電力系統(tǒng)變壓器故障態(tài)電壓電流相量分析

鄭浩聰

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 潮州供電局，廣東 潮州 521000）

0 引 言

變壓器是電力系統(tǒng)的主要電氣設(shè)備，目前110 kV及以上變電站中使用的變壓器絕大部分采用的是YNd11的接線形式，低壓側(cè)使用三角繞組會(huì)使電流、電壓在經(jīng)過(guò)變壓器后發(fā)生相位變化。對(duì)于繼電保護(hù)人員來(lái)說(shuō)，故障分析往往需要借助故障錄波圖。但變壓器一側(cè)故障時(shí)，由于經(jīng)過(guò)Y-Δ轉(zhuǎn)換后電流電壓相位會(huì)發(fā)生變化，因此在另一側(cè)看到的波形并非常見(jiàn)的短路故障特征，繼電保護(hù)人員不易快速準(zhǔn)確地確定故障類型[1-3]。本文通過(guò)對(duì)變壓器常見(jiàn)的高低壓繞組短路故障進(jìn)行相量分析，總結(jié)出短路時(shí)非故障特征側(cè)的電流電壓大小及相位關(guān)系。

1 YNd11接線變壓器故障量分析

下文針對(duì)主變故障量的分析中，不考慮主變變比的影響，均假設(shè)主變變比，即此時(shí)正常負(fù)荷下有。

1.1 主變短路故障分析方法

在YNd11變壓器中，正序電壓d側(cè)相電壓會(huì)超前Y側(cè)相電壓30°，而負(fù)序電壓的d側(cè)相電壓會(huì)滯后Y側(cè)相電壓30°，電流亦有此等規(guī)律。利用序分量的獨(dú)立性，將星形側(cè)各序相量經(jīng)過(guò)同一轉(zhuǎn)換公式向三角形側(cè)轉(zhuǎn)換，以a相為例，則：

無(wú)論是正序還是負(fù)序分量，在經(jīng)過(guò)同一方式轉(zhuǎn)換后都能得到對(duì)應(yīng)的三角形側(cè)分量，如圖1所示。

圖1 各序分量Y-Δ轉(zhuǎn)換

對(duì)于Yd接法變壓器，由于高壓側(cè)單相接地的零序電流不會(huì)流出低壓側(cè)繞組，因此可以在已知星側(cè)相電流、相電壓的情況下，利用Y-Δ轉(zhuǎn)換推出三角形側(cè)相電流、相電壓，即：

同理，也可以將三角形側(cè)各序相量經(jīng)過(guò)同一轉(zhuǎn)換公式向星形側(cè)轉(zhuǎn)換（同樣以A相為例），即：

由式（3）可知，無(wú)論是正序還是負(fù)序分量，在經(jīng)過(guò)同一方式轉(zhuǎn)換后都能得到對(duì)應(yīng)三角形側(cè)分量，如圖2所示[4]。

圖2 各序分量Δ-Y轉(zhuǎn)換

同時(shí)由于三角形側(cè)相間短路時(shí)不會(huì)產(chǎn)生零序電流，因此同樣可以在已知三角形側(cè)相電流、相電壓情況下，利用Δ-Y轉(zhuǎn)換推出星形側(cè)相電流、相電壓，即：

1.2 主變高壓側(cè)（YN側(cè)）單相接地故障

圖3 變壓器高壓側(cè)A相接地

利用Y-Δ轉(zhuǎn)換，可以將星形側(cè)的電壓電流相位歸算至三角形側(cè)，同時(shí)由于高壓側(cè)單相接地的零序電流不會(huì)流出低壓側(cè)繞組，利用序分量的獨(dú)立性，并依據(jù)邊界條件的電流關(guān)系，可以計(jì)算出三角形側(cè)各相電流為[5]：

從上述計(jì)算結(jié)果可得出故障量經(jīng)相位變化后在三角形側(cè)存在以下關(guān)系：

（1）故障相與非故障相中滯后相的電流大小相等、方向相反，電壓大小相等、方向相同；

（2）非故障相中超前相的電流大小為0，電壓大小為故障相的2倍，且方向相反[6]。

從上述推論過(guò)程可知，對(duì)于無(wú)需經(jīng)過(guò)相位變化的星形側(cè)存在以下關(guān)系：

（1）故障相的電流為故障電流，電壓大小為0；

（2）非故障相的電流大小為0，電壓大小相等，方向相反。

1.3 主變高壓側(cè)（YN側(cè)）兩相短路故障

假設(shè)高壓側(cè)B、C相發(fā)生短路（如圖4所示），其故障處的3個(gè)邊界條件為。

圖4 變壓器高壓側(cè)BC相間故障

通過(guò)Y-Δ的變化，將星形側(cè)的各序電壓電流相位調(diào)整至三角形側(cè)，并依據(jù)邊界條件的電流關(guān)系[7]，計(jì)算出三角形側(cè)各相電流為：

此時(shí)非故障相電壓為故障相電壓的兩倍，且方向相反，即有。再依據(jù)邊界條件的電壓關(guān)系[8]，計(jì)算出三角形側(cè)各相電壓，即：

從上述計(jì)算結(jié)果可得出故障量經(jīng)相位變化后在三角形側(cè)存在以下關(guān)系。

（1）故障相中滯后相與非故障相的電流大小相等、方向相反，電壓大小相等、方向相反；

（2）故障相中超前相的電流大小為非故障相的2倍，且方向相反，電壓大小為0。

由上述推論過(guò)程可知，對(duì)于無(wú)需經(jīng)過(guò)相位變化的星形側(cè)存在以下關(guān)系：

（1）故障相的兩相電流大小相等，方向相反，電壓大小相等，方向相同；

（2）非故障相的電流大小為0，電壓大小為故障相的2倍，且方向相反[9]。

1.4 主變低壓側(cè)（Δ側(cè)）兩相短路故障

假設(shè)低壓側(cè)B、C相發(fā)生短路，如圖5所示，其故障處的3個(gè)邊界條件為，令。

圖5 變壓器低壓側(cè)BC相間故障

通過(guò)Δ-Y的變化，將三角形側(cè)的各序電壓電流相位調(diào)整至星形側(cè)，并依據(jù)邊界條件的電流關(guān)系，計(jì)算出星形側(cè)各相電流為：

此時(shí)非故障相電壓為故障相電壓的兩倍，且方向相反，即有。再依據(jù)邊界條件的電壓關(guān)系，計(jì)算出三角形側(cè)各相電壓，即[10]：

從上述計(jì)算結(jié)果可得出故障量經(jīng)相位變化后在Y側(cè)存在以下關(guān)系：

（1）故障相中超前相與非故障相的電流大小相等、方向相反，電壓大小相等、方向相反；

（2）故障相中滯后相的電流大小為非故障相的兩倍且方向相反，電壓大小為0。

由上述推論過(guò)程可知，對(duì)于無(wú)需經(jīng)過(guò)相位變化的三角形側(cè)存在以下關(guān)系：

（1）故障相的兩相電流大小相等、方向相反，電壓大小相等、方向相同；

（2）非故障相的電流大小為0，電壓大小為故障相的兩倍且方向相反。

2 結(jié) 論

現(xiàn)有110 kV及以上變電站絕大部分采用的是YNd11接線，電流電壓在流過(guò)主變后會(huì)產(chǎn)生相位變化，使得工作人員無(wú)法快速判斷故障。本文通過(guò)Y-Δ轉(zhuǎn)換公式，基于短路故障邊界條件，可計(jì)算出不同故障類型下非故障側(cè)的電流電壓相量。同時(shí)總結(jié)了YNd11變壓器在不同短路故障類型下的非故障側(cè)電流電壓相量關(guān)系，推論結(jié)果有助于運(yùn)維人員快速定位故障類型，并及時(shí)處理故障。