張曉宇,顧喬根，文繼鋒，莫品豪，鄭 超

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

移相變壓器通過向輸電線路中串入橫向或縱向的電壓，改變?cè)O(shè)備安裝點(diǎn)電壓的幅值與相位，從而控制輸電線路穩(wěn)態(tài)潮流和電壓[1]。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，已成為包含多種類型電源、多種類型負(fù)荷、不同電壓等級(jí)設(shè)備、交直流混聯(lián)的龐大系統(tǒng)，這對(duì)電網(wǎng)的可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出了更高的要求[2]。移相變壓器作為一種控制輸電潮流的有效手段，能避免過負(fù)荷和欠負(fù)荷情況，提高現(xiàn)有輸電線路的輸送容量，降低輸電成本。新型移相變壓器還能提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性能，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性等[3]。在國外超高壓電網(wǎng)中已得到廣泛應(yīng)用。 目前在利用移相變壓器解決系統(tǒng)暫態(tài)和動(dòng)態(tài)方面，如提高暫態(tài)穩(wěn)定性，減輕導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線失步的穿越潮流，抑制故障后線路功率突增所造成的開關(guān)過負(fù)荷及阻尼振蕩，已有相關(guān)研究[4]。但我國尚未大規(guī)模采用移相變壓器技術(shù)，對(duì)其本體保護(hù)的研究也較少。從移相變壓器的結(jié)構(gòu)出發(fā)，給出不同移相變壓器的差動(dòng)保護(hù)配置方案，并通過RTDS仿真分析各差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍和反映的故障類型。

1 移相變壓器的基本接線形式

移相變壓器種類繁多，一次結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，因此二次保護(hù)配置也需隨一次接線方式的不同而有所不同。

1.1 移相變壓器基本原理

移相變壓器的結(jié)構(gòu)、控制方式上雖然有很大差別，但其調(diào)節(jié)線路潮流的原理是一致的。其基本原理是對(duì)輸入電壓注入一個(gè)與之成一定角度的電壓分量，使輸出電壓相角發(fā)生偏移[5]。在變壓器的一次側(cè)(電源)和二次側(cè)（負(fù)荷）之間產(chǎn)生一個(gè)相位移，從而達(dá)到控制潮流的目的。

對(duì)于連接兩端交流系統(tǒng)的輸電線路 （如圖1所示），其傳輸功率的大小可用下式來表示[4]：

式中：PSL為節(jié)點(diǎn) S 流向節(jié)點(diǎn) L 的有功功率；US，UL，δS，δL分別為節(jié)點(diǎn)S和節(jié)點(diǎn)L的母線電壓幅值和相位；XSL為聯(lián)絡(luò)線路的等效電抗值?？梢?，線路上傳輸?shù)挠泄β手饕晒?jié)點(diǎn)電壓、相角和線路阻抗決定，通過控制輸電線路的電壓、阻抗以及相角就可以改變線路傳輸?shù)墓β省?/p>

圖1 安裝移相變壓器前的傳輸功率

式中：U'S為移相變壓器補(bǔ)償后的電壓；Δδ為移相變壓器補(bǔ)償相角。移相變壓器的補(bǔ)償電壓改變了線路電壓的幅值和相角，以此調(diào)節(jié)線路潮流。

1.2 非對(duì)稱型和對(duì)稱型

從補(bǔ)償后的電氣特性來看，移相變壓器可分為非對(duì)稱型和對(duì)稱型2種。

非對(duì)稱型移相變壓器的輸出電壓與輸入電壓相比，相角和幅值均發(fā)生變化。勵(lì)磁繞組E1的電壓取自串聯(lián)繞組B的一側(cè)（如圖2所示）。

圖2 非對(duì)稱型移相變壓器

對(duì)稱型移相變壓器的輸出電壓與輸入電壓相比，僅相角改變，幅值不變。勵(lì)磁繞組E1電壓取自2個(gè)串聯(lián)繞組B1和B2的中間位置（如圖3所示）。

圖3 對(duì)稱型移相變壓器

1.3 單芯和雙芯

從一次結(jié)構(gòu)上看，移相變壓器可分為單芯和雙芯2種類型。

單芯移相變壓器是基于1臺(tái)三相變壓器，用適當(dāng)?shù)慕泳€方式實(shí)現(xiàn)移相。串聯(lián)繞組的副邊和線路直接連接（如圖4所示）。

簡單地說，主體是故事中追求某種目標(biāo)或完成某項(xiàng)任務(wù)的人物；客體是所追求的目的；發(fā)送者既可能是一個(gè)人，又可能是引發(fā)主角行動(dòng)的抽象力量；獲得對(duì)象的則稱為接受者；幫助者是對(duì)主體起促進(jìn)作用的人或抽象事物；阻礙者則起阻礙作用。

圖4 單芯移相變壓器

雙芯移相變壓器基于2臺(tái)獨(dú)立變壓器，1臺(tái)并聯(lián)變壓器（ET）用于調(diào)節(jié)從系統(tǒng)中抽取電壓的大小。另1臺(tái)串聯(lián)變壓器（BT）用于將該電壓注入線路中（如圖5所示）。

圖5 雙芯移相變壓器

1.4 連續(xù)控制型和分級(jí)控制型

從調(diào)壓方式上看，移相變壓器可分為連續(xù)控制型和分級(jí)控制型2種。

連續(xù)控制移相變壓器通過調(diào)節(jié)同一繞組的分接頭等方式實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電壓幅值的連續(xù)調(diào)節(jié)（如圖6所示）。

圖6 連續(xù)控制移相變壓器

分級(jí)控制型移相變壓器的調(diào)壓方式是將變壓器副邊繞組分成n個(gè)級(jí)差繞組 （每個(gè)繞組的匝比根據(jù)需求可以相同或不同），通過控制系統(tǒng)控制投入不同的繞組，使輸入電壓逐級(jí)變化，從而離散的改變補(bǔ)償電壓大?。ㄈ鐖D7所示）。

圖7 分級(jí)控制移相變壓器

2 移相變差動(dòng)保護(hù)基本類型

應(yīng)用于移相變壓器的差動(dòng)保護(hù)主要有2種不同的基本原理。在此基礎(chǔ)上，不同的一次接線和電壓互感器（TA）配置產(chǎn)生了不同的差動(dòng)保護(hù)配置方案。

2.1 磁平衡差動(dòng)

磁平衡也叫做磁通平衡或安匝平衡，是普通變壓器差動(dòng)保護(hù)的理論基礎(chǔ)。對(duì)于Y/Y接線兩圈變，其差流計(jì)算公式為：

式中：Id為差流分別為2圈變2個(gè)繞組的一次電流；K為變壓器的匝比即原副邊的額定電壓比。移相變壓器通常由1個(gè)或2個(gè)變壓器組成，每個(gè)變壓器都可構(gòu)成一個(gè)磁平衡差動(dòng)模型，從而反映變壓器內(nèi)部故障。由于匝間故障破壞了磁通的平衡，因此磁平衡差動(dòng)可以反映匝間故障。

2.2 電平衡差動(dòng)

電平衡差動(dòng)是基于基爾霍夫第一定律的差動(dòng)保護(hù)。對(duì)于T接的導(dǎo)線，其差流計(jì)算公式為：

2.3 不同類型移相變壓器的差動(dòng)配置原則

移相變壓器的差動(dòng)保護(hù)配置與其一次結(jié)構(gòu)關(guān)系非常緊密，不同類型的移相變壓器需配置不同形式的差動(dòng)保護(hù)。對(duì)稱型和不對(duì)稱型的移相變壓器區(qū)別在于勵(lì)磁電壓選取位置不同。此外非對(duì)稱型串聯(lián)繞組只有1個(gè)，對(duì)稱型串聯(lián)繞組有2個(gè)。二者區(qū)別不大，對(duì)稱型由于有2個(gè)繞組，保護(hù)實(shí)現(xiàn)略微復(fù)雜。

單芯移相變壓器和雙芯移相變壓器在結(jié)構(gòu)上有本質(zhì)不同。單芯移相變壓器只有1個(gè)變壓器，因此只配置1個(gè)磁平衡原理差動(dòng)保護(hù)。雙芯移相變壓器由2個(gè)變壓器組成，可以根據(jù)條件配置2個(gè)磁平衡差動(dòng)保護(hù)。由于接線方式不同，二者都可以配置電平衡原理差動(dòng)，但電平衡差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍并不一樣。單芯移相變壓器根據(jù)TA安裝位置，可保護(hù)變壓器的原邊或同時(shí)保護(hù)變壓器的原副邊；雙芯移相變壓器一般可保護(hù)串聯(lián)變的一次繞組和并聯(lián)變的一次繞組。

連續(xù)控制型和分級(jí)控制型移相變壓器主要差別在磁平衡差動(dòng)保護(hù)。連續(xù)控制型移相變壓器中的并聯(lián)變壓器由于其原副邊變比可變化幅度非常大，很難配置普通的變壓器差動(dòng)保護(hù)。而分級(jí)控制型移相變壓器每個(gè)繞組的匝數(shù)是固定的，如每個(gè)繞組均安裝有TA，可對(duì)并聯(lián)變壓器配置磁平衡差動(dòng)保護(hù)。

3 差動(dòng)保護(hù)配置方案

差動(dòng)保護(hù)配置同移相變壓器一次結(jié)構(gòu)和TA配置都有密切相關(guān)。下面以3種典型的移相變壓器為例，分析不同移相變壓器的保護(hù)配置。除接線特殊的移相變壓器外，其他類型的移相變壓器基本可參照此3種類型進(jìn)行配置。下面的分析基于典型的TA配置，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合、制造工藝、生產(chǎn)廠家的不同，TA安裝的位置和數(shù)量會(huì)有所差別，對(duì)應(yīng)的保護(hù)配置及保護(hù)范圍也需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

3.1 單芯對(duì)稱型移相變壓器

單芯對(duì)稱型移相變壓器為比較常見的移相變壓器，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)相對(duì)較低，其接線方式如圖8所示。

圖8 單芯對(duì)稱移相變壓器接線

單芯移相變壓器差動(dòng)保護(hù)配置簡單，一般只配置電平衡差動(dòng)，部分故障需要依靠后備保護(hù)及瓦斯保護(hù)反映，具體配置：使用 TA1、TA 2、TA 3；保護(hù)范圍為串聯(lián)繞組B1和B2及其之間引線。

3.2 雙芯不對(duì)稱連續(xù)控制型移相變壓器

雙芯不稱型連續(xù)控制移相變壓器具備雙芯移相變壓器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)調(diào)壓方式相對(duì)簡單，無需復(fù)雜的控制回路，其接線方式如圖9所示。

圖9 雙芯不對(duì)稱連續(xù)控制移相變壓器接線

由于電壓連續(xù)控制，只有串聯(lián)變配置了磁平衡差動(dòng)保護(hù)，其保護(hù)原理和Y/D接線的兩圈變類似。同時(shí)配置電平衡差動(dòng)，保護(hù)2個(gè)變壓器的一次繞組，差動(dòng)保護(hù)配置[6]如表1所示。

3.3 雙芯對(duì)稱分級(jí)控制型移相變壓器

雙芯對(duì)稱分級(jí)控制型移相變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要獨(dú)立的控制系統(tǒng)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

表1 雙芯不對(duì)稱連續(xù)控制移相變壓器差動(dòng)配置

圖10 雙芯對(duì)稱分級(jí)控制型移相變壓器接線

雙芯對(duì)稱分級(jí)控制型移相變壓器中的串聯(lián)變和并聯(lián)變均可配置獨(dú)立的磁平衡差動(dòng)保護(hù)。并聯(lián)變壓器保護(hù)原理同Y/Y/Y接線的變壓器類似，串聯(lián)變壓器保護(hù)原理同Y/Y/D接線的變壓器類似。此外還可配置電平衡差動(dòng)，用于保護(hù)兩個(gè)變壓器的一次繞組，差動(dòng)保護(hù)配置如表2所示。

表2 雙芯對(duì)稱分級(jí)控制移相變壓器差動(dòng)配置

4 仿真分析

以最復(fù)雜的雙芯對(duì)稱分級(jí)控制型移相變壓器為研究對(duì)象建立RTDS仿真模型，分析不同差動(dòng)的保護(hù)范圍和動(dòng)作特性。

線路首端TA1區(qū)內(nèi)發(fā)生A相接地故障，電平衡差動(dòng)和串聯(lián)變磁平衡差動(dòng)均可反映該故障，波形如圖11所示。

并聯(lián)變壓器繞組E2發(fā)生100%匝間故障，并聯(lián)變磁平衡差動(dòng)可反映該故障，波形如圖12所示。

串聯(lián)變繞組B3發(fā)生15%匝間故障，串聯(lián)變磁平衡差動(dòng)可反映該故障，波形如圖13所示。

圖11 線路首端故障時(shí)各差動(dòng)差流波形

圖12 并聯(lián)變繞組E2匝間故障時(shí)各差動(dòng)差流波形

圖13 串聯(lián)變繞組B3匝間故障時(shí)各差動(dòng)差流波形

從以上波形可看出，3個(gè)差動(dòng)有各自的保護(hù)范圍，并且反映不同的故障類型。各差動(dòng)相互配合，共同構(gòu)成了完整的移相變壓器差動(dòng)保護(hù)。

5 結(jié)束語

從保護(hù)角度出發(fā)，對(duì)移相變壓器進(jìn)行了分類研究，提出了典型移相變壓器的差動(dòng)保護(hù)配置方案。通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了各差動(dòng)保護(hù)范圍和配合關(guān)系。需要指出的是，根據(jù)不同工程應(yīng)用，TA配置會(huì)有所不同，因此各保護(hù)的實(shí)際保護(hù)范圍可能會(huì)有所變化。同時(shí)文中討論范圍之外的一些特殊接線的移相變壓器，由于其結(jié)構(gòu)通常非常復(fù)雜，還有待進(jìn)一步研究。

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張曉宇(1981)，男，吉林吉林市人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研發(fā)工作；

顧喬根(1986)，男，江蘇南通人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研發(fā)工作；

文繼鋒(1978)，男，江西萍鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研發(fā)工作；

莫品豪(1985)，男，廣西貴港人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研發(fā)工作；

鄭 超(1987)，男，黑龍江綏化人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研發(fā)工作。