空载或投入一组低抗时，主变低压侧母线三相电压不平衡，会产生一定负序电压和零序电压，根据现场实测数据和计算的零负序电压分析，对主变、66 kV 母线、66 kV 电抗器、66 kV 站用变、66 kV 联络变及SVG 等相关保护运行无影响。

6 结语

1）66 kVⅡ母电压互感器试验、检测数据正常，可以排除电压互感器异常情况。C 相变压器与A、B两相变压器各绕组等效电容存在明显差异，三相参数不平衡。低压侧三相参数不平衡可以引起三相电压不平衡，仿真结果与现场监测趋势一致。同时会在主变低压侧会产生一定的环流，但数值较小（小于10 A），不影响主变正常运行。主变低压侧母线三相电压不平衡不会影响主变、66 kV 母线、66 kV电抗器、66 kV 站用变、66 kV 联络变及SVG 的正常运行。

2）主变低压侧空载或投入一组低抗时，电压不平衡电压会造成66 kVⅡ母测控及主变低压侧测控装置发“PT 断线”告警信号，同时启动主变故障录波器。主变低压侧投入三组低抗时，对66 kVⅡ母测控、主变低压侧测控装置及主变故障录波器均无影响。结合现场运行情况，上述运行方式时的不平衡电压对设备运行无影响。

3）结合现场实测情况，主变低压侧三相电压不平衡，会产生一定的环流，应加强主变电压、电流及温升情况的监测，应注意对地电压最高值不应超过低压侧电容式电压互感器允许最高运行电压。