0 引言

目前部分地区配电网存在供电半径过长、无功功率难以自动调节、配电变压器无法有载智能调压等问题，尤其是接纳大量小水电的配电网，枯水期常出现负荷电压严重不足，丰水期负荷电压严重超标，用户电压质量难以得到保障。为调整用户供电电压，保证电压质量，通常采用静止无功调节装置、旋转无功调节装置或调压器对系统电压进行调节^[1-5]。

广州地区10 kV配电网系统电源侧经10 Ω小电阻接地，负荷侧配电变压器采用dyn接线形式，10 kV侧为三角形接线形式，380 V侧为星形接地形式。为改善用户电压质量，广州供电局有限公司拟采用调压器对用户电压进行调整。本文结合广州地区10 kV配电网特点，分析了小电阻接地配电网系统接入调压器的双向电压调节能力^[6-9]，以及调压器不同接线形式对系统故障电流的影响，进而推荐适合广州地区配电网特点的调压器接线方式，并提出配电网保护定值整定方法。

1 调压器主要接线形式

调压器通常由单相自耦变压器组合而成，其接入配电网的主要形式为开口三角形（V）接线、三角形（△）接线和星形（Y）接线^[10-14]。

开口三角形接线形式只需要两个单相调压器，调压器分别接在L1、L3相，调压器中性线为L2相。三角形接线形式需要3个单相调压器，调压器分别接在L1、L2、L3相，调压器中性线为被调相的超前相。星形不接地接线形式需要3个单相调压器，调压器分别接在L1、L2、L3相，三相调压器中性线相连。目前配电网中使用的调压器大部分为自耦变压器，可以节约设备材料费用，调压器的原副边间存在电的联系^[15-18]。针对上述三种接线形式，分别对调压器改变系统电压的能力，调压后三相电压是否对称，调压器对系统故障电流分布的影响进行分析^[19-20]。

2 调压器调压能力计算 2.1 PSCAD仿真计算

为分析调压器的调压能力，在PSCAD软件中建立仿真模型（见图 1），分别计算三种接线形式下调压器的调压能力。仿真系统的正、负序阻抗均为0.4 Ω，供电变压器中性点采用10 Ω小电阻接地，系统零序阻抗约为30.01 Ω。调压器单相容量设置为4 MVA，漏抗为0.02（p.u.），调压器短路阻抗约为0.5 Ω，单相调压比分别设为10 kV/12 kV、10 kV/11 kV、10 kV/10 kV、10 kV/9 kV、10 kV/8 kV。根据上述参数，开展调压器接入系统后的调压能力仿真分析，计算结果如表 1所示。由表 1可见，三种接线形式下的调压器均能实现对负荷的双向调压，开口三角形接线和星形接线调压能力一致，均与单相调压器调压比相同；三角形接线调压器的调压能力比单相调压器更强，对单相调压比有放大作用，且从PSCAD仿真结果看，三种接线形式的调压器调压后系统电压仍保持对称，可以有效起到电压双向调节作用。

2.2 调压作用相量计算

星形和开口三角形接线调压能力分析较为简单，本文主要分析三角形接线形式下调压器的调压能力。

2.2.1 升压计算

当调压器处于升压状态，单相升压比为1/1.2时，根据三角形接线形式调压器的拓扑结构，系统电压向量图如图 2所示。图 2中，U_A、U_B、U_C为调压前系统电压，U_A′、U_B′、U_C′为调压后系统电压。调压器单相调压比为1/1.2，即：AA′=0.2AC′，BB′=0.2BA′，CC′=0.2CB′。U_A′为U_A叠加0.2U_AC′，U_B′为U_B叠加0.2U_BA′，U_C′为U_C叠加0.2U_CB′。根据系统电压对称特点，△ABC、△A′B′C′均为等边三角形，假设△ABC边长为1，根据余弦定理可知：

(1)

(2)

(3)

经三角形接线形式、变比为1/1.2的调压器升压后，系统电压升高了1.309 3倍，与PSCAD仿真结果基本一致。

根据正弦定理可知：

(4)

(5)

即经过三角形接线的调压器调压后，系统电压相位发生了改变。当单相调压比为1/1.2时，移相角度约为10.89°，调压后的电压超前调压前电压10.89°。

2.2.2 降压计算

当调压器处于降压状态时，按照升压模式的分析方法进行计算，可知当单相调压比为1/0.8时，调压后电压降低至原电压的0.718，调压后电压滞后调压前电压8.95°。因此，三角形接线调压器不适用于需要合环运行的配电网系统。

3 调压器对系统故障电流的影响 3.1 PSCAD仿真计算

利用2.1节仿真模型的参数，仿真计算系统故障时不同接线形式下调压器对系统短路电流的影响。设短路过渡电阻为0.01 Ω，系统运行0.1 s后发生故障，故障持续时间为0.3 s，调压器对系统短路电流的影响见表 2。

由表 2可见，开口三角形接线调压器导致系统结构不对称，在三相对称性故障时仍存在较大零序电流，且三相故障电流差别较大，调压器参考相（L2相）故障电流远大于其他相。星形接线调压器和三角形接线调压器三相故障时故障电流相同，单相故障时，星形接线调压器阻断了零序通道，变电站无法采集到零序电流，将导致零序过流保护拒动；三角形接线调压器零序通道正常，变电站可以采集到零序电流，零序过流保护动作。

进一步分析可知，三角形接线调压器的漏抗增加了系统短路阻抗，对故障电流有降低作用。调压器处于升压状态时对故障电流有增加作用，处于降压状态时对故障电流有降低作用。与未串入调压器相比，串入三角形接线调压器后故障电流大小可能增大，也可能减小，具体变化情况与系统参数、调压器参数以及调压器工作状态有关。

3.2 电路分析计算

开口三角形接线调压器会导致系统不对称，不推荐使用。本文主要分析三角形和星形接线情况下系统的零序阻抗，以及单相接地故障时的故障电流特征，分析两种接线形式调压器在广州电网中的适应性。

3.2.1 星形接线调压器单相接地故障

单相接地故障时，故障序网为正、负、零序三序网络串联，为分析单相接地故障特征需先分析系统零序阻抗。如图 3所示，在星形接线的调压器中，零序电流只能经调压器串联绕组流动，公共绕组零序电流I₀为0。在零序网络中调压器铁心的磁通仅由串联绕组产生，公共绕组不产生去磁磁通，零序阻抗为非公共绕组励磁阻抗，阻抗值非常大。星形接线调压器接入系统的零序等值网络如图 4所示，调压器的串联绕组励磁阻抗串接在回路之中。若忽略调压器的励磁电流，单相接地故障时零序电流I₀为0，与PSCAD仿真计算结果一致。但调压器铁心饱和磁通一般约为额定磁通的1.2倍，非公共绕组压降大于其额定压降的1.2倍时铁心开始饱和，非公共绕组励磁阻抗急剧下降，此时变电站可以采集到零序电流。该零序电流的大小与铁心饱和程度及铁心饱和特性有关。

3.2.2 三角形接线调压器单相接地故障

三角形接线调压器在故障点施加零序电压时，调压器公共绕组和非公共绕组均可以流过电流。当调压器单相调压比为1/1.1时，忽略调压器励磁电流，各绕组电流值如图 5所示。公共绕组电流为0.1I₀，非公共绕组电流为0.9I₀，调压器前后端零序电流值相等，均为I₀。调压器串入系统引入的零序阻抗为调压器漏抗，电路分析结果与PSCAD仿真计算结果一致。即调压器采用三角形接线时系统零序通道正常，调压器上游的变电站能够采集到零序故障电流，确保故障时馈线断路器能够快速跳闸。

4 配电网接入三角形调压器后的定值调整

在小电阻接地系统中，单相接地故障和相间故障均需要保护动作跳闸以快速切除故障。针对小电阻接地系统，采用三角形接线调压器进行调压能够满足需求。为确保调压器接入后原有保护不受影响，根据接入三角形调压器对系统故障电流影响的特征，对接地故障和相间故障分别进行校核。以广州配电网某双向调压的调压器为例，该型调压器容量为1~5 MVA，短路阻抗Z_k < 0.9%，则：

(6)

式中：U_n为系统额定电压，广州配电网系统额定电压为10 kV；S_n为调压器额定容量；U_k为调压器短路电压比，通过实测获得。根据公式（3），调压器容量为1~5 MVA时，调压器的短路阻抗Z_k为0.32~1.60 Ω。根据变压器阻抗折算关系可知：

(7)

式中：Z_s为调压器下游短路阻抗；Z_p为折算到调压器上游的阻抗；k为调压器变比。

(8)

(9)

式中：I_k为调压器下游相间故障的故障电流；Z_c为系统阻抗；I₀为系统单相接地故障时的零序电流；R为变电站接地电阻，广州地区变电站接地电阻为10 Ω；Z₀为除变电站接地电阻外的系统零序阻抗。当调压器容量确定后，Z_k确定，仅调压器变比k根据需要实时调整变化。根据Z_k和k的值，由公式（5）和（6）计算出相间短路和单相接地短路故障电流，对限时速断保护、定时限过流保护、零序过流保护分别进行校核。

为适应配电网保护定值整定需求，可根据线路现有系统阻抗、线路阻抗，调压器短路阻抗、调压比变化范围，计算接地故障和相间故障时故障电流的大小，进而对保护定值进行校核和调整。

（1）限时速断保护要确保可躲过用户配电变压器低压侧三相故障短路电流。当调压器处于最小变比时变电站采集的故障电流最大，应校核调压器最小变比时限时速断保护定值能否躲过用户配电变压器低压侧三相故障短路电流。

（2）定时限过流保护原则上按躲过线路最大负荷电流整定，需保证该保护作为远后备保护的灵敏系数大于1.3I_n。当调压器处于最大变比时变电站采集的故障电流最小，应校核调压器最大变比时定时限过流保护定值的灵敏系数大于1.3I_n。

（3）零序过流保护按躲过区外故障的最大电容电流整定，区外故障时调压器处于最小变比时变电站可采集到最大电容电流。应校核区外故障时调压器最小变比情况下零序电流定值大于电容电流值，确保保护不误动。

若原有定值不满足上述要求，需根据调压器的实际变比和调压器漏抗大小调整保护定值，或通过选择不同漏抗大小的调压器、限定调压器调压范围来满足应用需求。

5 结语

根据本文所述原则对广州地区40余条连接有小水电的线路设计安装了三角形接线调压器，并校核调整了变电站馈线保护定值。安装调压器后，用户电压质量得到了明显改善，过电压和欠电压问题均得到了解决，线路故障后变电站保护装置可快速跳闸切除故障，确保了系统和人身安全。