平衡变压器的带负荷试验

陆 未，宋晓露，张松涛，胡志勇

(国网江苏省电力有限公司南通供电分公司，江苏 南通 226000)

0 引言

对于新建的供电线路继电保护装置，应采用一次电流及工作电压进行带负荷试验。送电后，应测量交流二次电压、二次电流的幅值及相位关系，与系统潮流的大小及方向应一致，确保电压、电流极性和变比正确。铁道牵引变电所采用三相变两相阻抗匹配平衡变压器，与常规三相对称变压器不同。牵引机车对电力系统是单相负荷，在系统侧三相不对称，另外可能有对称电容电流影响，导致常规试验方法不适用，给供电线路带负荷试验带来困难。下面从平衡变压器的接线方式及电压向量入手，分析了平衡变压器的传递关系和铁道牵引变电所的换相联结，得出供电线路带负荷试验预期结果。通过案例验证，试验所得结果与预期一致。

1 平衡变压器的传递关系

三相变两相阻抗匹配平衡变压器是一种铁道牵引变电所用变压器，其一次绕组三相按星形接线，二次绕组为三角形接线，其中一端接地，另外两端都由一个附加绕组引出，两个附加绕组与B相绕组缠绕在同一铁心上。图1为平衡变压器绕组联结，WY，WΔ，Wf分别为平衡变压器一次绕组、二次绕组、附加绕组的匝数，

图1 平衡变压器绕组联结

通过平衡变压器的传递，高压侧三相系统变换为低压侧两相系统。变换后，两相分别向上行和下行的牵引机车供电，有：

式中：UH，IH为高压侧三相系统的电压和电流，UL，IL为低压侧两相系统的电压和电流，S为变压器的视在功率。

为尽可能使两相负荷对三相系统成为平衡负载，要求两相系统电动势幅值相等，相位差90°，图2是平衡变压器电压向量。令三角形绕组电压为UΔ，由几何关系式可得：

图2 平衡变压器电压向量

绕组匝数比K定义为一次绕组、二次绕组的变比，即：

通过平衡变压器的绕组联结原理和式(3)的传递关系，有：

当低压侧Iα不等于Iβ时，高压侧三相电流为平衡系；当低压侧Iα等于Iβ时，高压侧三相电流转化为对称系。因此，不管低压侧Iα与Iβ的关系如何，高压侧三相电流平衡，即：

结合图1中平衡变压器的低压侧电路和每相铁心上绕组安匝平衡关系，有：

2 牵引变电所的换相联结

同一铁路的不同铁道牵引变电所设计的相序一般是不同的。因为牵引机车属于单相负荷，会引起电力系统的三相不对称，带来负序电流分量。因此，为了减少负序电流对电力系统的影响，牵引变电所普遍采用换相联结方式。

以电力部门规定的相序ABC为基准，牵引变电所接入电力系统的相序有6种排列，分别为ABC，ACB，BAC，BCA，CAB，CBA。其中，ABC，BCA，CAB为正相序，ACB，BAC，CBA为负相序。

高压侧三相电压、电流换相联结关系为：

考虑牵引变电所的换相联结，式(4)改写成：

从上文可知，阻抗匹配平衡变压器低压侧两相电压有大小相等、相位差90°的特点。当低压侧两相电流相等时，高压侧三相电流对称。原则上，采用平衡变压器的牵引变电所不需要换相联结。但实际上低压供出负荷不可能相等，高压侧三相电流不可能对称，经常有负序电流出现。所以，采用平衡变压器的牵引变电所一般也进行换相联结。

3 案例验证

下面以甲变电所牵引线路带乙牵引变电所为例说明。甲变电所电压互感器变比nPT=110/0.1，电流互感器变比nCT=1 200/1。乙牵引变电所相序BAC排列，主变为三相变两相阻抗匹配平衡变压器，型号S2-QY-16000/110，高压侧额定电压为110 kV，低压侧额定电压为27.5 kV。

试验时，乙牵引所接入负载为电容器组，额定电压42 kV，额定容量10 Mvar。两次带负荷试验，分别在低压侧α臂、β臂带上述电容器组测试。

3.1 实测数据

表1是第一次带负荷试验(仅α臂带负载)时系统侧三相电压、电流数据。表2第二次带负荷试验(仅β臂带负载)时，系统侧三相电压、电流数据。实测数据具有以下特点：三相电流大小不相等，不是互成120°的正序排列；三相电流向量和为零，无零序分量；三相电压正常，为系统正常值。

表1 第一次带负荷试验三相电压、电流

表2 第二次带负荷试验三相电压、电流

根据该公司《设备启动带负荷试验二次专业人员旁站监督工作任务单》试验过程监督的要求：带负荷试验时要求作出电压、电流矢量六角图，并与负荷潮流核对一致。正常情况下，三相电流应大小相等且角度按正序分布，电压电流相角差符合潮流流向，通过实测数据画出电压、电流矢量六角图能得出试验结论。然而，这一要求仅适用于三相对称负荷。对于三相不对称负荷，若按要求根据实测数据作出矢量六角图，由于三相电流无规律性，试验人员无法获知潮流流向从而给出试验结论。

3.2 理论计算

若仅α臂带负载，结合式(6)、(8)，有：

若仅β臂带负载，同理可得：

通过电容器组额定参数，可得XC=176.4 Ω。经式(3)计算K=2.83。由表1、表2中实测数据，有。以上数据分别代入式(10)、（11），经计算得：

第一次带负荷试验(仅α臂带负载)时，

第二次带负荷试验(仅β臂带负载)时，

3.3 数据分析

实测数据与理论计算结果基本一致，然而不可避免存在误差。可能有以下原因：电流互感器测量误差；电压互感器测量误差；主变传变误差；牵引供电线路电容电流的影响。

前三项是一次设备本身固有误差，难以测量控制。对于线路电容电流，可通过空充实测或经验计算获取。案例中线路电容电流较小，对试验结果影响不大，可忽略不计。因为如果一个对称分量与另一个对称分量相叠加，叠加起来的结果还是对称分量；如果相差不大的一个对称分量与一个不对称分量相叠加，叠加起来的结果还是一个不对称分量且与原来的不对称分量相差较大；如果相差很大的一个对称分量与一个不对称分量相叠加，叠加起来的结果体现原来量较大的分量的特征。需要注意的是，当牵引所不对称负荷较小，供电线路对称电容电流较大，必须考虑供电线路电容电流的影响；否则，误差较大以至于难于做出试验结论。

综上所述，满足规程规定对于带负荷试验的要求，试验结果正确。

4 结束语

牵引机车不是三相对称负荷，供电方式比较特殊。这一供电方式给电力系统运检人员带来一些运行的新问题。首当其冲的是新设备投产带负荷试验。根据平衡变压器特点和牵引变电所换相联结两方面，得出供电线路带负荷试验预期结果，给运检人员实施牵引线路带负荷试验提供技术支撑。目前，该试验方法及思路已用于宁启二期及沪通铁路多条牵引线路带负荷试验，为牵引线路正常投产奠定坚实基础。