大型變壓器空載和負(fù)載特性現(xiàn)場測試技術(shù)研究

楊文良，寶 音，劉 卓，楊 波，白 潔

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.呼和浩特供電局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050）

0 引 言

變壓器是電力系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備，其基本工作原理是通過電磁感應(yīng)理論改變交流電壓，基本構(gòu)件是原、副邊繞組和鐵芯，常用作電力系統(tǒng)的電壓變換、安全隔離以及相角改變等。變壓器的安全性和可靠運(yùn)行直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大型變壓器因受到現(xiàn)場試驗(yàn)電源容量的限制，通常僅能在出廠時(shí)進(jìn)行測試試驗(yàn)，而且受到自然環(huán)境和長期高電壓的影響會(huì)發(fā)生老化，故需要進(jìn)行定期檢測。為保證變壓器的正常運(yùn)行，及時(shí)通過現(xiàn)場測試檢查問題判斷其工作狀況具有重大意義。

空載損耗和負(fù)載損耗是變壓器的兩個(gè)重要參數(shù)，通過計(jì)算可以求得變壓器此時(shí)的參數(shù)指標(biāo)，在一定程度上反映鐵心和繞組的工作狀態(tài)，從而反映其在實(shí)際運(yùn)行中的效率[1]。變壓器在出廠試驗(yàn)時(shí)會(huì)進(jìn)行全面試驗(yàn)，但測試的環(huán)境和實(shí)際使用時(shí)通常有較大區(qū)別，且變壓器長時(shí)間使用后實(shí)際參數(shù)會(huì)有一定變化，因此有必要對(duì)變壓器進(jìn)行空載損耗實(shí)驗(yàn)和負(fù)載損耗實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場測試。

1 000 kV及以上變壓器損耗測試對(duì)試驗(yàn)電源容量要求很高，現(xiàn)場損耗測試難以進(jìn)行，部分研究開展了變壓器損耗的帶電測試，可以在不斷電的情況下進(jìn)行在線試驗(yàn)[2-4]。但經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，變壓器在線測試方法測量精度低，現(xiàn)場應(yīng)用難度大，測試結(jié)果可作為參考，卻不能準(zhǔn)確得出準(zhǔn)確的參數(shù)指標(biāo)。變壓器的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)?zāi)苋婢_地檢測變壓器參數(shù)，更具有實(shí)用價(jià)值。文獻(xiàn)[5]闡述了變壓器現(xiàn)場空負(fù)載試驗(yàn)的測量方法，但其選用變壓器為500 kV以下，不能測量1 000 kV以上的大型變壓器。文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了1 000 kV變壓器的現(xiàn)場空負(fù)載檢測，但其電源部分只進(jìn)行了仿真，且設(shè)計(jì)的電源不可選擇與調(diào)整電壓，因此實(shí)際上也不能滿足負(fù)載試驗(yàn)的要求。

本文先從變壓器的空載和負(fù)載運(yùn)行特性出發(fā)，分析一次側(cè)和二次側(cè)物理量之間的關(guān)系，通過現(xiàn)場測試的計(jì)算結(jié)果反映了變壓器的物理狀態(tài)，為實(shí)際電源裝置的設(shè)計(jì)和制作打下基礎(chǔ)。通過經(jīng)濟(jì)可靠分析，決定采用碳化硅及硅基IGBT多芯片串聯(lián)結(jié)構(gòu)組成的高壓大容量電源實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)時(shí)變壓器感性電流的補(bǔ)償，解決大型變壓器在現(xiàn)場測試時(shí)試驗(yàn)電源容量不足的問題，實(shí)現(xiàn)變壓器的現(xiàn)場損耗測試。

1 變壓器空載試驗(yàn)

在變壓器的任意一側(cè)繞組施加額定頻率正弦波的電壓，其他繞組開路，即是變壓器的空載試驗(yàn)，以此測出總的有功功率損耗P0和空載電流I0?？蛰d電流常用其所占額定電流Ie的百分?jǐn)?shù)I0%來表示，即：

由于空載電流很小，故變壓器繞組中的銅耗也很小，可以忽略不計(jì)，將此時(shí)的變壓器損耗P0視為鐵心中的無功損耗[7,8]。

圖1 單相雙繞組變壓器

式中，R1為一次側(cè)線圈等效阻值，e1為一次側(cè)主電動(dòng)勢瞬時(shí)值，e1σ為一次側(cè)漏電勢瞬時(shí)值，e10為一次側(cè)額定電壓的瞬時(shí)值。

由式（2）可得到穩(wěn)態(tài)平衡方程式為：

變壓器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，主磁通以正弦規(guī)律變化，則令φ0=φm=sinωt，可得到一次側(cè)主電勢的瞬時(shí)值為：

式中，N1為變壓器一次側(cè)繞組匝數(shù)。

一次側(cè)主電動(dòng)勢的有效值和相量表達(dá)式分別為式為：

為求得一次側(cè)漏電勢E1σ，需要先計(jì)算一次側(cè)繞組漏感L1σ，公式為：

由以上公式可推得：

式中，X1=ωL1σ=2πfL1σ。

將式（8）帶入式（3）得：

式中，Z1=jX1+R1為一次側(cè)漏阻抗。

由于大型變壓器鐵芯厚，磁導(dǎo)率相較500 kV級(jí)以下變壓器擁有更好地磁導(dǎo)率，變壓器漏電動(dòng)勢和漏阻抗Z1非常小，可忽略不計(jì)，因此式（3）和式（9）可簡化為：

變壓器空載運(yùn)行時(shí)，一次側(cè)繞組本質(zhì)上是電感線圈，此時(shí)空載電壓10超前電流0將近90°，0可以由主要由無功分量μ和有功分量Fe合成，即：

2 變壓器負(fù)載試驗(yàn)

變壓器負(fù)載試驗(yàn)即變壓器的短路試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中將變壓器一側(cè)短接，另一次施加可調(diào)的電壓，將此電壓逐漸增大，使變壓器一次側(cè)電流0逐漸達(dá)到額定值N，并測量此時(shí)施加的電壓Uk?？蛰d電壓常用其所占額定電流Ue的百分?jǐn)?shù)Uk%來表示，即：

負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，變壓器的二次繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流，此時(shí)變壓器的功率與空載功率相比發(fā)生變化，二次側(cè)繞組電壓將受到負(fù)載的影響而發(fā)生變化[10]。

將式（15）帶入式（17）：

式中，N2為二次側(cè)繞組匝數(shù)。

由式（18）得，變壓器兩側(cè)電流是相關(guān)聯(lián)的。在變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，相比空載運(yùn)行二次側(cè)電流增大，一次側(cè)提供功率變多，輸出能量變大，故一次側(cè)電流I1會(huì)上升很多，符合能量守恒[11]。仿照式（9），可以得到變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)二次側(cè)的電壓平衡方程式為：

變壓器二次側(cè)輸出功率P2可由式（20）求得為：

通過分析變壓器負(fù)載運(yùn)行方程式，本文總結(jié)出如下負(fù)載特性。分析（19）得，當(dāng)負(fù)載電流2增加，二次側(cè)漏阻抗Z2不變化，二次側(cè)繞組內(nèi)部的壓降1Z2增加，使變壓器輸出電壓20增加，同時(shí)一次側(cè)電流1變大，一次側(cè)漏阻抗電壓減小，變壓器兩側(cè)電動(dòng)勢1、2下降，這反而使變壓器二次側(cè)的輸出電壓20減小。詳細(xì)了解空負(fù)載試驗(yàn)的特性和原理，有助于大型變壓器的現(xiàn)場空負(fù)載試驗(yàn)的進(jìn)行和相應(yīng)檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)。

3 基于IGBT技術(shù)的高壓電源

隨著新型材料的發(fā)展，高壓功率半導(dǎo)體器件IGBT因其良好的工作特性也獲得了高速發(fā)展。IGBT截止電壓的測試是判斷器件性能的重要手段，相比于MOSFET單個(gè)IGBT具有較高的截止電壓，且其具有一定的控制能力，但其工作特性仍然無法滿足在實(shí)際大型變壓器應(yīng)用中高電壓大功率的要求，因此IGBT串聯(lián)技術(shù)在高壓大功率領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。為滿足大型變壓器現(xiàn)場空負(fù)載試驗(yàn)的需要，本文選定采用IGBT串聯(lián)技術(shù)設(shè)計(jì)可控高壓大容量電源。

3.1 IGBT的基本工作原理

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）同時(shí)具有絕緣柵型場效應(yīng)管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）的高輸入阻抗和功率晶體管低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)。MOS管驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小，功率晶體管飽和電壓較低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大。IGBT的本質(zhì)是通過一個(gè)MOS管驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率晶體管的復(fù)合性結(jié)構(gòu)器件，故IGBT在高壓大電流領(lǐng)域更具有優(yōu)勢，其驅(qū)動(dòng)功率小，導(dǎo)通能力強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)電路簡單，開關(guān)速度快，串聯(lián)方便。

3.2 高電壓大容量電源的基本組成

IGBT具有一定的電壓放大功能，同時(shí)工作電壓高，導(dǎo)通能力強(qiáng)，故可以將IGBT作為放大管，組成高壓大電容正弦電源。由于單只IGBT的承受電壓仍有限，可以將多只IGBT串聯(lián)分壓組成放大環(huán)節(jié)，并通過反饋控制使輸出電壓呈現(xiàn)出所需要的正弦波形[12]。

采用此技術(shù)為主的大型變壓器空載和負(fù)載現(xiàn)場試驗(yàn)成套電源裝置，其總原理框圖如圖2所示。

3.3 主電路設(shè)計(jì)及原理分析

城市220 V交流電經(jīng)過高壓變壓器升壓后，通過濾波電路產(chǎn)生前級(jí)高壓電源，視實(shí)際電壓需要，電壓調(diào)整環(huán)節(jié)采用多只型號(hào)為1MBH60-170的IGBT串聯(lián)，該型IGBT具有耐高壓，可通過大電流的特點(diǎn)，串聯(lián)IGBT均工作于線性放大區(qū)用于電壓調(diào)整，串聯(lián)IGBT的末級(jí)串聯(lián)限流電路自動(dòng)限制最大輸出電流，以限制最大電流Imax為60 A，壓降UCE為1 700 V，最后輸出電壓經(jīng)濾波處理后呈現(xiàn)穩(wěn)定的正弦高壓，可滿足大型變壓器現(xiàn)場測試所需大容量高電壓要求。

4 結(jié) 論

變壓器需要定期進(jìn)行檢修維護(hù)，保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性，而大型變壓器往往處于電力系統(tǒng)的關(guān)鍵位置，其運(yùn)行狀態(tài)是否安全可靠具有重要的意義。分析變壓器空載運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行時(shí)建立的方程式，可以在現(xiàn)場計(jì)算出基本參數(shù)，以此判斷變壓器工作狀態(tài)，制定維護(hù)計(jì)劃。分析大型變壓器損耗特性，可以判斷大型變壓器的在工作一段時(shí)間后是否老化，預(yù)測使用磨損，設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，并達(dá)到變壓器最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。此外，大型變壓器需要較大的測試電壓和電源容量，采用多只IGBT串聯(lián)的方法可有效補(bǔ)償測試試驗(yàn)中電源容量不足的問題，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的參數(shù)測試，為現(xiàn)場檢修帶來方便。若能結(jié)合在線測試，則可在初步判斷大型變壓器發(fā)生故障的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確找到故障原因，大型變壓器在線測試是本項(xiàng)目未來研究的方向。