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(guó)網(wǎng)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(shè)計(jì)有限公司，河北 秦皇島 066000；4.國(guó)網(wǎng)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(guān)保護(hù)動(dòng)作無(wú)誤，須進(jìn)行變壓器套管TA 極性校核試驗(yàn)［1］，該試驗(yàn)不僅與變壓器的差動(dòng)保護(hù)直接相關(guān)［2-6］，還與復(fù)合電壓方向過(guò)流保護(hù)等與方向相關(guān)的保護(hù)相關(guān)。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(hù)裝置的告警或動(dòng)作行為［7-10］，繼而影響相關(guān)設(shè)備對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及事故處理能力［11-12］。因此，進(jìn)行變壓器套管TA 極性校核試驗(yàn)以確保TA 極性正確，是電力建設(shè)改造工程的一項(xiàng)重要工作，也是變壓器接入電網(wǎng)投入運(yùn)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(diǎn)極性法、外加直流電源法和交流電壓法［13-16］。其中，干電池點(diǎn)極性法是在TA 一次側(cè)加3 V 直流電壓，二次側(cè)接指針式萬(wàn)用表，通過(guò)通斷一次側(cè)直流回路，觀察指針式萬(wàn)用表的偏轉(zhuǎn)情況判斷TA 極性的正確與否。該方法操作安全、接線簡(jiǎn)單、結(jié)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(diǎn)極性時(shí)，將產(chǎn)生很小的一次電流，再經(jīng)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(diǎn)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(wàn)用表指針偏轉(zhuǎn)幅度變得明顯，但是在斷開電源時(shí)，斷開點(diǎn)處將產(chǎn)生過(guò)電壓并拉弧，嚴(yán)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(cè)，其他各側(cè)與中性點(diǎn)短接，用卡鉗表檢測(cè)一次電流，并觀察微機(jī)保護(hù)裝置顯示的二次差流是否為零，若為零，說(shuō)明變壓器套管TA 極性正確。該方法操作不方便、接線復(fù)雜且電壓較高危及操作人員的人身安全。文獻(xiàn)［17］利用自主研發(fā)的四通道極性測(cè)試儀測(cè)試變壓器套管TA 安裝后的極性，雖然該方法結(jié)果準(zhǔn)確、效率較高，但是試驗(yàn)裝置操作相對(duì)復(fù)雜，投資較大。

針對(duì)變壓器套管TA 極性校核方法存在的問(wèn)題以及專門的試驗(yàn)裝置操作相對(duì)復(fù)雜、投資較大等問(wèn)題，在深入分析干電池點(diǎn)極性方法的基礎(chǔ)上，對(duì)干電池點(diǎn)極性方法進(jìn)行改進(jìn)，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(diǎn)極性方法的優(yōu)點(diǎn)，又能彌補(bǔ)常規(guī)變壓器套管TA 極性校核方法的不足，解決專門的試驗(yàn)裝置操作復(fù)雜、投資大等問(wèn)題，具有很好的實(shí)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(gè)變電站保護(hù)向量正確的重要因素，直接影響電流差動(dòng)保護(hù)等與方向相關(guān)的保護(hù)動(dòng)作正確性與否。國(guó)內(nèi)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(shí)，將在鐵芯中產(chǎn)生方向相同的磁通。在實(shí)際工程應(yīng)用中，TA 一次繞組接線端常標(biāo)注為P1、P2，二次繞組接線端常標(biāo)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(hù)裝置的A 或B 或C 接線端相接，S2 接線端與保護(hù)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(shí)際工程應(yīng)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(dòng)保護(hù)為例，說(shuō)明TA 極性校核的基本原理。國(guó)內(nèi)各變壓器保護(hù)廠家的保護(hù)裝置均采用各側(cè)電流向量和的差動(dòng)電流計(jì)算方法，即，其中，為變壓器差動(dòng)電流，分別為變壓器高壓側(cè)電流、中壓側(cè)電流和低壓側(cè)電流。當(dāng)主變壓器正常運(yùn)行或發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，差動(dòng)電流為零，保護(hù)裝置不應(yīng)該動(dòng)作；當(dāng)主變壓器發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，差動(dòng)電流將遠(yuǎn)大于零，保護(hù)裝置應(yīng)動(dòng)作。按照主變壓器保護(hù)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(cè)TA 一次安裝接反，以低壓側(cè)為例，如圖2所示。

圖2 變壓器低壓側(cè)TA極性配置錯(cuò)誤接線圖

圖2中，由于TA一次安裝錯(cuò)誤導(dǎo)致的TA極性錯(cuò)誤，可通過(guò)TA 極性校核試驗(yàn)得以避免。以干電池點(diǎn)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(fù)極，指針式萬(wàn)用表的正表筆接TA 二次繞組的S1 接線端，負(fù)表筆接TA 二次繞組的S2 接線端，根據(jù)TA 的減極性及正引出原則，如果按照?qǐng)D1 所示的接線，測(cè)量各側(cè)TA 極性時(shí)的指針式萬(wàn)用指針偏轉(zhuǎn)情況為：當(dāng)接通一次電流回路時(shí)，萬(wàn)用表指針均正偏，斷開一次電流回路時(shí)，萬(wàn)用表指針均反偏，說(shuō)明TA 極性正確。而按照?qǐng)D2 所示的接線，測(cè)量各側(cè)TA 極性時(shí)的指針式萬(wàn)用指針偏轉(zhuǎn)情況為：當(dāng)接通一次電流回路，測(cè)量變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)時(shí)，萬(wàn)用表指針正偏，測(cè)量變壓器低壓側(cè)時(shí)，指針式萬(wàn)用表反偏，斷開一次電流回路，測(cè)量變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)時(shí)，萬(wàn)用表指針?lè)雌?，測(cè)量變壓器低壓側(cè)時(shí)，萬(wàn)用表指針正偏，很明顯變壓器低壓側(cè)TA極性錯(cuò)誤。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，習(xí)慣將變壓器各側(cè)TA 一次繞組的P1 接線端朝向母線側(cè)，二次繞組接線采用正引出，針對(duì)干電池點(diǎn)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(fù)極，指針式萬(wàn)用表的正表筆接TA 二次繞組的S1 接線端，負(fù)表筆接TA二次繞組的S2 接線端，根據(jù)TA 的減極性及正引出原則，當(dāng)接通一次電流回路時(shí)，指針式萬(wàn)用表指針應(yīng)正偏，斷開一次電流回路時(shí)，指針式萬(wàn)用表指針應(yīng)反偏，說(shuō)明TA 極性正確。如果主變壓器某側(cè)萬(wàn)用表指針偏轉(zhuǎn)方向與上述相反，則說(shuō)明該側(cè)TA 極性錯(cuò)誤，需倒換TA 一次安裝或二次接線。需要說(shuō)明的是，當(dāng)主變壓器各側(cè)TA 一次繞組的P1 接線端均朝向被保護(hù)設(shè)備如變壓器、線路等設(shè)備時(shí)，其極性測(cè)試方法也是相同的，這里不再贅述。

2 干電池點(diǎn)極性法

干電池點(diǎn)極性法是在TA 一次側(cè)加3 V 直流電壓，二次側(cè)接指針式萬(wàn)用表，通過(guò)合斷一次側(cè)直流回路，觀察指針式萬(wàn)用表的偏轉(zhuǎn)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(diǎn)極性法校核變壓器套管TA 極性的基本原理，試驗(yàn)接線如圖3所示。

圖3 常規(guī)TA極性校核試驗(yàn)接線

當(dāng)閉合電流回路開關(guān)K 的瞬間，變壓器繞組中將流過(guò)突變電流I，突變電流在變壓器鐵芯中產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁通Φ，繼而在變壓器繞組中產(chǎn)生與磁通變化速率密切相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e?？紤]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(tài)時(shí)，其電感可近似認(rèn)為是線性變化的。依據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

式中：e為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；N為線圈匝數(shù)；Φ為鐵芯中產(chǎn)生的磁通，Wb；t為時(shí)間，s。

依據(jù)楞次定律，由磁通變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向總是在線圈中產(chǎn)生能夠抵償磁通變化的感應(yīng)電流［5］。由于變壓器鐵芯具有良好的導(dǎo)磁性能，使得電感顯著增強(qiáng)，單位感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通鏈增加，從而提高了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。理論上，可以采用高電壓克服此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以得到較大的一次電流，但是，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作比較困難，并且危及電力設(shè)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)及變壓器內(nèi)部較大阻抗的存在，一次線圈中的電流很小，再經(jīng)TA 變比折算后得到的二次側(cè)感應(yīng)電流更小，常用二次儀表的精度根本不能滿足要求，無(wú)法觀察到指針萬(wàn)用表的指針偏轉(zhuǎn)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(duì)其加以改進(jìn)才能應(yīng)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(cè)繞組串接干電池和開關(guān)形成電流回路，其他側(cè)繞組短接，如圖4 所示。分析圖4 所示的試驗(yàn)接線方式，當(dāng)閉合電流回路開關(guān)的瞬間，在變壓器電源側(cè)繞組流過(guò)突變電流的同時(shí)，其他兩側(cè)的短接回路中也將流過(guò)由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流將在鐵芯中產(chǎn)生與原磁通方向相反的磁通，即在電源側(cè)繞組中產(chǎn)生與原感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相反的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而削弱了原感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響，顯著增大了回路電流。同時(shí)，另外兩組短接回路中也將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流。此時(shí)，在進(jìn)行變壓器套管TA 極性校核試驗(yàn)時(shí)，可觀察到二次側(cè)的指針式萬(wàn)用表的指針有大幅度偏轉(zhuǎn)，繼而可以通過(guò)指針的偏轉(zhuǎn)情況判斷變壓器套管TA 極性的正確與否。

圖4 改進(jìn)TA極性校核試驗(yàn)接線

結(jié)合文獻(xiàn)［6］的研究成果：在變壓器高壓側(cè)施加電壓、中壓側(cè)和低壓側(cè)短路接地時(shí)，將產(chǎn)生很小的一次電流，經(jīng)TA 變比折算后得到的二次電流不能滿足極性校核試驗(yàn)要求。另外，由于特高壓或超高壓系統(tǒng)的一次設(shè)備本身往往具有很高的構(gòu)架，再加之高壓側(cè)套管的高度，如果在變壓器高壓側(cè)施加電壓，往往需要?jiǎng)佑玫踯嚨却笮蜋C(jī)械，費(fèi)用較高且不利于操作人員的人身安全；在變壓器中壓側(cè)施加電壓、高壓側(cè)和低壓側(cè)短路接地時(shí)，一次電流幅值有較大的提高，經(jīng)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(yàn)要求；在變壓器低壓側(cè)施加電壓、高壓側(cè)和中壓側(cè)短路接地時(shí)，產(chǎn)生的一次電流是在變壓器高壓側(cè)或中壓側(cè)施加電壓產(chǎn)生的一次電流的幾十倍甚至上百倍，經(jīng)TA 變比折算后得到的二次電流能夠被常用二次儀表檢測(cè)到，效果明顯。

4 工程應(yīng)用

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目得以迅猛發(fā)展，新建500 kV 變電站不斷增多，且站內(nèi)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(guān)系，還有著電的聯(lián)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(wèn)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(cè)與中壓側(cè)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(yīng)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(lián)接如圖5所示。

圖5 500 kV自耦變壓器繞組聯(lián)接示意

根據(jù)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(yàn)接線用圖，如圖6 所示。其中，TAHT 為高壓側(cè)套管TA，TAMT 為中壓側(cè)套管TA，TALT1 為低壓側(cè)首端套管TA，TALT2為低壓側(cè)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(cè)，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(cè)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(yàn)接線示意

利用本文提出的變壓器套管TA極性校核方法對(duì)圖6所示的500 kV自耦變壓器各側(cè)套管TA的各圈極性進(jìn)行校核：TALT1的P1端接干電池的正極，TALT2的P2 端接干電池的負(fù)極，TAHT、TAMT 的P1 端可分別通過(guò)合高壓側(cè)接地開關(guān)、中壓側(cè)接地開關(guān)接地，TAGT的P1端已接地，指針式萬(wàn)用表的正表筆接S1、負(fù)表筆接S2，當(dāng)閉合開關(guān)K的瞬間，各側(cè)電流流向如圖6所示，通過(guò)通斷一次電流回路瞬間，觀察萬(wàn)用表指針的偏轉(zhuǎn)方向來(lái)判斷TA極性的正確與否。校核結(jié)果如表1所示。表1中TA繞組編號(hào)如圖5所示。

表1 500 kV自耦變壓器套管TA極性校核結(jié)果

續(xù)表

分析表1 可知，根據(jù)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(cè)極性端P1 均背離變壓器，且TA 二次側(cè)接線采用正引出接線，結(jié)合TA 的減極性法則，一次電流從P1 側(cè)流進(jìn)，二次電流從S1 側(cè)流出，指針式萬(wàn)用表指針正偏，反之，指針式萬(wàn)用表指針?lè)雌?。?jù)此，表1 所列結(jié)果能夠驗(yàn)證TA二次接線的正確性。

5 結(jié)語(yǔ)

變壓器套管TA 極性校核試驗(yàn)是驗(yàn)證TA 二次回路接線正確的必要試驗(yàn)，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(guī)TA 點(diǎn)極性方法的不足以及專門的試驗(yàn)裝置操作相對(duì)復(fù)雜、投資較大等問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)只需干電池、指針式萬(wàn)用表和導(dǎo)線等器材，獲得容易且投資很小；試驗(yàn)電壓很低，不會(huì)對(duì)試驗(yàn)操作人員的人身安全造成威脅；試驗(yàn)接線簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便易行；試驗(yàn)結(jié)果能夠直觀、準(zhǔn)確地校核套管TA 極性；試驗(yàn)方案能夠一次性校核變壓器高、中、低三側(cè)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(shí)定量反映變壓器套管TA 變比。下一步還需要改進(jìn)變壓器套管TA 極性校核方法，使其能夠通過(guò)指針式萬(wàn)用變的偏轉(zhuǎn)方向及幅度反映TA極性及變比。