500 kV自耦變壓器套管電流互感器極性校核方法研究

張富超，楊紅霞，芮建勛，張麗麗，張富春

（1.河北省送變電有限公司，河北 石家莊 050051；2.國網河北省電力有限公司深澤縣供電分公司，河北 石家莊 052560；3.秦皇島華源電力工程設計有限公司，河北 秦皇島 066000；4.國網冀北電力有限公司秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

為確保變壓器電流互感器（TA）二次回路正確及相關保護動作無誤，須進行變壓器套管TA 極性校核試驗［1］，該試驗不僅與變壓器的差動保護直接相關［2-6］，還與復合電壓方向過流保護等與方向相關的保護相關。變壓器TA 的一次安裝及二次接線情況，將直接影響繼電保護裝置的告警或動作行為［7-10］，繼而影響相關設備對電力系統運行狀態的實時監控以及事故處理能力［11-12］。因此，進行變壓器套管TA 極性校核試驗以確保TA 極性正確，是電力建設改造工程的一項重要工作，也是變壓器接入電網投入運行的重要前提。

目前，變壓器套管TA 極性校核方法主要有：干電池點極性法、外加直流電源法和交流電壓法［13-16］。其中，干電池點極性法是在TA 一次側加3 V 直流電壓，二次側接指針式萬用表，通過通斷一次側直流回路，觀察指針式萬用表的偏轉情況判斷TA 極性的正確與否。該方法操作安全、接線簡單、結果直觀，但是由于變壓器套管TA 串接了很大的變壓器一次阻抗，一次點極性時，將產生很小的一次電流，再經TA 變比折算后得到的二次電流更是微乎其微，常用二次儀表的精度難以滿足要求。外加直流電源法是為了提高干電池點極性法中的直流電壓而用直流電源代替干電池的方法。該方法雖然在一定程度上能夠提高回路電流，使得指針式萬用表指針偏轉幅度變得明顯，但是在斷開電源時，斷開點處將產生過電壓并拉弧，嚴重危及操作人員的人身安全。交流電源法是將交流電源加到變壓器某側，其他各側與中性點短接，用卡鉗表檢測一次電流，并觀察微機保護裝置顯示的二次差流是否為零，若為零，說明變壓器套管TA 極性正確。該方法操作不方便、接線復雜且電壓較高危及操作人員的人身安全。文獻［17］利用自主研發的四通道極性測試儀測試變壓器套管TA 安裝后的極性，雖然該方法結果準確、效率較高，但是試驗裝置操作相對復雜，投資較大。

針對變壓器套管TA 極性校核方法存在的問題以及專門的試驗裝置操作相對復雜、投資較大等問題，在深入分析干電池點極性方法的基礎上，對干電池點極性方法進行改進，提出了一種500 kV自耦變壓器套管TA 極性校核方法，該方法既能夠保留干電池點極性方法的優點，又能彌補常規變壓器套管TA 極性校核方法的不足，解決專門的試驗裝置操作復雜、投資大等問題，具有很好的實用性。

1 變壓器套管TA極性校核的基本原理

正確的TA 極性是確保整個變電站保護向量正確的重要因素，直接影響電流差動保護等與方向相關的保護動作正確性與否。國內TA 均采用減極性接法，所謂減極性是指從TA 一、二次繞組的同名端通入同方向的電流時，將在鐵芯中產生方向相同的磁通。在實際工程應用中，TA 一次繞組接線端常標注為P1、P2，二次繞組接線端常標注為S1、S2。其中，P1 和S1、P2 和S2 為同極性端，P1 和S2、P2 和S1為非同極性端。TA 二次繞組的S1 接線端與保護裝置的A 或B 或C 接線端相接，S2 接線端與保護裝置的AN 或BN 或CN 接線端相接，稱為TA 二次繞組接線的正引出。反之，稱為TA 二次繞組接線的反引出。在實際工程應用中，TA 二次繞組接線一般采用正引出接線方式。

以三繞組變壓器差動保護為例，說明TA 極性校核的基本原理。國內各變壓器保護廠家的保護裝置均采用各側電流向量和的差動電流計算方法，即，其中，為變壓器差動電流，分別為變壓器高壓側電流、中壓側電流和低壓側電流。當主變壓器正常運行或發生區外故障時，差動電流為零，保護裝置不應該動作；當主變壓器發生區內故障時，差動電流將遠大于零，保護裝置應動作。按照主變壓器保護裝置要求，TA 正確的一次安裝及二次接線情況如圖1所示。

圖1 變壓器套管TA極性配置正確接線

如果主變壓器某側TA 一次安裝接反，以低壓側為例，如圖2所示。

圖2 變壓器低壓側TA極性配置錯誤接線圖

圖2中，由于TA一次安裝錯誤導致的TA極性錯誤，可通過TA 極性校核試驗得以避免。以干電池點極性法為例，TA 一次繞組的P1 接線端接電池正極，P2 接線端接電池負極，指針式萬用表的正表筆接TA 二次繞組的S1 接線端，負表筆接TA 二次繞組的S2 接線端，根據TA 的減極性及正引出原則，如果按照圖1 所示的接線，測量各側TA 極性時的指針式萬用指針偏轉情況為：當接通一次電流回路時，萬用表指針均正偏，斷開一次電流回路時，萬用表指針均反偏，說明TA 極性正確。而按照圖2 所示的接線，測量各側TA 極性時的指針式萬用指針偏轉情況為：當接通一次電流回路，測量變壓器高壓側、中壓側時，萬用表指針正偏，測量變壓器低壓側時，指針式萬用表反偏，斷開一次電流回路，測量變壓器高壓側、中壓側時，萬用表指針反偏，測量變壓器低壓側時，萬用表指針正偏，很明顯變壓器低壓側TA極性錯誤。

在實際工程應用中，習慣將變壓器各側TA 一次繞組的P1 接線端朝向母線側，二次繞組接線采用正引出，針對干電池點極性法，TA 一次繞組的P1 接線端接電池正極，P2接線端接電池負極，指針式萬用表的正表筆接TA 二次繞組的S1 接線端，負表筆接TA二次繞組的S2 接線端，根據TA 的減極性及正引出原則，當接通一次電流回路時，指針式萬用表指針應正偏，斷開一次電流回路時，指針式萬用表指針應反偏，說明TA 極性正確。如果主變壓器某側萬用表指針偏轉方向與上述相反，則說明該側TA 極性錯誤，需倒換TA 一次安裝或二次接線。需要說明的是，當主變壓器各側TA 一次繞組的P1 接線端均朝向被保護設備如變壓器、線路等設備時，其極性測試方法也是相同的，這里不再贅述。

2 干電池點極性法

干電池點極性法是在TA 一次側加3 V 直流電壓，二次側接指針式萬用表，通過合斷一次側直流回路，觀察指針式萬用表的偏轉情況，從而判斷TA 極性的正確與否。500 kV 變壓器普遍采用單相三繞組自耦變壓器，以單相三繞組變壓器為例，分析干電池點極性法校核變壓器套管TA 極性的基本原理，試驗接線如圖3所示。

圖3 常規TA極性校核試驗接線

當閉合電流回路開關K 的瞬間，變壓器繞組中將流過突變電流I，突變電流在變壓器鐵芯中產生隨時間變化的磁通Φ，繼而在變壓器繞組中產生與磁通變化速率密切相關的感應電動勢e。考慮變壓器鐵芯制造工藝，其存在較大的氣隙，且處于非飽和狀態時，其電感可近似認為是線性變化的。依據電磁感應定律，感應電動勢為

式中：e為感應電動勢，V；N為線圈匝數；Φ為鐵芯中產生的磁通，Wb；t為時間，s。

依據楞次定律，由磁通變化產生的感應電動勢方向總是在線圈中產生能夠抵償磁通變化的感應電流［5］。由于變壓器鐵芯具有良好的導磁性能，使得電感顯著增強，單位感應電流產生的磁通鏈增加，從而提高了感應電動勢。理論上，可以采用高電壓克服此感應電動勢，以得到較大的一次電流，但是，現場實際操作比較困難，并且危及電力設備及人員安全。因此，在3 V 干電池作為電源的情況下，由于感應電動勢及變壓器內部較大阻抗的存在，一次線圈中的電流很小，再經TA 變比折算后得到的二次側感應電流更小，常用二次儀表的精度根本不能滿足要求，無法觀察到指針萬用表的指針偏轉情況。因此，該方法不適用于變壓器套管TA 極性的校核，必須對其加以改進才能應用于變壓器套管TA極性的校核。

3 變壓器套管TA極性校核法

將變壓器某側繞組串接干電池和開關形成電流回路，其他側繞組短接，如圖4 所示。分析圖4 所示的試驗接線方式，當閉合電流回路開關的瞬間，在變壓器電源側繞組流過突變電流的同時，其他兩側的短接回路中也將流過由感應電動勢產生的感應電流，該感應電流將在鐵芯中產生與原磁通方向相反的磁通，即在電源側繞組中產生與原感應電動勢方向相反的感應電動勢，從而削弱了原感應電動勢的影響，顯著增大了回路電流。同時，另外兩組短接回路中也將產生較大的感應電流。此時，在進行變壓器套管TA 極性校核試驗時，可觀察到二次側的指針式萬用表的指針有大幅度偏轉，繼而可以通過指針的偏轉情況判斷變壓器套管TA 極性的正確與否。

圖4 改進TA極性校核試驗接線

結合文獻［6］的研究成果：在變壓器高壓側施加電壓、中壓側和低壓側短路接地時，將產生很小的一次電流，經TA 變比折算后得到的二次電流不能滿足極性校核試驗要求。另外，由于特高壓或超高壓系統的一次設備本身往往具有很高的構架，再加之高壓側套管的高度，如果在變壓器高壓側施加電壓，往往需要動用吊車等大型機械，費用較高且不利于操作人員的人身安全；在變壓器中壓側施加電壓、高壓側和低壓側短路接地時，一次電流幅值有較大的提高，經TA 變比折算后得到的二次電流基本能夠滿足極性校核試驗要求；在變壓器低壓側施加電壓、高壓側和中壓側短路接地時，產生的一次電流是在變壓器高壓側或中壓側施加電壓產生的一次電流的幾十倍甚至上百倍，經TA 變比折算后得到的二次電流能夠被常用二次儀表檢測到，效果明顯。

4 工程應用

隨著國民經濟的快速發展，電網建設項目得以迅猛發展，新建500 kV 變電站不斷增多，且站內主變壓器普遍采用單相三繞組自耦變壓器［18-21］。自耦變壓器的一次繞組和二次繞組之間不僅存在磁耦合關系，還有著電的聯系［7］。采用星形接線方式的自耦變壓器要受三次諧波磁通的影響，為了解決該問題，往往增加一角接的第三繞組作為低壓繞組，且在自耦變壓器高壓側與中壓側之間存在公共繞組［8］。本文以某變電站的500 kV 單相三繞組自耦變壓器為例，應用所提出的變壓器套管TA 極性校核方法校核各套管TA 極性。500 kV 單相三繞組自耦變壓器銘牌所示的繞組聯接如圖5所示。

圖5 500 kV自耦變壓器繞組聯接示意

根據圖5 所示的自耦變壓器繞組連接示意，繪制自耦變壓器套管TA 極性校核試驗接線用圖，如圖6 所示。其中，TAHT 為高壓側套管TA，TAMT 為中壓側套管TA，TALT1 為低壓側首端套管TA，TALT2為低壓側尾端套管TA，TAGT 為公共繞組套管TA。由圖6 可以看出，TAHT、TAMT、TALT1 的一次安裝均為P1朝向母線側，TALT2的一次安裝為P1朝向變壓器，TAGT 的一次安裝為P1 背離變壓器；各側套管TA的二次接線均采用正引出接線。

圖6 500 kV自耦變壓器套管TA極性校核試驗接線示意

利用本文提出的變壓器套管TA極性校核方法對圖6所示的500 kV自耦變壓器各側套管TA的各圈極性進行校核：TALT1的P1端接干電池的正極，TALT2的P2 端接干電池的負極，TAHT、TAMT 的P1 端可分別通過合高壓側接地開關、中壓側接地開關接地，TAGT的P1端已接地，指針式萬用表的正表筆接S1、負表筆接S2，當閉合開關K的瞬間，各側電流流向如圖6所示，通過通斷一次電流回路瞬間，觀察萬用表指針的偏轉方向來判斷TA極性的正確與否。校核結果如表1所示。表1中TA繞組編號如圖5所示。

表1 500 kV自耦變壓器套管TA極性校核結果

續表

分析表1 可知，根據變壓器套管TA 極性校核的基本原理，該變壓器套管TA 的一次側極性端P1 均背離變壓器，且TA 二次側接線采用正引出接線，結合TA 的減極性法則，一次電流從P1 側流進，二次電流從S1 側流出，指針式萬用表指針正偏，反之，指針式萬用表指針反偏。據此，表1 所列結果能夠驗證TA二次接線的正確性。

5 結語

變壓器套管TA 極性校核試驗是驗證TA 二次回路接線正確的必要試驗，本文提出的500 kV 自耦變壓器套管TA 極性校核方法能夠解決常規TA 點極性方法的不足以及專門的試驗裝置操作相對復雜、投資較大等問題。現場試驗只需干電池、指針式萬用表和導線等器材，獲得容易且投資很小；試驗電壓很低，不會對試驗操作人員的人身安全造成威脅；試驗接線簡單，操作簡便易行；試驗結果能夠直觀、準確地校核套管TA 極性；試驗方案能夠一次性校核變壓器高、中、低三側以及公共繞組的套管TA 極性，不需要中途更改接線。但是該方法只能定性分析變壓器套管TA 極性，不能同時定量反映變壓器套管TA 變比。下一步還需要改進變壓器套管TA 極性校核方法，使其能夠通過指針式萬用變的偏轉方向及幅度反映TA極性及變比。