電力變壓器零序電抗計算及仿真

劉力強 王春鋼

（保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056）

電力變壓器零序電抗計算及仿真

劉力強 王春鋼

（保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056）

論述了變壓器零序電抗與變壓器磁路、聯接組別、變壓器結構等的關系，并給出了不同結構變壓器零序電抗的計算方法。

零序電抗；短路阻抗；激磁電抗；磁路；聯接組別

為了保證電力系統和它的各種電氣設備的安全運行，必須進行各種不對稱故障的分析和計算，通常采用對稱分量法把不對稱分量分解成對稱的正、負序及同向的零序分量進行分析，變壓器是電力系統中主要設備之一，因此變壓器的零序電抗也是電力系統分析非常重要的參數之一。本文對心式電力變壓器的零序電抗進行了分析，針對不同結構的變壓器提出了詳細的計算方法。

1 磁路與零序電抗

由于零序磁通與正序、負序磁通一樣為交變分量，且存在相同的電磁感應關系，因此用于表示正序電磁關系的近似“?！毙偷刃щ娐啡钥捎糜诹阈颍ㄒ妶D1），由圖1可得變壓器的零序電抗為

式中，ZM0為變壓器的零序勵磁電抗；ZK0為零序下的繞組漏電抗。

由于繞組漏電抗與相序無關，所以零序與正序時的繞組漏電抗基本相同，即 ZK0與變壓器短路阻抗ZK基本相同。

圖1 變壓器零序等效電路

ZM0與磁路系統有關，變壓器磁路按鐵心結構可分為帶旁柱（如三相五柱式、單相三柱式）和不帶旁柱（例如三相三柱式）的結構。帶旁柱的鐵心結構，零序磁通可以通過旁柱形成閉合回路，如圖 2所示，零序勵磁電抗很大，其遠遠大于繞組漏電抗，ZM0支路可以認為是開路，因此對于帶旁柱的鐵心變壓器零序電抗近似等于變壓器短路阻抗；對于不帶旁柱的變壓器，零序磁通只能通過空間和油箱等低導磁材料形成閉合回路，而空間的磁導率很低，這個回路磁阻很大，因此零序勵磁電抗比帶旁柱結構要小很多，此時ZM0支路不可忽略，由式（1）可知，變壓器零序電抗比變壓器短路阻抗小。

圖2 三相五柱鐵心零序磁路分布

圖3 三相三柱鐵心零序磁路分布

2 聯接組別與零序電抗

聯接組別對于變壓器的零序電抗有直接影響。按聯接組別可分為：有三角形連接的零序電抗和無三角形連接的零序電抗，由于三相零序電流同向，所以對于含三角形連接組的變壓器不論三角形連接側是短路還是開路，零序電流均可在三角形連接的繞組內部流通，因此含三角形連接組的變壓器僅有負載零序電抗；對于不含三角形聯結組的變壓器，當一側加電，另一側短路時，其零序電抗為負載零序電抗。當一側加電，另一側開路時，其零序電抗為空載零序電抗，此時的零序電抗等于零序勵磁電抗。

對于三相五柱鐵心或單相鐵心，如果采用 Yy聯接組別，則兩側中性點必須接地，因為有中性點接地的繞組中有零序電流，但在另一無中性點接地的繞組中無此電流，故零序電流不能安匝平衡，它會產生一個很大的零序電抗，相對地電壓的對稱會受到影響，中性點會有較大偏移，因此，不含三角形聯結組的三相五柱鐵心或單相組成的三相組鐵心的變壓器盡量不采用這種連接方式。

3 變壓器型式與零序電抗

3.1 雙繞組變壓器

1）對于YD聯結組的變壓器，其零序電抗為Y側繞組加電，另一側繞組角接，

變壓器零序電抗：

式中，Zk為變壓器的正序短路電抗。

2）對于YY聯結組的變壓器，其零序電抗為：

一側繞組加電，另一側繞組短接，變壓器零序電抗同式（2）。

一側繞組加電，另一側繞組開路，變壓器零序電抗：

3.2 三繞組變壓器

按變壓器用途分為降壓變和升壓變，降壓變繞組排列由內向外為低壓繞組（d接）-中壓繞組（y接）-高壓繞組（Y接），升壓變繞組排列由內向外為中壓繞組（y接）-低壓繞組（d接）-高壓繞組（Y接）。

根據變壓器的運行情況，三繞組變壓器的零序電抗為：

1）高壓加電，中壓短路，低壓角接

對于降壓變，由于中壓處于短路狀態(tài)，低壓繞組中沒有零序電流，此時變壓器零序電抗：

式中，ZkHM為變壓器高-中正序短路電抗。

對于升壓變，由于低壓為角接（對于零序，相當于短路狀態(tài)），中壓繞組中沒有零序電流，此時變壓器零序電抗：

式中，ZkHL為變壓器高-低正序短路電抗。

2）高壓加電，中壓開路，低壓角接，不論是降壓變還是升壓變，變壓器零序電抗計算公式同式（5）。

3）中壓加電，高壓短路，低壓角接

對于降壓變，這種工況時高壓和低壓中均有零序電流，變壓器繞組中零序電流的分配與變壓器聯合運行時中壓供電，高低壓側短路相同，其零序電抗：

此時等效電路如圖4所示，圖中ZkH、ZkM、ZkL分別為三繞組變壓器中各繞組的等效阻抗。其值可由變壓器的短路阻抗求出，計算公式見式（7）—式（9）：

式中，ZkML為變壓器中-低正序短路電抗。

圖4 降壓變中壓加電，高壓短路，低壓角接等效電路

總等效阻抗為：

對于升壓變，由于低壓處于角接狀態(tài)，所以高壓繞組中沒有短路電流，其零序電抗：

4）中壓加電，高壓開路，低壓角接，不論是降壓變還是升壓變，變壓器零序電抗計算公式同式（11）

注：該節(jié)中修正系數K見表1，表中數據為筆者對大量產品的試驗數據統計分析得到。

表1 零序電抗修正系數K

4 零序電抗的計算和仿真

4.1 雙繞組變壓器，聯結組Yd

例如一臺SF-35000/20變壓器，聯接組別Dyn1，鐵心型式為三相三柱式，高壓電壓13.8kV，低壓電壓6.3kV，短路阻抗測量值13.2%（折算至低壓側歐姆值為 0.15Ω），由式（2）得零序電抗 Z0=0.97×0.15=0.146Ω，該產品零序電抗實測值為0.151Ω，與計算值偏差僅為-3.31%。表2為采用此方法計算的變壓器零序電抗。

表2 變壓器零序電抗計算值與測量值

由第二節(jié)分析可知，對于三相五柱式鐵心，可以認為激磁回路是開路的，零序電抗僅與短路阻抗有關，因此利用短路阻抗計算零序電抗非常準確；而三相三柱式鐵心的零序電抗不僅與短路阻抗有關，還與零序激磁電抗有關，零序激磁電抗又與變壓器結構緊密相關，因此三相三柱式變壓器零序電抗受變壓器結構影響較大，上節(jié)表1中給出的三相三柱式鐵心修正系數K僅供參考，如果想得到準確的三相三柱式鐵心結構變壓器零序電抗可采用仿真計算。

表2中SF-35000/20變壓器采用仿真計算結果如圖5至圖7所示。

利用MAGNET基于有限元法的3D時諧場求解器，進行場路耦合分析，磁場計算實體模型如圖 5所示，電路模型如圖6所示。

圖5 實體模型

圖6 電路模型

高壓側角接，在低壓側a、b、c三相施加10.31V（由于變壓器的對稱性，僅取 1/2模型進行仿真計算，此電壓為 1/2模型上的電壓，整個模型上電壓為20.62V）同相位電壓，磁場計算得到低壓側零序電流為 134.98A，見表 3，因此變壓器零序阻抗Z0=20.62/134.98=0.152Ω，與試驗值偏差為0.66%。

圖7 有限元模型

表3 各元件中的電流

圖8為通過磁場計算得到的三相零序磁通矢量圖，由圖可以看出，三相零序磁通通過鐵心、氣隙、油箱閉合，與第二節(jié)的分析吻合。

圖8 零序磁通矢量圖

4.2 雙繞組變壓器，聯結組Yy

例如一臺 SFZ-75000/220變壓器，聯接組別YNyn0，鐵心型式為三相三柱式，高壓電壓220kV，低壓電壓13.8kV，短路阻抗測量值12.03%。

1）負載零序電抗計算

高壓側加電，低壓側短路，短路阻抗折算值高壓側歐姆值為 77.64 Ω，由式（2）得零序電抗 Z0= 0.88×77.64=68.32，該產品零序電抗實測值為69.4Ω，與測量值偏差-1.56%。

高壓側短路，低壓側加電，短路阻抗折算值低壓側歐姆值為 0.305Ω，由式（2）得零序電抗 Z0= 0.97×0.305=0.296，該產品零序電抗實測值為0.309Ω，與測量值偏差-4.21%。

2）空載零序電抗計算

該聯結組鐵心為三相三柱式變壓器負載零序電抗亦存在零序電抗計算誤差偏大的問題，原因同4.1節(jié)。

空載零序電抗不僅受變壓器結構影響，還與加電繞組的位置，施加電壓、鐵心勵磁特性等有關，因此工程計算方法無法準確計算空載零序電抗，由表4該變壓器零序電抗測量結果可以看出，施加電壓不同時，其空載零序電抗測量值變化非常大。

表4 變壓器零序電抗測量值

4.3 三繞組變壓器，聯結組Yyd或Ya0d

如一臺OSFSZ-180000/220自耦變壓器，聯接組別 YNa0d11，鐵心型式為三相三柱式，高壓電壓220kV，中壓電壓115 kV，低壓電壓10.5kV，短路阻抗測量值：高-中 12.97%，中-低 46.45%，高-低63.33%。

1）高壓加電，中壓短路，低壓角接

高中阻抗折算至高壓側歐姆值為 34.87，由式（4）得零序電抗 Z0=0.88×34.87=30.69Ω，實測值為 31.9Ω，與實測值偏差為-3.82%；仿真計算值為31.5%，與實測值偏差為-1.25%。

2）高壓加電，中壓開路，低壓角接

高低阻抗折算至高壓側歐姆值為 170.28，由式（5）得零序電抗 Z0=0.88×170.28=149.85Ω，實測值為147Ω，與實測值偏差為1.94%；仿真計算值為146.5%，與實測值偏差為-0.34%。

3）中壓加電，高壓開路，低壓角接

中低阻抗折算至中壓側歐姆值為 34.13，由式（11）得零序電抗Z0=0.92×34.13=31.40Ω，實測值為31.68Ω，與實測值偏差為-0.88%；仿真計算值為31.43%，與實測值偏差為-0.79%。

4）中壓加電，高壓短路，低壓角接

由式（7）至式（10）得聯合運行時變壓器等值阻抗：

聯合運行阻抗折算至中壓側歐姆值為 6.94Ω，由式（6）得零序電抗 Z0=0.92×6.94=6.38Ω，實測值為 6.59Ω，與實測值偏差為-3.19%；仿真計算值為6.47%，與實測值偏差為-1.82%。

受篇幅所限，本節(jié)中未列出詳細的仿真計算過程，仿真計算的方法同4.1節(jié)，其仿真計算有限元模型如圖9所示。

圖9 仿真計算有限元模

5 結論

1）對于帶旁柱的鐵心，變壓器負載零序電抗近似等于變壓器短路阻抗，空載零序電抗約為正序勵磁電抗的40%；對于不帶旁柱的鐵心，變壓器負載零序電抗約為變壓器短路阻抗90%，空載零序電抗約為正序勵磁電抗的0.055%。

2）對于三相五柱式鐵心或單相鐵心的變壓器零序電抗，利用公式可以精確計算；對于三相三柱式鐵心，零序磁通需要通過氣隙、油箱等閉合，不同變壓器因其結構不同，修正系數K存在不確定性，但可以滿足工程計算需要，如果想準確計算零序電抗，需采用磁場仿真計算。

3）對于Yy連接的變壓器，空載零序電抗受變壓器結構、鐵心勵磁特性、測量電壓等因素的影響，無論采用公式法還是仿真均無法準確計算。

[1]李光琦.電力系統暫態(tài)分析[M].北京: 水利電力出版社, 1985.

[2]尹克寧.變壓器設計原理[M].北京: 中國電力出版社, 2003.

[3]張國兵.三相五柱式變壓器零序阻抗的分析和計算[J].變壓器, 1995(10): 12-15.

[4]劉傳彝.電力變壓器設計計算方法與實踐[M].沈陽:遼寧科學技術出版社, 2002.

Calculation and Simulation for Zero-sequence Reactance of Power Transformer

Liu Liqiang Wang Chungang
(Baoding Tianwei Baobian Electric Co., Ltd, Baoding, Hebei 071056)

This paper Discusses the relationship between the zero-sequence reactance and transformer magnetic circuit, connection groups, transformer structure and so on,and gives the calculation method of zero-sequence reactance for various kinds of transformer.

zero-sequence reactance; short circuit impedance; excitation impedance; magnetic circuit; connection groups

劉力強（1975-），男，河北藁城人，保定天威保變電氣股份有限公司高級工程師，主要從事電力變壓器設計研發(fā)工作。