三繞組主變壓器作為雙繞組變運行的問題研究

摘 要：文章針對昆明供電局110kV呈貢變更換下來的110kV三繞組變壓器搬遷至怒江110kV茨開變按裝繞組變運行所遇到的設計問題進行討論分析。

關鍵詞：主變壓器；靜電感應；電磁感應；過電壓

1 概述

由于負荷的發展，昆明供電局110kV呈貢變電站原有31.5MVA三相三繞組主變壓器已不能滿足變電站運行的要求，需更換容量更大的變壓器。為了在全生命周期內對該設備進行有效的利用，將其搬遷至怒江110kV茨開變電站作為#2主變壓器作為110kV/雙繞組變壓器使用。這種運行方式除了變壓器低壓繞組Y/△相角差問題導致該變壓器和變電站原有變壓器不能夠并列運行外，變壓器懸空的10kV繞組面還臨著嚴峻的過電壓問題。對于前者可以通過調整運行方式解決，但對于后者處理不當將會給變電站設備的安全運行帶來風險。

2 主要面臨的問題

由于變壓器10kV△繞組未接外部電路，因此沒有外部電路傳入的雷電及操作過電壓的風險，主要過電壓風險來自中高壓側所接外部電路侵入傳遞過來的工頻、雷電及操作過電壓。

2.1 高壓繞組的波過程

如圖1所示每相變壓器繞組等值電路由繞組電感L0，匝間電容K0及繞組對地電容C0串并聯組成。當雷電波侵入瞬間由于電感作用電壓不能突變，因此可忽略電感L0的影響。瞬時的繞組等值電路可簡化為圖2所示。

圖1 變壓器繞組等值電路

圖2 雷電波侵入瞬間繞組等值電路

由圖2可知進波瞬間，繞組等值電路為梯形電路，繞組上的電壓分布按圖3、圖4中曲線1所示。隨著時間發展暫態過程向著穩態發展，此時電容相當于開路，電感L0相當于短路（圖3中曲線2），由于侵入過電壓波所帶能量的原因，圖3中曲線1-曲線2-曲線3的過渡是一個L-C-K震蕩的過程。

由于變壓器高壓側按規程是設置有避雷器的，過電壓波侵入高壓繞組前已經避雷器放電，因此U0這里也可理解為避雷器殘壓。

2.2 雷電波對低壓繞組的影響

雷電波從高壓側侵入并向低壓側繞組傳播是兩個過程共同作用的結果：一個通過電磁感應傳播，另一個通過靜電感應傳播。

2.2.1 電磁感應對低壓繞組的影響。當雷電波侵入變壓器高壓繞組后，在高（中）壓產生相應的電流電壓，是一個震蕩并逐步衰減的過程，在鐵芯中產生磁通，并在低壓繞組中感應相應的電壓。高低壓側電壓和繞組變比n成正比。考慮到侵入雷電波在高壓繞組的震蕩過程，實際通過電磁傳遞的到低壓繞組的電壓要高一些。

2.2.2 靜電感應對低壓繞組的影響。如圖4所示，由于繞組間存在靜電電容耦合，傳遞至低壓繞組的靜電感應分量和穩定繞組原有正序電壓相疊加，使繞組三相電位同時抬高，其大小是由高、低（中、低）壓繞組間電容C12和低壓繞組側對地電容C2決定的，即u2=，由于本工程低壓繞組不接任何負荷，僅有低壓繞組對地電容C2，其對地電容很小，雷電波的靜電分量可達到一個很高的數值。

2.3 工頻過電壓對低壓繞組的影響

當變壓器高、中壓側發生不對稱接地故障、斷路器非全相或不同期動作時，可能出現零序電壓u0，也可以通過變壓器繞組間電容耦合的方式傳遞至低壓繞組，與原有正序電壓相疊加。和雷電波的靜電分量傳遞現象一樣，△繞組側傳遞電壓U2也是由其與高、中壓繞組間電容C12和低壓繞組對地電容C0決定。

3 低壓繞組的過電壓保護措施

圖4 高、低壓繞組間靜電感應電路

從有關的國標、行標準可以查到以下措施：

從表1可以看出，本工程的低壓繞組可有三種過電壓保護方式：（1）低壓繞組單相接地。采用單相接地作為低壓繞組過電壓保護方式，將△繞組的一端固定在地電位，其他兩相對地電壓也就固定在了p.u的電位上，因此對于低壓△繞組本身而言將感應過電壓的危險降到了最低的程度。但是△繞組單相接地后，其他兩相電壓升高了倍，相當于其虛擬中性點“漂移”了6.062kV，這個“漂移”同樣也會通過靜電感應形式傳遞到35kV繞組。由于目前變電站35kV側僅有3回架空，其對地電容較小，低壓側傳遞過來的工頻電壓將會使變電站35kV系統產生明顯的不平衡電壓，可能超過國家標準對于電壓偏差小于2%的規定。

（2）在低壓繞組三相出線套管外安裝避雷器。由于110kV茨開變電站35kV采用架空出線，發生單相接地的可能性較高。當故障發生時，35kV系統將產生20.2kV的不平衡工頻電壓，并通過靜電感應傳遞到低壓繞組，使Y5W-17/45動作。中性點非直接接地系統單相接地可帶故障運行2小時的長時間，將可能導致Y5W-17/45避雷器的閥片過熱而發生爆炸。

（3）在低壓繞組三相出線套管外安裝>25m金屬外皮電纜。由于電纜的電容量較高，低壓繞組接電纜后將會導致其對地電容的大大提高，由公式U2=可以看出傳遞過電壓隨C2增大而減小。

舒廉甫所著的《發電廠變電站過電壓保護及接地設計》雙繞組變壓器入口電容統計如下：

從表2可以看出變壓器的低壓繞組入口電容大概是1000-4000pF。查閱電纜樣本，3×185的10kV電纜電容為0.33μF/km。因此在低壓繞組上鏈接接30m長截面為3×185電纜可以增加9900pF的電容量，遠遠大于變壓器低壓繞組對地電容，可以有效的降低變壓器繞組間電容傳遞過電壓。

由于接入電纜后會形成串聯諧振回路（圖5所示），致使通過電磁感應電壓增大。本工程在電纜末端設置了避雷器作為產生諧振時的備用保護措施。

圖5 變壓器電磁感應等值電路圖

4 結束語

三繞組變壓器作為雙繞組變壓器使用時，存在如下問題：

（1）空置的低壓繞組面臨高、中壓繞組雷電侵入或發生工頻過電壓所導致的靜電感應及電磁感應過電壓的風險。（2）高、中壓側發工頻過電壓時，可能導致低壓繞組所接避雷器損壞甚至爆炸。（3）變壓器空置的低壓繞組采用單相接地的方式，產生的不平衡電壓可能會影響35kV側電壓質量。（4）空置的低壓繞組可采用外接電纜增大對地電容，降低靜電感應過電壓的風險。

參考文獻

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