蔚 超， 劉 陽(yáng)

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2. 國(guó)網(wǎng)徐州供電公司，江蘇 徐州 221000)

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無(wú)級(jí)調(diào)感技術(shù)在特高壓變壓器局放試驗(yàn)中的應(yīng)用研究

蔚 超1， 劉 陽(yáng)2

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2. 國(guó)網(wǎng)徐州供電公司，江蘇 徐州 221000)

局放試驗(yàn)作為變壓器現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)的一種，是考核變壓器最嚴(yán)厲的方法之一，可以有效檢測(cè)其內(nèi)部是否存在缺陷故障。特高壓變壓器的現(xiàn)場(chǎng)局部放電試驗(yàn)中，在計(jì)算分析被試變壓器的容性無(wú)功及感性補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，首次提出了基于大容量可調(diào)電抗器的無(wú)級(jí)調(diào)感技術(shù)以及感性無(wú)功實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，可調(diào)電抗器可以平滑的調(diào)節(jié)電抗值從而改變感性補(bǔ)償，感性補(bǔ)償實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法可實(shí)時(shí)反映試驗(yàn)中的補(bǔ)償狀態(tài)，保障試驗(yàn)高效安全進(jìn)行。

特高壓變壓器;局放試驗(yàn);調(diào)感

0 引言

建設(shè)特高壓電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能長(zhǎng)距離傳輸，可有效協(xié)調(diào)我國(guó)能源分布和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，優(yōu)化資源配置。特高壓變壓器是特高壓電網(wǎng)的核心設(shè)備之一，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)交接試驗(yàn)等規(guī)范要求，特高壓變壓現(xiàn)場(chǎng)安裝結(jié)束后需進(jìn)行繞組連同套管的感應(yīng)耐壓帶局部放電測(cè)量試驗(yàn)[1-6]。

目前，特高壓變壓器現(xiàn)場(chǎng)局部放電試驗(yàn)裝置主要有變頻諧振裝置和中頻發(fā)電機(jī)組兩種[7-11]。(1)高壓大功率變頻諧振裝置。用串聯(lián)諧振變頻裝置進(jìn)行局放試驗(yàn)時(shí)，在諧振條件下電源供給串聯(lián)諧振回路有功損耗，故電源輸入容量很小，只需被試品電容容量的1/Q(Q為無(wú)功容量)。與電動(dòng)發(fā)電機(jī)組中頻電源裝置相比，變頻感應(yīng)試驗(yàn)成套設(shè)備具有容量大、干擾水平低、體積小、質(zhì)量輕、沒(méi)有旋轉(zhuǎn)機(jī)組、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，目前在500 kV及以下交流變壓器現(xiàn)場(chǎng)局放試驗(yàn)中應(yīng)用較多。缺點(diǎn)是電子元器件較多，制造工藝等存在隱患，可靠性還有待提高。(2) 中頻發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)裝置，即用大功率電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)一臺(tái)中頻發(fā)電機(jī)，獲得中頻交流電源(頻率為125 Hz，200 Hz或250 Hz等)。采用中頻電源對(duì)高壓大容量變壓器進(jìn)行局放試驗(yàn)時(shí)，需用電抗器補(bǔ)償被試變壓器的容性無(wú)功功率，以避免發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)自勵(lì)磁。而特高壓、超大容量變壓器局放試驗(yàn)需要的發(fā)電機(jī)組輸出容量、電抗器補(bǔ)償更大。中頻發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)主要在可通過(guò)改變發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁回路勵(lì)磁變阻器的阻值，使發(fā)電機(jī)輸出平滑可調(diào)的電壓，使用可靠性較高。其缺點(diǎn)是：頻率固定，需要依靠外配調(diào)節(jié)電抗器的方式進(jìn)行補(bǔ)償。

本文在大型中頻發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中，首次提出基于可調(diào)電抗器的無(wú)級(jí)調(diào)感技術(shù)感性補(bǔ)償實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，保障了試驗(yàn)的安全性，提高了試驗(yàn)效率。

1 基于可調(diào)電抗器的無(wú)級(jí)調(diào)感技術(shù)

由于中頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出容量大，運(yùn)行情況可靠，在特高壓變壓器現(xiàn)場(chǎng)局放試驗(yàn)時(shí)得到了廣泛的應(yīng)用[12-16]，但其頻率固定，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行局放試驗(yàn)時(shí)需對(duì)感性無(wú)功的補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)節(jié)[17，18]。

當(dāng)鐵心電抗器的線圈中通過(guò)交流電流時(shí)，它就產(chǎn)生兩部分磁通，如圖1所示。一部分是主磁通Φm，沿鐵心磁路(鐵心餅、餅間氣隙、鐵軛)閉合，與全部線匝相交鏈；另一部分是漏磁通Φσ，主要沿空氣(或油)閉合。圖2是這種電抗器的等效電路。在等效電路中，主磁通所對(duì)應(yīng)的電抗稱為主電抗，而漏磁通所對(duì)應(yīng)的電抗稱為漏電抗，鐵心電抗器的電抗為主電抗于漏電抗之和。

圖1 鐵心電抗器的磁通及磁勢(shì)Fig.1 Magnetic flux and magnetic potential of core reactor

圖2 鐵心電抗器的等效回路Fig.2 Equivalent circuit of core reactor

鐵心電抗器的主電抗：

Xm=ωLm

(1)

式中:Lm為主磁路對(duì)應(yīng)的電感，即主電感(H);ω為角頻率。

Lm=W2Am

(2)

式中:W為電抗器的總匝數(shù)；Am為主磁路的磁導(dǎo)。為了較準(zhǔn)確計(jì)算主磁導(dǎo)Am，首先研究主磁道磁力線的分布，如圖3所示。

圖3 氣隙處磁力線分布Fig.3 Air gap magnetic field distribution diagram

主磁通的磁力線可分為兩部分，第一部分是穿過(guò)鐵心餅下氣隙面積的磁力線，假定它們都是垂直射入(或射出)鐵心餅截面，分布是均勻的，這一部分磁路對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)記為Am1；第二部分是除了第一部分之外的主磁通的磁力線，它們是由邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的，其路徑近似為半圓，這一部分磁路對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)為Am2，則：

Am=Am1+Am2

(3)

鐵心餅下空氣氣隙對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)按下式計(jì)算：

Am1=μrμ0(Aδ/δ)

(4)

式中：δ為鐵心餅間氣隙長(zhǎng)度(m)；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；μ0為磁常數(shù)；Aδ為鐵心餅截面的截面積(m2)。

Aδ=Ai/Kdp

(5)

式中：Ai為鐵心柱凈截面積(m2)；Kdp為鐵心碟片系數(shù)。

假定對(duì)應(yīng)邊緣效應(yīng)的那一部分磁通從一個(gè)鐵心餅沿半圓路徑到達(dá)另一個(gè)鐵心餅，那么該路徑長(zhǎng)度為πx。對(duì)于鐵心橫截面圓周上單位長(zhǎng)度，邊緣效應(yīng)磁通所穿過(guò)的面積可表示為ldx，則該磁路的磁導(dǎo)可表示為：

(6)

設(shè)由于邊緣效應(yīng)，鐵心柱向外擴(kuò)大的等效寬度為ε，則Am2還可以表示為：

Am2=μzμ0(lε)/δ

(7)

式(6)與(7)相等，于是得到：

ε=(δ/π)ln(h+δ)/δ

(8)

式中：ε的單位為m。對(duì)于平行疊片鐵心，邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的氣隙向外擴(kuò)大的等效面積為：

Aσ2=2ε(bm+Δm+2e)

(9)

式中：bm為鐵心柱最大片寬(m)；Δm為鐵心柱最大厚度(m)。

Am2=μrμ0(Aδ2/δ)

(10)

由式(4)、(5)、(10)得到：

Am=Am1+Am2=μrμ0(Aδ1+Aδ2)=μrμ0Aδ

(11)

式中等效導(dǎo)磁面積為：

Aδ=Aδ1+Aδ2

(12)

當(dāng)鐵心電抗器有N個(gè)氣隙時(shí)，其主電感為：

Lm=W2μrμ0(Aδ/Nδ)

(13)

其主電抗為：

Xm=2xfW2μrμ0(Aδ/Nδ)

(14)

考慮到μ0=4π×10-7H/m，則有：

Xm=8x2fW2μr(Aδ/Nδ)×10-7

(15)

由此可見，通過(guò)改變鐵心餅間氣隙長(zhǎng)度可以有效的改變電抗器的電抗值Xm，從而改變感性補(bǔ)償容量。

2 感性補(bǔ)償實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法

為避免中頻發(fā)電機(jī)組發(fā)生自勵(lì)磁以及滿足局放試驗(yàn)對(duì)補(bǔ)償容量的需求，需并入電抗器補(bǔ)償被試品的容性分量，使升壓變壓器的出線端呈感性。然而，補(bǔ)償太多，無(wú)疑將增加升壓變的負(fù)擔(dān)，補(bǔ)償少，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁，直接威脅被試品的安全。針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種新的對(duì)補(bǔ)償量能直觀而且便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的新方法。

在進(jìn)行局部放電試驗(yàn)時(shí)，用霍爾電流傳送器監(jiān)測(cè)電抗器的補(bǔ)償電流(如圖4所示的CT1、CT2)，可實(shí)時(shí)顯示補(bǔ)償電流值。此外，在中間變壓器的低壓測(cè)量端裝有指針式功率因數(shù)表(如圖4所示的Q1、Q2)，從中間變壓器T1、T2高壓側(cè)的接地電流取電流信號(hào)，從T1、T2低壓側(cè)取電壓測(cè)量信號(hào)，功率因數(shù)表可對(duì)試驗(yàn)機(jī)組補(bǔ)償整體狀況進(jìn)行測(cè)量。勵(lì)磁變及電抗器各側(cè)電流向量圖如圖5所示。

圖4 感性補(bǔ)償監(jiān)測(cè)CT布置Fig.4 Inductive compensation monitoring arrangement

圖5 各側(cè)電流的向量Fig.5 Current vector diagram of each side

3 現(xiàn)場(chǎng)局放試驗(yàn)驗(yàn)證

以±800 kV特高壓換流變壓現(xiàn)場(chǎng)局放為例，對(duì)感性無(wú)功調(diào)節(jié)及補(bǔ)償監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 ±800 kV特高壓換流變壓器參數(shù)

±800 kV特高壓換流站換流變壓器根據(jù)閥側(cè)的聯(lián)結(jié)方式不同，可分別為角型(Y-△型)和星型(Y-Y型)換流變壓器，具體參數(shù)如表1所示。對(duì)于兩種聯(lián)結(jié)方式的換流變壓器，雖然額定容量相同，但由于閥側(cè)電壓不同，造成內(nèi)部繞組電容、電場(chǎng)分布均差異較大，因此現(xiàn)場(chǎng)局放的試驗(yàn)接線、補(bǔ)償方式均有不同。

表1 換流變基礎(chǔ)參數(shù)Table1 Basic parameters of converter transformer

3.2 ±800 kV特高壓換流變壓器補(bǔ)償容量計(jì)算

3.2.1 有功功率計(jì)算

有功損耗計(jì)算以被試變壓器的空載損耗為依據(jù)，并按各鐵心段分別計(jì)算，將空載損耗按鐵心段數(shù)平均，三柱式鐵心共分7段(3柱和4段鐵軛)，每段損耗為總損耗的1/7。試驗(yàn)時(shí)各段鐵心損耗，取決于磁通密度和頻率，即：

Pq=(fn/f1)m×(B1/Bn)n×P0

(16)

式中：f1，fn為基頻和倍頻電壓頻率；B1,Bn為與額定電壓和倍頻對(duì)應(yīng)的磁通密度；Pq，P0為每段鐵心的試驗(yàn)損耗和空載損耗；m，n為與硅鋼片性能有關(guān)的系數(shù)，冷軋鋼取m=1. 6，n=1. 9，熱軋鋼取m=l.3，n=1. 8。由于B1/Bn=U1/Un·f1/fn，得全磁通時(shí)各段鐵心損耗為：

Pq=(fn/f1)m(f1/fn)·U1/Un)n·P0

(17)

在電源頻率f=200 Hz，K=1.5×1100/1050=1.57情況下，有功損耗P為：

P=(K×fN/fS)1.9×(fN/fS)1.6×P0

(18)

3.2.2 容性無(wú)功計(jì)算

試驗(yàn)電壓沿變壓器繞組軸向高度成線性關(guān)系。假定高、低壓繞組之間和繞組對(duì)地電容沿繞組高度均勻分布，變壓器繞組對(duì)地電容效應(yīng)可由繞組兩端的集中電容所等值，繞組容性功率Q為：

Q=ωCLine_EULinem2/2+ωCvalve_EUValvem2/2+

ωCLine_valve(ULine-UValvem)2/2

(19)

式中:ω為試驗(yàn)電壓角頻率等于2πf；CLine_E為網(wǎng)側(cè)繞組對(duì)地電容，pF；CLine_valve為網(wǎng)側(cè)閥側(cè)繞組間電容，pF；Cvalve_E為閥側(cè)繞組對(duì)地電容，pF；ULinem為繞組網(wǎng)側(cè)電壓，kV；UValvem為繞組閥側(cè)電壓，kV。

對(duì)Y型換流變非對(duì)稱加壓，根據(jù)式(19)計(jì)算，Q為1072.5 kV·A。

對(duì)△型換流變采用對(duì)稱加壓，有：

Q=ωCLine_EULinem2/2+ωCvalve_EUValvem2/8+

ωCLine_valve(ULine-UValvem)2/2

(20)

經(jīng)計(jì)算Q為1574 kV·A。

3.3 可調(diào)電抗器參數(shù)選擇

根據(jù)容性無(wú)功計(jì)算結(jié)果，單臺(tái)容量需大于1200 kV·A，同時(shí)考慮過(guò)補(bǔ)償度在10%至30%，容量范圍應(yīng)在1300～2000 kV·A。對(duì)±800 kV換流變施加1.5倍預(yù)加電壓時(shí)，閥側(cè)電壓為151.5 kV，±500 kV換流變1.5倍預(yù)加電壓時(shí)，閥側(cè)電壓為190.8 kV(以政平換流變?yōu)槔?，為同時(shí)兼顧±500 kV換流變及特高壓現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，選擇額定電壓為200 kV。具體參數(shù)如表2所示。

表2 可調(diào)電抗器參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter settings of adjustable reactor

3.4 試驗(yàn)接線

試驗(yàn)采用200 Hz倍頻電源加壓，閥側(cè)繞組單端加壓勵(lì)磁，網(wǎng)側(cè)繞組中性點(diǎn)接地的標(biāo)準(zhǔn)接線方式，分相進(jìn)行。試驗(yàn)接線如圖6所示。

圖6 加壓接線方式Fig.6 Wiring of pressurization

3.5 試驗(yàn)過(guò)程

調(diào)整可調(diào)電抗器，使氣隙到最大，從而感性補(bǔ)償容量最大，保證感性電流大于容性電流。為使得倍頻電源發(fā)電機(jī)的電流最小化，不斷地調(diào)整氣隙，調(diào)節(jié)感性補(bǔ)償容量，使感性容量過(guò)補(bǔ)償達(dá)10%左右，因?yàn)榭烧{(diào)電抗器在勵(lì)磁變出口電壓與被試變壓器的電壓相同，因此僅需監(jiān)測(cè)電流，即可計(jì)算出補(bǔ)償情況。

電抗器調(diào)節(jié)過(guò)程中電壓電流如表3所示。從表中可以看出，不斷調(diào)整氣隙來(lái)改變電抗器的電抗值，從而改變感性補(bǔ)償容量，調(diào)整感性過(guò)補(bǔ)償?shù)某潭?，從而使發(fā)電機(jī)工作在最佳狀態(tài)。最終調(diào)整到電抗值為13.6 H。施加電壓及局放量如表4 所示。

表3 電抗器調(diào)節(jié)過(guò)程中電流值Table 3 Current value during reactor regulation

表4 試驗(yàn)過(guò)程中各側(cè)電壓電流值Table 4 Voltage and current value of each side during the test

4 結(jié)語(yǔ)

大容量、高電壓可調(diào)電抗器在特高壓換流變局放試驗(yàn)中首次應(yīng)用，具有現(xiàn)場(chǎng)接線簡(jiǎn)單、無(wú)需串并聯(lián)組裝、試驗(yàn)準(zhǔn)備工作量小、節(jié)省人力物力、背景局放量小、試驗(yàn)安全、方便快捷等特點(diǎn)，高效優(yōu)質(zhì)地完成換流變特殊性試驗(yàn)，既驗(yàn)證了特高壓換流變的優(yōu)良性能，又驗(yàn)證了新試驗(yàn)方法的可行性。同時(shí)縮短了換流變安裝試驗(yàn)周期，加快了特高壓直流輸電技術(shù)推廣應(yīng)用的步伐，也為特高壓直流電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供了安全保障。

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(編輯 劉曉燕)

Partial Discharge Experiment of UHV TransformerBased on Stepless Adjustment Technology

WEI Chao1，LIU Yang2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 211103, China；2. State Grid Xuzhou Power Supply Company, Xuzhou 221000, China)

AAs the most severe assessment method in transformer field handover tests, partial discharge test can effectively detect insulation faults inside transformer. In UHV transformer field partial discharge test, based on calculation and analysis of capacitive and inductive power, large capacity stepless adjustable reactor sense technology and inductive reactive power real-time monitoring method are presented for the first time. Adjustable reactor can smoothly adjust the reactance value to change inductive compensation state compensation, and reactive power real-time monitoring method can reflect the real-time test and ensure the efficiency and safety of the test.

converter transformer; partial discharge test; adjustable reactor

2017-02-04；

2017-03-01

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(特高壓交流用電抗器、變壓器、互感器現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)技術(shù)深化研究)

TM411

A

2096-3203(2017)04-0113-06

蔚 超

蔚 超(1984—)，男，山東萊蕪人，高級(jí)工程師，從事變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)及診斷技術(shù)研究工作(E-mail:15105168905@163.com)；

劉 陽(yáng)(1984—)，男，江蘇徐州人，工程師，從事變壓器故障診斷技術(shù)研究工作。