一臺特高壓換流變壓器溫升試驗的分析與計算

楊在葆，劉永，韓凱，趙永亮，劉同文

(山東電力設備有限公司，山東 濟南 250022)

換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)中主要的電工設備，為保證其質(zhì)量，每一臺換流變壓器都要經(jīng)過嚴格的試驗測試方可出廠，溫升試驗可以驗證變壓器冷卻系統(tǒng)能否將最大總損耗產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，確定規(guī)定狀態(tài)下變壓器油、繞組的溫升參數(shù)及油箱、結(jié)構(gòu)件等有無局部過熱現(xiàn)象[1]。該試驗目前被作為換流變壓器出廠試驗中的例行試驗項目逐臺進行，考慮到換流變壓器自身運行的特殊性，在具體試驗方法上與普通變壓器相比，仍有許多不同之處。

根據(jù)文獻[2]，列舉換流變壓器與普通電力變壓器溫升試驗的異同，通過闡述一臺±1100 kV低端換流變壓器溫升試驗過程及結(jié)果，重點對總損耗的施加、繞組溫升的計算及熱時間常數(shù)的確定進行了分析，并提出相關(guān)建議。

1 換流變壓器與普通電力變壓器的區(qū)別

由于換流變壓器的運行方式與換流器的換相所造成的非線性特質(zhì)密切關(guān)聯(lián)，所以換流變壓器在絕緣、諧波、偏磁、調(diào)壓等方面與普通變壓器相比有著迥然不同的特點。

1.1 絕緣設計的影響

首先，額定工作狀態(tài)下，閥繞組端部與地之間以及閥繞組與網(wǎng)繞組之間的主絕緣上長期承受直流電壓。當系統(tǒng)發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)時，閥繞組所承受的直流電壓也同時發(fā)生極性反轉(zhuǎn)。換流變壓器中長期持續(xù)受到的交直流疊加電場的作用以及以極性反轉(zhuǎn)為代表的直流躍變電壓的作用是換流變壓器絕緣配合上應考慮的主要問題，因此換流變壓器的主絕緣較普通變壓器而言要采用更多的紙板，組成油—紙隔板系統(tǒng)。

1.2 直流偏磁問題

換流變壓器在運行中由于交直流線路的耦合、換流閥觸發(fā)角的不平衡、接地極電位的升高等多方面原因會導致?lián)Q流變壓器閥側(cè)及交流網(wǎng)側(cè)線圈的電流中產(chǎn)生直流分量，使換流變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象，從而導致?lián)Q流變壓器損耗、噪聲都有所增加。

1.3 有載調(diào)壓范圍大

為了補償換流變壓器交流側(cè)電壓的變化，換流變壓器運行時需要有載調(diào)壓。換流變壓器的有載調(diào)壓開關(guān)還參與系統(tǒng)控制以便于讓晶閘管的觸發(fā)角運行于適當?shù)姆秶鷥?nèi)，從而保證系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性。為了滿足直流降壓運行的模式，有載調(diào)壓分接范圍相對普通的交流電力變壓器要大得多。

1.4 高次諧波對損耗和溫升的影響

換流變壓器繞組負載電流中的諧波分量將引起較高的附加損耗，因為諧波的頻率高，故單位諧波的附加損耗比單位基波的高。因此如何確定由諧波引起的損耗是確定換流變壓器負載損耗和溫升的中心問題[3]。

2 換流變壓器溫升試驗簡述

2.1 換流變壓器總負載損耗及等效電流的確定

換流變壓器實際運行當中，流過閥側(cè)繞組的電流含有一定的諧波分量，該諧波電流的大小與換流閥的參數(shù)有關(guān)，其在換流變壓器繞組中產(chǎn)生的損耗是不可以忽略的，因此，與普通變壓器不同， 換流變壓器的負載損耗應該是各個諧波頻譜下負載損耗之和。由于頻率的變化對繞組電阻損耗沒有影響，但不同頻率下繞組及結(jié)構(gòu)件的附加、雜散損耗不但與外施電流有關(guān)，還與施加頻率有很大關(guān)系，根據(jù)文獻[2]中的規(guī)定，工廠試驗時，應分別進行兩次不同頻率下的負載損耗測量，進而求得總負載損耗，有以下公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:R—電阻損耗的等效電阻，Ω

P1—基波頻率下折算到85 ℃時的損耗，kW

I1—基波頻率下電流，A

f1—基波頻率，Hz

Px—x頻率下折算到85 ℃時的損耗，kW

Ix—x頻率下電流，A

fx—x頻率，Hz

PSE1—雜散損耗，kW

PWE1—渦流損耗，kW

PCU—電阻損耗，kW

u—電壓比

U網(wǎng)側(cè)(LW)—網(wǎng)側(cè)額定電壓，kV

U閥側(cè)(VW)—閥側(cè)額定電壓，kV

IX網(wǎng)側(cè)(LW)—換算到網(wǎng)側(cè)的諧波電流，A

IX閥側(cè)(VW)—用戶給定諧波電流，A

根據(jù)公式(1)、(2)可確定雜散損耗PSE1及渦流損耗PWE1，再根據(jù)用戶提供的諧波頻譜及公式(3)-(5)，計算所有頻率下負載損耗，最后進行求和，即可得出總運行負載損耗[4]。

換流變壓器油面溫升穩(wěn)定并保持規(guī)定時間后，要降至等效電流，該等效電流是模擬換流變壓器額定運行條件下繞組中的電流，其大小由公式(6)確定[4]：

(6)

式中:Ieq—與繞組在運行中負載損耗等效的正弦電流方均根植，A

ILN—所考慮繞組運行時的負載電流方均根植，A

PWE1—基波頻率下的繞組渦流損耗，kW

FWE—繞組渦流損耗附加系數(shù);

PSE1—基波頻率下的結(jié)構(gòu)件雜散損耗，kW

FSE—結(jié)構(gòu)件雜散損耗附加系數(shù)。

2.2 換流變壓器與普通變壓器溫升試驗區(qū)別分析

與普通電力變壓器相比，換流變壓器在溫升試驗開始建立油面溫升時，為了模擬其運行狀態(tài)，所施加的總損耗包括了總運行負載損耗、空載損耗和直流偏磁損耗(由用戶及設計提供)，即施加總損耗，而普通變壓器的總損耗僅包括負載損耗與空載損耗；在油面溫升達到穩(wěn)定后，普通變壓器的溫升穩(wěn)定持續(xù)時間為3 h，而換流變壓器油面溫升的穩(wěn)定持續(xù)時間規(guī)定為12 h；在測量繞組溫升時，換流變壓器應降至等效電流，而非額定電流；在同一批次相同電壓等級的換流變壓器中，通常挑選一臺設備開展超銘牌容量運行下的溫升試驗，目前技術(shù)協(xié)議一般規(guī)定為1.05倍容量，持續(xù)3 h測量其頂層油溫升。

3 換流變壓器溫升試驗計算實例

現(xiàn)以一臺±1100 kV低端換流變壓器為例，進一步介紹該系列換流變壓器的溫升試驗計算，換流變壓器型號為ZZDFPZ-607500/750-275，具體參數(shù)見表1。

表1 換流變壓器技術(shù)參數(shù)

根據(jù)用戶技術(shù)協(xié)議要求，分別測量50 Hz和200 Hz下負載損耗，按照文獻[5]中的規(guī)定，額定頻率下施加的電流值等于額定電流，頻率更高時的施加電流值為10%至50%額定電流值，試驗數(shù)據(jù)見表2、表3，其中200 Hz下負載損耗電流施加值為20%額定電流。

表2 50 Hz下負載損耗

表3 200 Hz下負載損耗

以31分接為例，由公式(1)-(2)求得31分接基波頻率下的繞組渦流損耗PWE1和結(jié)構(gòu)件雜散損耗PSE1，再根據(jù)公式(3)-(5)及用戶給定的諧波頻譜值計算得繞組渦流損耗附加系數(shù)FWE和結(jié)構(gòu)件雜散損耗附加系數(shù)FSE，進而求得各諧波頻譜下的負載損耗，具體計算見表4。將表4中各頻率下Px相加得31分接下1.0倍容量下總負載損耗為1661.63 kW，同理，計算得31分接下1.05倍容量下總負載損耗為1840.11 kW。

溫升試驗采用短路法，閥側(cè)a、b短路，網(wǎng)側(cè)A、B輸入電流，分接位置31，冷卻類型ODAF。試驗第一階段試驗容量1.0 p.u.，以施加總損耗為準，即總負載損耗加空載損耗加直流偏磁損耗，穩(wěn)定12 h，測量油平均溫升，油頂層溫升；試驗第二階段降至1.0 p.u.等效額定電流，持續(xù)時間1 h，測量各繞組平均溫升、熱點溫升，利用公式(6)計算得等效額定電流為1543.03A；試驗第三階段升至1.05 p.u.試驗容量，持續(xù)時間3 h。試驗數(shù)據(jù)見表5。

利用停電后連續(xù)測得的熱態(tài)直流電阻值推導停電瞬間熱態(tài)直流電阻，見圖1、圖2。

圖1 網(wǎng)側(cè)直流電阻值推導

表4 31分接總負載損耗計算

表5 溫升試驗數(shù)據(jù)

圖2 閥側(cè)直流電阻值推導

表6為溫升試驗結(jié)果及協(xié)議要求值，圖3-圖8為溫升穩(wěn)定階段油箱各部位紅外成像圖片。

表6 溫升試驗結(jié)果及協(xié)議要求值

圖3 網(wǎng)側(cè)升高座熱成像 圖4 分接開關(guān)對側(cè)熱成像

圖5 分接開關(guān)側(cè)熱成像 圖6 頂部熱成像

圖7 閥側(cè)升高座熱成像 圖8 風扇熱成像

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)文獻[5]中規(guī)定，溫升試驗可以施加總損耗的80%，試驗結(jié)束后可以通過換算到100%損耗的方式得到油面溫升，但是由于前述換流變壓器與普通變壓器溫升試驗的區(qū)別，其施加總損耗是基波損耗與諧波損耗的疊加，因此，建議在試驗設備滿足條件的前提下施加應加的總損耗，只有這樣才可以充分驗證換流變壓器在實際運行狀態(tài)中的承受能力。

(2)溫升試驗時，溫度升高和持續(xù)時間相應的變化為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，起始階段溫度上升較快，隨后溫度的增加愈來愈緩慢，故相應穩(wěn)定所需要全部時間基本取決于熱時間常數(shù)的大小，而熱時間常數(shù)與試品的熱容量成正比，與散熱有關(guān)的熱傳導系數(shù)成反比；此型號換流變壓器溫升試驗時，穩(wěn)定時間為5 h，這樣可以反推熱時間常數(shù)約為2 h，所以在后續(xù)該型號的換流變壓器中，可以采用僅開動油泵保持油的強迫循環(huán)，當溫度升高到預定穩(wěn)定值后，再啟動風扇恢復到額定冷卻條件下運行的方法，提前使變壓器達到溫升穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定時間可以提前到2 h。

(3)通過圖3—圖8可以觀察到該換流變壓器油箱表面因漏磁原因產(chǎn)生的最大過熱點位于油箱頂部，該位置不易觀察，容易紕漏，因此，建議試驗人員在溫升試驗過程中對整個試品進行全方位的紅外掃描，確保產(chǎn)品各部位的熱點溫升始終在協(xié)議范圍內(nèi)。