浅析特高压调压补偿变原理及保护极性

汪　玉， 高　博， 丁津津， 俞　斌， 李远松

(国网安徽省电力公司电力科学研究院， 安徽　合肥　230601)



浅析特高压调压补偿变原理及保护极性

汪玉， 高博， 丁津津， 俞斌， 李远松

(国网安徽省电力公司电力科学研究院， 安徽合肥230601)

摘要：特高压变压器由主体变压器与调压补偿变压器组成，与传统变压器相比，其差动保护需增加调压补偿变差动保护。文章首先分析了特高压变压器调压方式，阐述了调压补偿变的工作原理，通过介绍淮南站调压补偿变的差动保护配置，分析了不同调压档位下的保护极性问题，为后续特高压变电站的运行维护提供参考。

关键词：特高压；调压补偿变；差动保护；极性

0引言

2013年9月25日，1000kV淮南——上海特高压交流输电示范工程[1]正式投运，该工程的投运是世界电力发展史上的重要里程杯，对于推动我国电力工业和装备制造业科学发展具有重要意义。特高压工程的核心技术是变压器，本文主要讨论特高压变压器调压方式，阐述调压补偿变的工作原理，并详细讨论不同档位下的调压补偿变差动保护的极性问题。

1特高压变压器调压方式

采用特高压输电的主要目的是节约投资和节省运行费用，理论上特高压输送容量约为500kV的4至6倍，这就导致特高压变压器容量也相应增加，目前单相容量已超过1000MVA，此外，系统电压等级的提高，对变压器的绝缘提出了更高的要求，这些都将导致变压器体积和重量大大增加。从运输和安装角度讲，特高压变压器应采用单相结构。而采用三相共体变压器，除运输和安装不便外，出现故障时难以及时恢复，会产生重大的经济损失。当特高压变压器采用单相结构时，可在站内配置一台备用相，当变压器某相出现故障时，将故障相切换为备用相，可以极大提高运行的可靠性。

此外，特高压变压器采用自耦变压器，与普通的三绕组变压器相比，自耦变压器具有省材料、损耗少、重量轻、尺寸小、成本低、便于安装和运输等优点。在超高压特高压系统中还可以改善系统稳定性，因而，特高压变压器采用单相自耦变压器。

从变压器的调压方式[2,3]来说，可分为有载调压和无励磁调压。其中无励磁调压变压器在运行中不能带载调节分接位置调整电压，当输送功率和系统电压较大时，需分阶段投切低压无功补偿设备。有载调压变压器可在不停电和频繁投切无功补偿装置的情况下迅速可靠地调节系统电压，改变输送功率，极大提高特高压交流输电的可靠性和灵活性，但有载调压会增加变压器结构复杂性，提高设备造价。特高压皖南站率先采用有载调压变压器，为更好地解决无功控制难题、提高特高压运行灵活性提供了重要技术手段。

从调压位置分，自耦变压器的调压方式可分为线端调压和中性点调压。线端调压通常指中压侧线端调压，这种调压方式的优点是中压侧调压时，低压侧基本不受影响，缺点是中压侧绝缘处理难度大，目前500kV变压器多采用线端调压方式。采用中性点调压方式的调压绕组电压低，绝缘要求低，制造工艺简单，整体造价低。中性点调压的缺点是调压时主体变磁通会发生变化，进而引起低压侧电压的较大变化，即出现过激磁和第三绕组电压偏移现象。对于特高压变压器来说，首先需要考虑的是绝缘问题，如采用线端调压方式，中压侧大量引线绝缘问题难以解决，系统可靠性差。而采用中性点调压方式，通过合理设计进行电压补偿，保证低压侧电压基本不受影响。故特高压变压器采用中性点调压方式。

2特高压调压补偿变原理

图1　淮南站调压补偿变差动保护原理图

皖电东送特高压淮南站采用Y/Y/△接线方式，即主变高压侧和中压侧采用星型方式接线，低压侧采用三角形方式接线。由于采用变磁通调压方式，当调节调压绕组进行调压时，会引起低压绕组电压的较大波动，因而引入补偿绕组补偿低压绕组的波动，确保调压时低压绕组维持在一定水平。

淮南站调压补偿变结构原理图如图1所示，SV为串联绕组，CV为公共绕组，LV为低压绕组，TV为调压变调压绕组，EV为调压变励磁绕组，LT为补偿变补偿绕组，LE为补偿变励磁绕组，其中调压变调压绕组与补偿变励磁绕组并联，调压变励磁绕组与低压绕组并联，低压绕组与补偿变补偿绕组串联接入110kV侧A母线与B母线之间。为方便安装，指定各绕组的极性端指向变压器的外侧，即指向相应的母线侧。

当调压绕组处于正档位时，调压绕组电压与公共绕组电压同向；当调压绕组处于额定档位时，调压绕组不接入；当调压绕组处于负档位时，调压绕组电压与公共绕组电压反向。假设高压侧相电压保持不变，当调压绕组调整使接入调压绕组的绕组匝数降低，调压变调压绕组电压降低，串联绕组和公共绕组电压上升，低压绕组电压同样上升，由于低压绕组与调压变励磁绕组并联，调压变励磁绕组电压上升，从而引起调压绕组电压一定程度的上升，这个效果与匝数降低产生的电压降低相叠加，最终调压绕组电压仍会降低，但降低的幅度较小。这就是特高压调压补偿变的电压负反馈效应，该效应可以有效降低调压时的电压变化，降低绝缘要求。

此外，由于补偿变励磁绕组与调压绕组并联，其绕组电压会降低，补偿变补偿绕组同样会降低，通过串联低压绕组和补偿变绕组，可以保证低压侧线电压基本维持不变，从而达到对低压侧电压进行补偿的目的。当调压绕组档位为负档位时，分析方法与上述相似，此处不再赘述。当调压绕组档位为额定档位时，调压绕组不再接入，此时调压变调压绕组、补偿变补偿绕组及其励磁绕组电压均为0，低压绕组直接接入110kV侧A母线与B母线之间。在这种情况下，调压补偿变可直接退出运行。

下面从定量计算的角度进行更进一步的分析，由图1可知，串联绕组SV、公共绕组CV和低压绕组LV具有电磁耦合关系，设其每匝电压为E1；调压变调压绕组及其励磁绕组具有电磁耦合关系，设其每匝电压为E2；补偿变补偿绕组及其励磁绕组具有电磁耦合关系，设其每匝电压为E3。设公共绕组CV的匝数为nCV，其余绕组匝数以此类推。假设高压侧相电压保持不变，设为EH，可表述为：

nSVE1+nCVE1+nTVE2=EH

(1)

由调压变调压绕组与补偿变励磁绕组并联可知：

nTVE2=nLEE3

(2)

由低压绕组与调压变励磁绕组并联可知：

nLVE1=nEVE2

(3)

易知中压侧电压EM和低压侧电压EL可表示为：

EM=nCVE1+nTVE2

(4)

EL=nLVE1+nLTE3

(5)

代入不同绕组的匝数、高压侧电压即可求得中压侧和低压侧电压。通过计算可知，当调节调压变调压绕组档位时，中压侧调压范围在±5%以内，可保证低压侧线电压变化范围在±1%以内。

3特高压调压补偿变保护配置

特高压变压器主保护配置了差动速断、比率差动、分侧比率差动等差动保护[4,5]，可有效保护主体匝间短路、相对地短路和引出线相间短路、相对地短路。然而，对于调压补偿绕组，由于其绕组匝数相对于主体串联绕组和公共绕组匝数较小，且调压补偿变绕组每匝电压相对于主体变绕组电压也较小，当发生调压补偿变匝间短路时，主体差动电流难以起动主体差动保护定值。根据中国电科院的型式试验，当调压变发生25%匝间短路时，变压器主体差动保护刚刚超过差动起动电流，当调压变匝间短路小于25%时，差动保护可能不能起动。因而，需要单独配置调压补偿变差动保护。由于调压变的差动保护仅用来提高小故障下的灵敏度，故无需配置差速断保护。

皖电东送特高压淮南站共配置两套差动保护，分别为南瑞继保PCS-978C-UB和许继WBH-801A，每套保护均集成调压变差动保护和补偿变差动保护。图1为淮南站调压补偿变的差动保护配置图，调压补偿变差动保护采用电流互感器TA5、TA6、TA7和TA8，TA5、TA6和TA7构成调压变差动保护，TA6和TA8构成补偿变差动保护，其中TA5、TA6、TA7、TA8分别采用TPY 2500/1、TPY 1000/1、TPY 1000/1和TPY 4000/1绕组，采用大变比的TPY绕组，能够满足保护暂态性能的要求。

由于调压绕组匝数较少，为达到调压目的，调压绕组的调压范围必然较大，调压补偿变容量和变比变化也较大，即一次参数波动较大，为了提高调压补偿变差动保护的灵敏度，需要为每个档位分别配置保护定值。同时，调压变正负档位调整时，流过调压变的电流方向会发生变化，需要对保护的极性进行特殊的处理，具体内容见第4节，为每个档位分别配置定值，也可减少实际运行中保护定值的误操作，提高运行的安全性。

值得注意的是，在晋东南特高压调压补偿差动保护配置中，采用电流互感器TA5、TA6、TA7构成调压变差动保护，采用电流互感器TA4、TA6、TA7构成补偿变差动保护。而在淮南站特高压调压补偿变差动保护配置中，调压变差动保护与晋东南相同，但补偿变差动保护采用TA6和TA8，简化了保护配置的逻辑。

4特高压调压补偿变保护极性讨论

对于差动保护来说，保护极性直接影响保护逻辑的判断结果，如果保护极性接反，可能会导致差动保护的误动或者拒动。为方便安装，电流互感器的一次极性端指向变压器外侧且二次极性端与一次极性端同向。由于调压变差动和补偿变差动共用电流互感器TA6，电流互感器的二次极性较为复杂，且当调压变档位正负切换时，流过电流互感器TA5、TA6的一次电流方向会发生变化，二次极性的选择也需要随之调整。为减小出错，物理接线中二次电流均由极性端接入保护装置，由保护软件根据需要进行极性调整。

当调压变档位为正档位时，如图2所示，规定流入EV极性端电流为正，流出TV极性端为正，将流过TA5和TA6的二次电流归算至高压侧，可知ITA7=ITA5+ITA6，流入调压变差动保护的差动电流为ITA7-ITA5-ITA6，由于TA5、TA6、TA7的电流均从互感器的极性端流入，在保护软件中，仅需对TA5和TA6的二次电流取反，TA7的二次电流保持不变，即将TA5、TA6、TA7的二次电流极性分别整定为负极性、负极性、正极性。

图2　调压变二次电流方向

当调压变档位为负档位时，同样规定流入EV极性端电流为正，流出TV极性端为正，此时流入TA5和TA6的电流方向与正档位时相反，将流过TA5和TA6的二次电流归算至高压侧，可知ITA7=-ITA5-ITA6，流入调压变差动保护的差动电流为ITA7+ITA5+ITA6，由于TA5、TA6、TA7的电流分别从互感器非极性端、非极性端、极性端流入，在保护软件中，在对TA5和TA6的二次电流进行取反的基础上，将TA7的二次电流取反，即将TA5、TA6、TA7的二次电流极性分别整定为负极性、负极性、负极性。

调压变档位发生变化时，补偿变原边和附边的极性不发生变化，即不论调压变档位为正或为负，补偿变差动的电流互感器TA6和TA8的极性保持不变。如图3所示，规定流入LE极性端电流为正，流出LT极性端电流为正，将流过TA8的二次电流归算至高压侧，此时-ITA6=-ITA8，流入补偿变差动保护的差流为ITA8-ITA6，由于电流互感器TA6、TA8的电流从非极性端流入，在保护软件中，对TA8的二次电流取反即可，即将TA6、TA8的二次电流极性分别整定为正极性、负极性。

图3　补偿变二次电流方向

当调压变档位为额定档位时，电流互感器TA5、TA6极性端直接接地，没有电流流过调压变调压绕组，此时，补偿变励磁绕组LE电压为0，补偿变调压绕组LT电压同样为0，低压绕组LV电压即为110kV线电压，调压补偿变可退出运行而不影响变压器的正常工作。此时，调压变差动保护只保留TA7电流，相当于普通的过流保护。

5结论

文章重点分析了特高压变压器不同调压方式，针对特高压淮南站的调压补偿变分别进行了定性和定量分析，分析结果表明调压变调压过程中，通过补偿变的补偿作用可保证低压侧电压波动在一定范围之内。此外，通过对调压补偿变的差动保护配置的介绍，分析了不同调压档位下的保护极性配置，为后续特高压变电站的运行维护提供参考。

参考文献：

[1] 刘振亚.特高压电网[M].北京：中国经济出版社,2005.

[2] 郭慧浩,付锡年.特高压变压器调压方式的探讨[J].高电压技术,2006,32(12):112-114.

[3] 原敏宏，李忠全，田庆.特高压变压器调压方式分析[J].水电能源科学,2008,26(14):172-174.

[4] 高文彪,赵宇亭,赵成运.特高压变压器两种调压方法及调压补偿变保护浅析[J].变压器，2013，50(1)：38- 41.

[5] 田庆.特高压交流试验示范工程主变保护配置探讨[J].高电压技术，2009，35(7)：1540-1545.

[责任编辑：王敏]

Operating Principle and Protection Polarity of UHV Regulation and Compensating Transformer

WANGYu,GAOBo,DINGJin-jin,YUBin,LIYuan-song

(ElectricPowerResearchInstituteofStateGridAnhuiElectricPowerCorporation,Hefei230601,China)

Abstract:The UHV transformer is composed of two parts: the main transformer, the regulation and compensating transformer. Compared with traditional transformer, there are individual differential protections for the regulation and compensating transformer. This paper analyzes the voltage regulation model of UHV transformer, and expounds the operating principle of the regulation and compensating transformer. Through introducing the differential protection configuration of Huainan station, the protection polarity problem of different tap positions is analyzed, which can provide some references for the subsequent operating and maintenance of UHV station.

Key words:UHV; regulation and compensating transformer; differential protection; polarity

中图分类号：TM761

文献标识码：A

文章编号：1672-9706(2016)01- 0065- 05

作者简介：汪玉(1987-)，男，安徽合肥人，工程师，博士，国网安徽省电力公司电力科学研究院。E-mail：netfish@foxmail.com丁津津(1984-)，男，安徽合肥人，工程师，硕士，国网安徽省电力公司电力科学研究院。李远松(1987-)，男，河南信阳人，工程师，硕士，国网安徽省电力公司电力科学研究院。

收稿日期：2015-10-27

高博(1981-)，男，安徽宿州人，工程师，硕士，国网安徽省电力公司电力科学研究院。

俞斌(1986-)，男，浙江台州人，工程师，硕士，国网安徽省电力公司电力科学研究院。