500 kV自耦变压器套管电流互感器极性校核方法研究

张富超，杨红霞，芮建勋，张丽丽，张富春

（1.河北省送变电有限公司，河北 石家庄 050051；2.国网河北省电力有限公司深泽县供电分公司，河北 石家庄 052560；3.秦皇岛华源电力工程设计有限公司，河北 秦皇岛 066000；4.国网冀北电力有限公司秦皇岛供电公司，河北 秦皇岛 066000）

0 引言

为确保变压器电流互感器（TA）二次回路正确及相关保护动作无误，须进行变压器套管TA 极性校核试验［1］，该试验不仅与变压器的差动保护直接相关［2-6］，还与复合电压方向过流保护等与方向相关的保护相关。变压器TA 的一次安装及二次接线情况，将直接影响继电保护装置的告警或动作行为［7-10］，继而影响相关设备对电力系统运行状态的实时监控以及事故处理能力［11-12］。因此，进行变压器套管TA 极性校核试验以确保TA 极性正确，是电力建设改造工程的一项重要工作，也是变压器接入电网投入运行的重要前提。

目前，变压器套管TA 极性校核方法主要有：干电池点极性法、外加直流电源法和交流电压法［13-16］。其中，干电池点极性法是在TA 一次侧加3 V 直流电压，二次侧接指针式万用表，通过通断一次侧直流回路，观察指针式万用表的偏转情况判断TA 极性的正确与否。该方法操作安全、接线简单、结果直观，但是由于变压器套管TA 串接了很大的变压器一次阻抗，一次点极性时，将产生很小的一次电流，再经TA 变比折算后得到的二次电流更是微乎其微，常用二次仪表的精度难以满足要求。外加直流电源法是为了提高干电池点极性法中的直流电压而用直流电源代替干电池的方法。该方法虽然在一定程度上能够提高回路电流，使得指针式万用表指针偏转幅度变得明显，但是在断开电源时，断开点处将产生过电压并拉弧，严重危及操作人员的人身安全。交流电源法是将交流电源加到变压器某侧，其他各侧与中性点短接，用卡钳表检测一次电流，并观察微机保护装置显示的二次差流是否为零，若为零，说明变压器套管TA 极性正确。该方法操作不方便、接线复杂且电压较高危及操作人员的人身安全。文献［17］利用自主研发的四通道极性测试仪测试变压器套管TA 安装后的极性，虽然该方法结果准确、效率较高，但是试验装置操作相对复杂，投资较大。

针对变压器套管TA 极性校核方法存在的问题以及专门的试验装置操作相对复杂、投资较大等问题，在深入分析干电池点极性方法的基础上，对干电池点极性方法进行改进，提出了一种500 kV自耦变压器套管TA 极性校核方法，该方法既能够保留干电池点极性方法的优点，又能弥补常规变压器套管TA 极性校核方法的不足，解决专门的试验装置操作复杂、投资大等问题，具有很好的实用性。

1 变压器套管TA极性校核的基本原理

正确的TA 极性是确保整个变电站保护向量正确的重要因素，直接影响电流差动保护等与方向相关的保护动作正确性与否。国内TA 均采用减极性接法，所谓减极性是指从TA 一、二次绕组的同名端通入同方向的电流时，将在铁芯中产生方向相同的磁通。在实际工程应用中，TA 一次绕组接线端常标注为P1、P2，二次绕组接线端常标注为S1、S2。其中，P1 和S1、P2 和S2 为同极性端，P1 和S2、P2 和S1为非同极性端。TA 二次绕组的S1 接线端与保护装置的A 或B 或C 接线端相接，S2 接线端与保护装置的AN 或BN 或CN 接线端相接，称为TA 二次绕组接线的正引出。反之，称为TA 二次绕组接线的反引出。在实际工程应用中，TA 二次绕组接线一般采用正引出接线方式。

以三绕组变压器差动保护为例，说明TA 极性校核的基本原理。国内各变压器保护厂家的保护装置均采用各侧电流向量和的差动电流计算方法，即，其中，为变压器差动电流，分别为变压器高压侧电流、中压侧电流和低压侧电流。当主变压器正常运行或发生区外故障时，差动电流为零，保护装置不应该动作；当主变压器发生区内故障时，差动电流将远大于零，保护装置应动作。按照主变压器保护装置要求，TA 正确的一次安装及二次接线情况如图1所示。

图1 变压器套管TA极性配置正确接线

如果主变压器某侧TA 一次安装接反，以低压侧为例，如图2所示。

图2 变压器低压侧TA极性配置错误接线图

图2中，由于TA一次安装错误导致的TA极性错误，可通过TA 极性校核试验得以避免。以干电池点极性法为例，TA 一次绕组的P1 接线端接电池正极，P2 接线端接电池负极，指针式万用表的正表笔接TA 二次绕组的S1 接线端，负表笔接TA 二次绕组的S2 接线端，根据TA 的减极性及正引出原则，如果按照图1 所示的接线，测量各侧TA 极性时的指针式万用指针偏转情况为：当接通一次电流回路时，万用表指针均正偏，断开一次电流回路时，万用表指针均反偏，说明TA 极性正确。而按照图2 所示的接线，测量各侧TA 极性时的指针式万用指针偏转情况为：当接通一次电流回路，测量变压器高压侧、中压侧时，万用表指针正偏，测量变压器低压侧时，指针式万用表反偏，断开一次电流回路，测量变压器高压侧、中压侧时，万用表指针反偏，测量变压器低压侧时，万用表指针正偏，很明显变压器低压侧TA极性错误。

在实际工程应用中，习惯将变压器各侧TA 一次绕组的P1 接线端朝向母线侧，二次绕组接线采用正引出，针对干电池点极性法，TA 一次绕组的P1 接线端接电池正极，P2接线端接电池负极，指针式万用表的正表笔接TA 二次绕组的S1 接线端，负表笔接TA二次绕组的S2 接线端，根据TA 的减极性及正引出原则，当接通一次电流回路时，指针式万用表指针应正偏，断开一次电流回路时，指针式万用表指针应反偏，说明TA 极性正确。如果主变压器某侧万用表指针偏转方向与上述相反，则说明该侧TA 极性错误，需倒换TA 一次安装或二次接线。需要说明的是，当主变压器各侧TA 一次绕组的P1 接线端均朝向被保护设备如变压器、线路等设备时，其极性测试方法也是相同的，这里不再赘述。

2 干电池点极性法

干电池点极性法是在TA 一次侧加3 V 直流电压，二次侧接指针式万用表，通过合断一次侧直流回路，观察指针式万用表的偏转情况，从而判断TA 极性的正确与否。500 kV 变压器普遍采用单相三绕组自耦变压器，以单相三绕组变压器为例，分析干电池点极性法校核变压器套管TA 极性的基本原理，试验接线如图3所示。

图3 常规TA极性校核试验接线

当闭合电流回路开关K 的瞬间，变压器绕组中将流过突变电流I，突变电流在变压器铁芯中产生随时间变化的磁通Φ，继而在变压器绕组中产生与磁通变化速率密切相关的感应电动势e。考虑变压器铁芯制造工艺，其存在较大的气隙，且处于非饱和状态时，其电感可近似认为是线性变化的。依据电磁感应定律，感应电动势为

式中：e为感应电动势，V；N为线圈匝数；Φ为铁芯中产生的磁通，Wb；t为时间，s。

依据楞次定律，由磁通变化产生的感应电动势方向总是在线圈中产生能够抵偿磁通变化的感应电流［5］。由于变压器铁芯具有良好的导磁性能，使得电感显著增强，单位感应电流产生的磁通链增加，从而提高了感应电动势。理论上，可以采用高电压克服此感应电动势，以得到较大的一次电流，但是，现场实际操作比较困难，并且危及电力设备及人员安全。因此，在3 V 干电池作为电源的情况下，由于感应电动势及变压器内部较大阻抗的存在，一次线圈中的电流很小，再经TA 变比折算后得到的二次侧感应电流更小，常用二次仪表的精度根本不能满足要求，无法观察到指针万用表的指针偏转情况。因此，该方法不适用于变压器套管TA 极性的校核，必须对其加以改进才能应用于变压器套管TA极性的校核。

3 变压器套管TA极性校核法

将变压器某侧绕组串接干电池和开关形成电流回路，其他侧绕组短接，如图4 所示。分析图4 所示的试验接线方式，当闭合电流回路开关的瞬间，在变压器电源侧绕组流过突变电流的同时，其他两侧的短接回路中也将流过由感应电动势产生的感应电流，该感应电流将在铁芯中产生与原磁通方向相反的磁通，即在电源侧绕组中产生与原感应电动势方向相反的感应电动势，从而削弱了原感应电动势的影响，显著增大了回路电流。同时，另外两组短接回路中也将产生较大的感应电流。此时，在进行变压器套管TA 极性校核试验时，可观察到二次侧的指针式万用表的指针有大幅度偏转，继而可以通过指针的偏转情况判断变压器套管TA 极性的正确与否。

图4 改进TA极性校核试验接线

结合文献［6］的研究成果：在变压器高压侧施加电压、中压侧和低压侧短路接地时，将产生很小的一次电流，经TA 变比折算后得到的二次电流不能满足极性校核试验要求。另外，由于特高压或超高压系统的一次设备本身往往具有很高的构架，再加之高压侧套管的高度，如果在变压器高压侧施加电压，往往需要动用吊车等大型机械，费用较高且不利于操作人员的人身安全；在变压器中压侧施加电压、高压侧和低压侧短路接地时，一次电流幅值有较大的提高，经TA 变比折算后得到的二次电流基本能够满足极性校核试验要求；在变压器低压侧施加电压、高压侧和中压侧短路接地时，产生的一次电流是在变压器高压侧或中压侧施加电压产生的一次电流的几十倍甚至上百倍，经TA 变比折算后得到的二次电流能够被常用二次仪表检测到，效果明显。

4 工程应用

随着国民经济的快速发展，电网建设项目得以迅猛发展，新建500 kV 变电站不断增多，且站内主变压器普遍采用单相三绕组自耦变压器［18-21］。自耦变压器的一次绕组和二次绕组之间不仅存在磁耦合关系，还有着电的联系［7］。采用星形接线方式的自耦变压器要受三次谐波磁通的影响，为了解决该问题，往往增加一角接的第三绕组作为低压绕组，且在自耦变压器高压侧与中压侧之间存在公共绕组［8］。本文以某变电站的500 kV 单相三绕组自耦变压器为例，应用所提出的变压器套管TA 极性校核方法校核各套管TA 极性。500 kV 单相三绕组自耦变压器铭牌所示的绕组联接如图5所示。

图5 500 kV自耦变压器绕组联接示意

根据图5 所示的自耦变压器绕组连接示意，绘制自耦变压器套管TA 极性校核试验接线用图，如图6 所示。其中，TAHT 为高压侧套管TA，TAMT 为中压侧套管TA，TALT1 为低压侧首端套管TA，TALT2为低压侧尾端套管TA，TAGT 为公共绕组套管TA。由图6 可以看出，TAHT、TAMT、TALT1 的一次安装均为P1朝向母线侧，TALT2的一次安装为P1朝向变压器，TAGT 的一次安装为P1 背离变压器；各侧套管TA的二次接线均采用正引出接线。

图6 500 kV自耦变压器套管TA极性校核试验接线示意

利用本文提出的变压器套管TA极性校核方法对图6所示的500 kV自耦变压器各侧套管TA的各圈极性进行校核：TALT1的P1端接干电池的正极，TALT2的P2 端接干电池的负极，TAHT、TAMT 的P1 端可分别通过合高压侧接地开关、中压侧接地开关接地，TAGT的P1端已接地，指针式万用表的正表笔接S1、负表笔接S2，当闭合开关K的瞬间，各侧电流流向如图6所示，通过通断一次电流回路瞬间，观察万用表指针的偏转方向来判断TA极性的正确与否。校核结果如表1所示。表1中TA绕组编号如图5所示。

表1 500 kV自耦变压器套管TA极性校核结果

续表

分析表1 可知，根据变压器套管TA 极性校核的基本原理，该变压器套管TA 的一次侧极性端P1 均背离变压器，且TA 二次侧接线采用正引出接线，结合TA 的减极性法则，一次电流从P1 侧流进，二次电流从S1 侧流出，指针式万用表指针正偏，反之，指针式万用表指针反偏。据此，表1 所列结果能够验证TA二次接线的正确性。

5 结语

变压器套管TA 极性校核试验是验证TA 二次回路接线正确的必要试验，本文提出的500 kV 自耦变压器套管TA 极性校核方法能够解决常规TA 点极性方法的不足以及专门的试验装置操作相对复杂、投资较大等问题。现场试验只需干电池、指针式万用表和导线等器材，获得容易且投资很小；试验电压很低，不会对试验操作人员的人身安全造成威胁；试验接线简单，操作简便易行；试验结果能够直观、准确地校核套管TA 极性；试验方案能够一次性校核变压器高、中、低三侧以及公共绕组的套管TA 极性，不需要中途更改接线。但是该方法只能定性分析变压器套管TA 极性，不能同时定量反映变压器套管TA 变比。下一步还需要改进变压器套管TA 极性校核方法，使其能够通过指针式万用变的偏转方向及幅度反映TA极性及变比。