典型移相變壓器差動保護配置對比分析

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，改變設備安裝點電壓的幅值與相位，從而控制輸電線路穩態潮流和電壓[1]。隨著電力系統的發展，電網結構日趨復雜，已成為包含多種類型電源、多種類型負荷、不同電壓等級設備、交直流混聯的龐大系統，這對電網的可靠經濟運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，能避免過負荷和欠負荷情況，提高現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的動態和暫態穩定性能，提高系統的電壓穩定性等[3]。在國外超高壓電網中已得到廣泛應用。 目前在利用移相變壓器解決系統暫態和動態方面，如提高暫態穩定性，減輕導致聯絡線失步的穿越潮流，抑制故障后線路功率突增所造成的開關過負荷及阻尼振蕩，已有相關研究[4]。但我國尚未大規模采用移相變壓器技術，對其本體保護的研究也較少。從移相變壓器的結構出發，給出不同移相變壓器的差動保護配置方案，并通過RTDS仿真分析各差動保護的保護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，一次結構復雜多樣，因此二次保護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

移相變壓器的結構、控制方式上雖然有很大差別，但其調節線路潮流的原理是一致的。其基本原理是對輸入電壓注入一個與之成一定角度的電壓分量，使輸出電壓相角發生偏移[5]。在變壓器的一次側(電源)和二次側（負荷）之間產生一個相位移，從而達到控制潮流的目的。

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

式中：PSL為節點 S 流向節點 L 的有功功率；US，UL，δS，δL分別為節點S和節點L的母線電壓幅值和相位；XSL為聯絡線路的等效電抗值。可見，線路上傳輸的有功功率主要由節點電壓、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的功率。

圖1 安裝移相變壓器前的傳輸功率

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

1.2 非對稱型和對稱型

從補償后的電氣特性來看，移相變壓器可分為非對稱型和對稱型2種。

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

圖2 非對稱型移相變壓器

對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。勵磁繞組E1電壓取自2個串聯繞組B1和B2的中間位置（如圖3所示）。

圖3 對稱型移相變壓器

1.3 單芯和雙芯

從一次結構上看，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臺三相變壓器，用適當的接線方式實現移相。串聯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或完成某項任務的人物；客體是所追求的目的；發送者既可能是一個人，又可能是引發主角行動的抽象力量；獲得對象的則稱為接受者；幫助者是對主體起促進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臺獨立變壓器，1臺并聯變壓器（ET）用于調節從系統中抽取電壓的大小。另1臺串聯變壓器（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 連續控制型和分級控制型

從調壓方式上看，移相變壓器可分為連續控制型和分級控制型2種。

連續控制移相變壓器通過調節同一繞組的分接頭等方式實現補償電壓幅值的連續調節（如圖6所示）。

圖6 連續控制移相變壓器

分級控制型移相變壓器的調壓方式是將變壓器副邊繞組分成n個級差繞組 （每個繞組的匝比根據需求可以相同或不同），通過控制系統控制投入不同的繞組，使輸入電壓逐級變化，從而離散的改變補償電壓大小（如圖7所示）。

圖7 分級控制移相變壓器

2 移相變差動保護基本類型

應用于移相變壓器的差動保護主要有2種不同的基本原理。在此基礎上，不同的一次接線和電壓互感器（TA）配置產生了不同的差動保護配置方案。

2.1 磁平衡差動

磁平衡也叫做磁通平衡或安匝平衡，是普通變壓器差動保護的理論基礎。對于Y/Y接線兩圈變，其差流計算公式為：

式中：Id為差流分別為2圈變2個繞組的一次電流；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個或2個變壓器組成，每個變壓器都可構成一個磁平衡差動模型，從而反映變壓器內部故障。由于匝間故障破壞了磁通的平衡，因此磁平衡差動可以反映匝間故障。

2.2 電平衡差動

電平衡差動是基于基爾霍夫第一定律的差動保護。對于T接的導線，其差流計算公式為：

2.3 不同類型移相變壓器的差動配置原則

移相變壓器的差動保護配置與其一次結構關系非常緊密，不同類型的移相變壓器需配置不同形式的差動保護。對稱型和不對稱型的移相變壓器區別在于勵磁電壓選取位置不同。此外非對稱型串聯繞組只有1個，對稱型串聯繞組有2個。二者區別不大，對稱型由于有2個繞組，保護實現略微復雜。

單芯移相變壓器和雙芯移相變壓器在結構上有本質不同。單芯移相變壓器只有1個變壓器，因此只配置1個磁平衡原理差動保護。雙芯移相變壓器由2個變壓器組成，可以根據條件配置2個磁平衡差動保護。由于接線方式不同，二者都可以配置電平衡原理差動，但電平衡差動保護的保護范圍并不一樣。單芯移相變壓器根據TA安裝位置，可保護變壓器的原邊或同時保護變壓器的原副邊；雙芯移相變壓器一般可保護串聯變的一次繞組和并聯變的一次繞組。

連續控制型和分級控制型移相變壓器主要差別在磁平衡差動保護。連續控制型移相變壓器中的并聯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保護。而分級控制型移相變壓器每個繞組的匝數是固定的，如每個繞組均安裝有TA，可對并聯變壓器配置磁平衡差動保護。

3 差動保護配置方案

差動保護配置同移相變壓器一次結構和TA配置都有密切相關。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種類型進行配置。下面的分析基于典型的TA配置，根據應用場合、制造工藝、生產廠家的不同，TA安裝的位置和數量會有所差別，對應的保護配置及保護范圍也需進行相應調整。

3.1 單芯對稱型移相變壓器

單芯對稱型移相變壓器為比較常見的移相變壓器，結構簡單，造價相對較低，其接線方式如圖8所示。

圖8 單芯對稱移相變壓器接線

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

3.2 雙芯不對稱連續控制型移相變壓器

雙芯不稱型連續控制移相變壓器具備雙芯移相變壓器的優點，同時調壓方式相對簡單，無需復雜的控制回路，其接線方式如圖9所示。

圖9 雙芯不對稱連續控制移相變壓器接線

由于電壓連續控制，只有串聯變配置了磁平衡差動保護，其保護原理和Y/D接線的兩圈變類似。同時配置電平衡差動，保護2個變壓器的一次繞組，差動保護配置[6]如表1所示。

3.3 雙芯對稱分級控制型移相變壓器

雙芯對稱分級控制型移相變壓器結構復雜，需要獨立的控制系統進行電壓調節，其結構如圖10所示。

表1 雙芯不對稱連續控制移相變壓器差動配置

圖10 雙芯對稱分級控制型移相變壓器接線

雙芯對稱分級控制型移相變壓器中的串聯變和并聯變均可配置獨立的磁平衡差動保護。并聯變壓器保護原理同Y/Y/Y接線的變壓器類似，串聯變壓器保護原理同Y/Y/D接線的變壓器類似。此外還可配置電平衡差動，用于保護兩個變壓器的一次繞組，差動保護配置如表2所示。

表2 雙芯對稱分級控制移相變壓器差動配置

4 仿真分析

以最復雜的雙芯對稱分級控制型移相變壓器為研究對象建立RTDS仿真模型，分析不同差動的保護范圍和動作特性。

線路首端TA1區內發生A相接地故障，電平衡差動和串聯變磁平衡差動均可反映該故障，波形如圖11所示。

并聯變壓器繞組E2發生100%匝間故障，并聯變磁平衡差動可反映該故障，波形如圖12所示。

串聯變繞組B3發生15%匝間故障，串聯變磁平衡差動可反映該故障，波形如圖13所示。

圖11 線路首端故障時各差動差流波形

圖12 并聯變繞組E2匝間故障時各差動差流波形

圖13 串聯變繞組B3匝間故障時各差動差流波形

從以上波形可看出，3個差動有各自的保護范圍，并且反映不同的故障類型。各差動相互配合，共同構成了完整的移相變壓器差動保護。

5 結束語

從保護角度出發，對移相變壓器進行了分類研究，提出了典型移相變壓器的差動保護配置方案。通過理論分析和仿真實驗驗證了各差動保護范圍和配合關系。需要指出的是，根據不同工程應用，TA配置會有所不同，因此各保護的實際保護范圍可能會有所變化。同時文中討論范圍之外的一些特殊接線的移相變壓器，由于其結構通常非常復雜，還有待進一步研究。

[1]鄭 彬，項祖濤，班練庚，等.特高壓靜止移相變壓器應用的電磁暫態研究[C]//第四屆電能質量及柔性輸電技術研討會.呼和浩特，2012：445-449.

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[3]趙學強，郭明星.華東電網安裝移相變壓器的研究[J].華東電力，2006，34(11)：34-37.

[4]于弘洋，周 飛，楊增輝.可控移相變壓器主電路參數設計及穩態特性分析[J].中國電力，2013，46(11)：36-41.

[5]趙學強.采用移相變壓器技術提高華東500 kV電網輸送能力的研究[C]//上海市電機工程學會2006年學術年會.鄭州，2006：103-106.

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[7]袁宇波，李 鵬，黃浩聲.變壓器差動保護誤動原因分析及對策綜述[J].江蘇電機工程，2013，32(6)：8-11.作者簡介：

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

顧喬根(1986)，男，江蘇南通人，工程師，從事電力系統繼電保護研發工作；

文繼鋒(1978)，男，江西萍鄉人，高級工程師，從事電力系統繼電保護研發工作；

莫品豪(1985)，男，廣西貴港人，工程師，從事電力系統繼電保護研發工作；

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