110千伏干式变压器断相运行分析

利用对称分量法和过电压理论，分析了中性点不接地的110千伏干式变压器低压侧单相线路在高压侧断线时的电压和电流特性，并找出其规律。结论是调度员可以根据故障现象的特点，及时判断故障性质，隔离故障点，调整运行方式，从而保证供电质量和可靠性。

关键词：干式变压器缺相运行

1.正式介绍

萧山供电局是县级局。电网中的110千伏变电站大多为终端变电站，110千伏干式变压器大多位于

中性点不接地时，110千伏单相线路断线时线路保护和干式变压器保护不动作，但10kV侧电压和电流异常，有些特性类似10kV单相接地和电压谐振。

本文主要分析110千伏线路单相断线时110千伏终端干式变压器低压10kV侧的电压和电流特性，以帮助运行调度人员识别异常运行，及时隔离故障，为继电保护人员对110千伏终端变电站进行保护整定提供依据。

2.运行示例

2005年8月6日中午11点左右，我局某110kV变电站110kV线路C相断线，线路两侧相关设备继电保护不工作。

110kV变电站干式变压器的接线组别为YN和d11，型号为SZ9-40000/110。低压侧额定电压为10.5千伏，低压侧额定电流为2200安。

110kV线路c相断线时变电站主变压器10kV侧电流和10kV母线电压数据见表(1)。

表(1)110千伏线路丙相断线时主变压器10kV侧电流和10kV母线电压数据

时间

主变压器10kV电流(a)

10kV母线电压(千伏)

相电流

b相电流

c相电流

a相电压

b相电压

c相电压

零序电压

10:50

409.57

395.51

400.78

6.06

6.09

六

0.44伏

10:55

202.15

98.44

101.95

6.17

3.1

3.12

1.07伏

11:00

145.9

70.31

73.83

6.18

3.02

3.28

1.44伏

11:05

142.38

68.55

72.07

6.13

3.06

3.15

1.07伏

11:10

135.35

65.04

68.55

6.13

3.05

3.15

1.03伏

表(1)中的数据来自SCADA系统，采样周期为5分钟。

分析表(1)数据具有以下特征：

1)当1)110千伏线路c相断线时，主变压器10kV侧的b、c相电流约为a相的一半.

2)10kv母线B、C相电压约为正常相电压的一半，A相电压略高于正常相电压。这个特性类似于10kV电压谐振。

3)3)10kV母线零序电压小幅上升。这个特点类似于10kV单相接地。

在一般的出版物和教科书中，对系统缺相运行的分析只到达终端的高压侧，而没有连续分析终端低压母线的电压和电流特性。 #p#分页标题#e#

为了解释上述10kV侧数据和现象的原因，通过建立电网模型，采用三序分量法分析计算低压母线的电压和电流特性。

3.模型和参数

2.1型号

分析模型的建立如图(1)所示。

大电网系统以电源g为代表，通过d、yn11连接干式变压器和一次110千伏线路向接线组为YN、d11的110千伏终端变电站干式变压器供电。F1为终端变电站110kV母线，F2为终端变电站10kV母线。

用系统的三个序参量X(1)、X(2)、X(0)表示，F2母线上的负荷用阻抗XD表示。

断裂点在110千伏线路上是A相，断口两端标有Q和K，断口两端Q和K的距离比较近(符合实践中的一般情况)。可以认为断开前q、k点之间的阻抗Zqk0为0。

图(1)1)110千伏线路单相断线系统模型

2.2顺序网络图

根据李光奇-《电力系统暂态分析》，结合图(1)，利用三阶分量法将模型转化为图(2)所示的有序网络图。因为

（X1 X2 X3 X4 XD）=jX，零序阻抗为Z（0）=∞。

下面将通过计算流过故障线路的三序电流、断口间电压来计算终端变电所110kV母线的三序电压、三序电流，继而计算出终端变电所10kV母线的三序电压、三序电流。

图（2）序网图

4.流过故障线路的电流计算

1）从图（2）可以计算流过故障线路的三序电流为

---------------①

2）从而流过故障线路的三相电流为

--------------②

3）线路正常运行中电流

正常运行中三相电流大小为E/X。

4）因此，110kV线路单相断线后，终端110kV干式变压器高压侧健全两相电流方向相反且比正常时略小。

5.断口电压

5.1从图（2）可以计算断口QK三序电压为

-------------③

5.2从而A相断口两端间的电压为

-------------④

6.110kV母线电压的计算

6.1110kV母线三序电压

根据图（2）和式①、③，计算F1母线三序电压为

------------⑤

因此，110kV线路单相断线后，终端110kV变电所110V母线出现零序电压，其大小为正常相电压的一半。即终端110kV干式变压器中性点对地电压为E/2，约为31.75kV。

6.2110kV母线三相电压

根据式⑤，F1母线三相电压为

-------⑥

7.10kV母线电压的分析计算

分析了110kV母线电压特征后，依据干式变压器接线组别，下面对F2母线（10kV母线）的电压特征进行分析计算。

7.1110kV母线三相电压近似值

一般情况下，X4 XD≈X，于是有

-------------⑦

即，110kV母线电压健全相仍保持正常状态，断线相电压降为正常值的一半。后续计算以该近似进行。

7.2110kV母线、10kV母线三序电压关系

7.2.1110kV母线、10kV母线正序电压、负序电压关系

由于干式变压器为Y/Δ，d11接线，所以F2母线正序电压超前F1母线正序电压30度，F2母线负序电压滞后F1母线负序电压30度，表示如下。#p#分页标题#e#

------------⑧

7.2.210kV母线零序电压的分析计算

1）10kV母线零序电压的产生原因

由于干式变压器110kV侧中性点不接地，零序阻抗∞，零序电流为0，110kV侧零序电压通过高低压绕组间电容和低压侧三相对地电容所组成的电容传递回路传递至干式变压器10kV侧，使10kV侧三相出现相同的零序传递电压：UF2（0）=Ua（0）=Ub（0）=Uc（0）。如图（3）。

图（3）绕组间电容传递电压

2）10kV母线零序电压较大值情况

为分析低压侧零序电压的大小，以一台SZ9-40000/110干式变压器空载时，发生高压侧线路单相断线时，计算低压母线零序电压。

调查SZ9-40000/110干式变压器的电容参数为：C12≈4000PF，3C0≈12000PF。

根据图（3），有

。-----------⑨

因此，干式变压器空载或带较短线路运行时，干式变压器高压侧线路发生单相断线故障后，低压侧产生较高零序电压，会导致低压侧单相接地告警装置动作发信，误导运行监控人员。

3）10kV母线零序电压一般情况

调查有关线路资料后，得到以下参数：

1）1公里10kV无架空地线单回线路3C0≈7000PF，

2）1公里10kV电缆线路3C0≈280000PF。

以SZ9-40000/110干式变压器10kV侧有10公里无架空地线单回线路负荷为例计算。C12≈4000PF，3C0≈82000PF，有

。------------⑩

所以，一般情况下，干式变压器低压有负载线路时，高压侧单相断线时，由于3C0较大，低压侧零序传递电压较小，小于0.25E。不会引起10kV侧单相接地告警装置动作发信。

6.3分析在该情况下进行。

7.310kV母线三相电压向量分析

结合7.2.1和7.2.2的分析，对10kV侧三相电压向量分析如图（4）、图（5）、图（6）。

低压侧零序传递电压取0.25E。

1）10kV侧A相电压

如图（4），干式变压器110kV侧线路发生A相断线故障后，10kV侧母线A相电压Ua为0.56E，

即降低到略大于正常相电压一半。

高压A相电压序分量低压A相电压

图（4）高、低压侧A相电压

2）10kV侧B相电压

如图（5），干式变压器110kV侧线路发生A相断线故障后，10kV侧母线B相电压Ub为1.03E，略大于正常相电压。

高压B相电压序分量低压B相电压

图（5）高、低压侧B相电压

3）低压侧C相电压

如图（6），干式变压器110kV侧线路发生A相断线故障后，10kV侧母线C相电压UC为0.56E，即降低到略大于正常相电压一半。

高压C相电压序分量低压C相电压

图（6）高、低压侧C相电压

8.10kV母线电压的分析计算结论

根据以上分析，一般情况下，110kV线路单相断线时，终端110kV变电所的10kV母线电压特征为：

1）两相对地电压降低，降低到正常电压的一半左右，相位相同；一相对地电压升高，比正常运行电压略高。#p#分页标题#e#

2）10kV母线有零序电压产生。大小随10kV运行线路长度而变化。

3）10kV母线有负序电压产生。

9.10kV母线电流的分析计算

9.1根据“4.流过故障线路的电流计算”，110kV线路A相断线时，110kV线路电流为

------------⑾

9.2由于干式变压器为Y/Δ，d11接线，所以10kV母线A相三序电流为

-------------⑿

9.310kV母线三相电流为

-------------⒀

9.4正常运行中10kV母线三相电流大小为E/X=i

10.10kV母线电流的分析计算结论

根据（13）式可知，110kV线路单相断线时，终端变电所的10kV母线电流特征为“两相电流大小和相位相同，且为另一相的一半，相位相反”。电流包含负序分量。

11.结论

110kV线路A相断线时，终端接线组别为YN，d11的110kV干式变压器不接地运行，终端变

电所110kV干式变压器的运行特征如下。

1）10kV母线的电压和电流特征

如表（2），设正常运行中10kV母线相电压为U，相电流为i。

110kV断线相

10kV母线电压

10kV母线电流

Ua

Ub

Uc

Ia

Ib

Ic

A

约U/2

U略高

约U/2

i/2

-i

i/2

B

约U/2

约U/2

U略高

i/2

i/2

-i

C

U略高

约U/2

约U/2

-i

i/2

i/2

表（2）110kV线路上A相断线时主变10kV侧电流和10kV母线电压特征

2）干式变压器空载或带较短线路运行时，干式变压器高压侧线路发生单相断线故障后，低压侧产生较高零序电压，会导致低压侧单相接地告警装置动作发信，误导运行监控人员。运行监控人员人员需要综合考虑低压10kV侧电流和10kV母线电压特征，判断是否为110kV线路单相断线。

3）终端干式变压器低压侧有负序电压、负序电流产生，负序电压、负序电流影响低压侧用户电动机的运行，严重时烧毁电动机线圈，所以需要及时把110kV故障线路断开。

4）终端110kV干式变压器高压侧健全两相电流方向相反且比正常时略小，断线相电流为0。

5）110V母线出现零序电压，其大小为正常相电压的一半。终端110kV干式变压器中性点对地电压为E/2，约为31.75kV。