±800 kV換流變壓器局放試驗雙端加壓技術(shù)研究

安義巖，張星宇，劉天奇，王坤涵，尚 鑫

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，呼和浩特010010）

0 引言

換流變壓器的長時感應耐壓帶局部放電測量是檢測換流變壓器絕緣性能的重要試驗，也是換流變壓器質(zhì)量管控的重要環(huán)節(jié)，可以檢測換流變壓器器身內(nèi)部是否存在局部放電或絕緣薄弱的缺陷[1-2]。按照換流站整流系統(tǒng)要求將換流變壓器接法分為星形接法和三角形接法，三角形接法換流變壓器閥側(cè)繞組電壓為星形接法的3倍[3-4]。

在現(xiàn)場開展局部放電測量試驗（以下簡稱局放試驗）時，加壓側(cè)通常為換流變壓器電壓較小的一側(cè)，即換流變壓器閥側(cè)，目前±800 kV換流站使用的換流變壓器在現(xiàn)場局放試驗的激發(fā)電壓下，星形接法換流變壓器閥側(cè)電壓須達到155.4 kV，三角形接法換流變壓器閥側(cè)電壓須達到269.1 kV[5]。對換流變壓器閥側(cè)施加較高的電壓主要帶來兩方面的問題，首先，電壓越高要求試驗設備自身的絕緣等級越高，試驗設備的體積、質(zhì)量就越大，現(xiàn)場試驗時設備運輸、吊裝的難度增大；其次，局放試驗設備要求自身局部放電量越低、電壓越高，試驗設備的低局部放電量技術(shù)難度越大，同時，低壓側(cè)電壓越高，現(xiàn)場試驗時低壓側(cè)加壓線、低壓套管附近懸浮金屬和金屬尖端等產(chǎn)生干擾局放信號的可能性越大，給局放試驗的診斷帶來較大的難度[6]。因此，三角形接法換流變壓器采用閥側(cè)雙端對稱加壓法，即在換流變壓器閥側(cè)繞組兩端施加相同頻率且極性相反的交流電壓，使閥側(cè)兩繞組之間的電壓差值達到規(guī)程要求[7]。換流變壓器雙端加壓主要有三個優(yōu)點，一是雙端加壓可使換流變壓器閥側(cè)兩繞組均耐受電壓，更接近實際運行狀況，對換流變壓器內(nèi)部絕緣的考核更加合理；二是雙端加壓可以降低對勵磁變壓器電壓等級的要求，低電壓等級勵磁變壓器更容易運輸和吊裝，低壓側(cè)較低的電壓也可降低試驗中加壓引線、周圍懸浮金屬產(chǎn)生的局放干擾；三是三角形接法換流變壓器閥側(cè)單端加壓激發(fā)狀態(tài)下電壓為269.1 kV，高于閥側(cè)交流耐壓限值264 kV，易造成內(nèi)部絕緣損壞，雙端加壓可以降低閥側(cè)對地電壓，保護絕緣[8-9]。

三角形接法換流變壓器現(xiàn)場雙端加壓局放試驗采用并聯(lián)諧振方法，閥側(cè)兩端利用相同參數(shù)補償電抗器進行無功補償[10]。在相同試驗頻率下，對某±800 kV換流站三角形接法換流變壓器開展現(xiàn)場局放試驗時，發(fā)現(xiàn)流過換流變壓器閥側(cè)兩端補償電抗器的補償電流和閥側(cè)兩端繞組的電壓值不同，在變頻電源與兩臺勵磁變壓器組成的低壓側(cè)回路中，存在約15 A的環(huán)流，試驗過程中勵磁變壓器發(fā)熱嚴重，存在過熱故障的安全隱患。本文針對以上問題進行分析，提出解決辦法，并利用仿真分析驗證了方法的有效性。

1 某±800 kV換流站三角形接法換流變壓器雙端加壓局放試驗

1.1 變壓器參數(shù)

變壓器型號為509300/500-200，額定容量為509.3 MVA，網(wǎng)側(cè)電壓為530/3（23，-5）×1.25%kV，閥側(cè)電壓為178.2 kV，閥側(cè)絕緣水平為SI-1050 kV、LI-1175 kV、AC-264 kV、DC-342 kV、PR-207 kV。

1.2 試驗原理

根據(jù)DL/T 274—2012《±800 kV高壓直流設備交接試驗》要求，換流變壓器在現(xiàn)場安裝后需進行長時感應耐壓帶局放試驗，局放試驗前絕緣油等常規(guī)試驗均應符合要求[11-12]。為降低閥側(cè)繞組對地電壓，三角形接法換流變壓器局放試驗采用閥側(cè)勵磁，即閥側(cè)a端和b端雙端加壓的方式，同時在網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)套管末屏處監(jiān)測局部放電信號，試驗原理如圖1所示。

圖1 雙端加壓局放試驗原理圖

1.3 試驗參數(shù)

換流變壓器閥側(cè)等效入口電容C=29.12 nF，根據(jù)現(xiàn)有試驗設備參數(shù)，閥側(cè)兩端均選用電感量為11 H的固定電抗器進行無功補償，總電感量為22 H。當換流變壓器處于完全補償狀態(tài)時，諧振頻率為198.95 Hz，換流變壓器在各階段試驗電壓的有功損耗PS、勵磁側(cè)有功電流IR及容性電流IC的計算方法見式（1）—（4），計算結(jié)果如表1所示。

表1 換流變壓器有功損耗、有功電流、容性電流

式中：K—感應電壓倍數(shù)；US—網(wǎng)側(cè)試驗電壓；UN—額定電壓；fN—額定頻率；fS—試驗頻率；P0—換流變壓器空載損耗；C—低壓側(cè)入口電容。

試驗時，勵磁變壓器高壓側(cè)額定電壓200 kV，低壓側(cè)采用450 V雙繞組并聯(lián)，變比為444。當勵磁變壓器高壓側(cè)輸出電壓為269.1 kV、電流為0.97 A時，低壓側(cè)電壓為302.7 V。勵磁變壓器及補償電抗器的總損耗按30 kW計算，此時，變頻電源輸出電流為962.7 A，輸入電流為687.6 A，總?cè)萘繛?50 kW，電壓輸出0～350 V，頻率變化20~300 Hz，最大輸出電流1280 A，兩臺勵磁變壓器總額定容量為900 kVA，試驗設備參數(shù)滿足試驗要求。變頻電源額定工作電壓為380（1±10%）kV，試驗采用兩根橫截面積為120 mm2的電纜并聯(lián)，單根單位長度的電阻為0.153 mΩ，按每根電纜長度為100 m計算，電源電纜電阻為7.65×10-3Ω，計算得電纜上的壓降為7.36 V，滿足變頻電源工作要求。

1.4 升壓過程

根據(jù)DL/T 274—2012的要求，結(jié)合該變壓器的實際情況，換流變壓器現(xiàn)場局放試驗網(wǎng)側(cè)對地的試驗電壓及加壓過程見圖2。

圖2 局放試驗網(wǎng)側(cè)對地試驗電壓及加壓過程示意圖

當試驗頻率≤2倍的換流變壓器額定頻率時，F(xiàn)=60 s；當試驗頻率＞2倍額定頻率時，F(xiàn)=120×fN/fS，但應在15~60 s滿圍內(nèi)；在1.3Um/3電壓下，網(wǎng)側(cè)高壓繞組視在放電量≤300 pC，網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)繞組電壓變比k=530/3/172.8=1.77。經(jīng)計算，局放試驗各階段網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組電壓見表2。

表2 局放試驗各階段網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組電壓 kV

2 雙端電壓不平衡原因分析及解決方案

2.1 出現(xiàn)的問題

在某特高壓換流站現(xiàn)場開展的三角形接法換流變壓器局放試驗中，U2=1.3Um/3階段的實測數(shù)據(jù)見圖3。實測換流變壓器輸出電流I=777 A，高閥側(cè)a端勵磁變壓器低壓側(cè)電流Ia=397 A，高壓側(cè)電壓Ua=113.2 kV；b端勵磁變壓器低壓側(cè)電流Ib=410 A，低壓側(cè)電壓Ub=122.8 kV，變頻電源輸出電壓264.3 V，輸出頻率198.7 Hz。勵磁變壓器高壓側(cè)額定電壓200 kV，低壓側(cè)額定電壓450 V，變比444。根據(jù)實測數(shù)據(jù)反向推算，a端和b端勵磁變壓器變比分別為428和465，與原變比不同。變頻電源對a端和b端勵磁變壓器輸出的電流存在15 A差值。

圖3 局放試驗U2階段實測數(shù)據(jù)圖

2.2 原因分析

為了分析勵磁變壓器在試驗過程中變比變化的原因，對雙端加壓試驗電路進行等效分析，等效電路見圖4。

圖4 等效電路圖

由于換流變壓器閥側(cè)a端和b端繞組的位置和結(jié)構(gòu)不同，因此兩端入口電容大小不同，在相同電源頻率和電抗的情況下，兩端的無功補償不同[13-14]。假設圖4中b端為欠補償運行狀態(tài)，則Cb和Lb的等效電容CX2為：

因為勵磁變壓器內(nèi)部漏電感l(wèi)b與等效電容CX2串聯(lián)，因此有：

式中：Xlb為補償電抗值；XCb為b端繞組入口等效電抗；X1b為b端漏抗；XCX2為b端Cb與Lb的等效感抗；ω為角頻率。

U為理想變壓器高壓側(cè)電壓，，所以Ub>U。

因此，在欠補償狀態(tài)下，CX2與lb發(fā)生了一定程度的串聯(lián)諧振，抬高了CX2的電壓，使b端電壓高于理想變壓器輸出電壓（勵磁變壓器額定變比下輸出電壓），提高了勵磁變壓器的變比。一般情況下勵磁變壓器的漏抗lb較小，因此試驗時串聯(lián)諧振的程度不大，b端電壓升高不大[15]。同理，假設a端運行在過補償狀態(tài)下，推導得：

式中：XlX1為a端Ca與La的等效感抗；Xla為a端漏抗。

等效感抗與勵磁變壓器漏抗在電路中為串聯(lián)關(guān)系，勵磁變壓器漏抗與a端等效電抗產(chǎn)生分壓，由于la較小，因此分得電壓較小，換流變壓器a端電壓Ua略低于理想變壓器輸出電壓。

根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和模型計算結(jié)果可以推斷，閥側(cè)兩端電壓不平衡主要是由于在相同頻率下，a端和b端入口電容不同，在相同電感值的補償電抗器作用下，兩端發(fā)生了欠補償和過補償現(xiàn)象，進而產(chǎn)生了串聯(lián)諧振和分壓現(xiàn)象，導致欠補償一端電壓偏高，過補償一端電壓偏低。換流變壓器兩端在局放試驗時的不完全補償，主要帶來兩個問題。

（1）由于換流變壓器兩端無法同時達到完全補償狀態(tài)，換流變壓器閥側(cè)a端和b端的電壓極性不可能完全相反，其矢量和必然小于測量裝置顯示的標量和，導致?lián)Q流變壓器兩端實際壓差小于規(guī)程要求，沒有達到絕緣的考核效果。

（2）勵磁變壓器自身繞組變比未發(fā)生變化，但由于兩端電壓的不平衡，導致勵磁變壓器低壓側(cè)受高壓側(cè)影響產(chǎn)生壓差，兩臺勵磁變壓器低壓側(cè)與變頻電源組成的電氣回路產(chǎn)生15 A環(huán)流，降低變壓器的有效使用容量和有效輸出，在長時間的試驗過程中引起繞組異常發(fā)熱，造成勵磁變壓器過熱。

2.3 解決方案

基于對三角形接法換流變壓器雙端電壓不平衡的分析，提出以下解決方案。

（1）由于閥側(cè)兩端入口電容不同，可采用可調(diào)補償電抗器調(diào)節(jié)補償電抗值的大小，使閥側(cè)兩端在相同頻率下實現(xiàn)完全補償后，閥側(cè)兩端為阻性，避免了串聯(lián)諧振和分壓現(xiàn)象的產(chǎn)生。這種方法可以有效消除兩端電壓不平衡和環(huán)流的產(chǎn)生，同時使兩端電壓極性完全相反，對變壓器絕緣考核效果更佳。

（2）調(diào)節(jié)勵磁變壓器的變比，欠補償一端的變比適當減小，過補償一端的變比適當增大，使兩端勵磁變壓器高壓側(cè)電壓更加接近，降低環(huán)流。

（3）采用兩個變頻電源對a端和b端分別供電，在兩電源輸出同頻同相條件下，使欠補償一端輸出電壓適當降低，過補償一端輸出電壓適當增大，降低環(huán)流和電壓不平衡。

3 仿真分析

搭建與現(xiàn)場試驗相同參數(shù)的仿真模型，換流變壓器入口總電容為29.12 nF，換流變壓器a端和b端之間的電壓等于電容Ca與Cb的電壓之和，即Uab=Ua+Ub，Ua與Ub始終極性相反，因此，等效電容Ca與Cb為串聯(lián)關(guān)系，其大小與諧振頻率的平方成反比。根據(jù)出廠測試結(jié)果，計算得仿真模型中Ca=49.39 nF，Cb=71.13 nF，在U2=1.3Um3時，低壓側(cè)回路總損耗25 kW，補償電抗器電感為11 H，變頻電源輸出電壓為264.3 V，輸出頻率198.7 Hz。

仿真結(jié)果為換流變壓器閥側(cè)a端電壓Ua=112.5 kV，低壓側(cè)電流有效值399 A；閥側(cè)b端電壓Ub=124.1 kV，低壓側(cè)電流有效值412 A，兩端電壓差值為11.6 kV，電流差值為13 A。仿真結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果基本相符，說明三角形接法換流變壓器現(xiàn)場局放試驗時雙端電壓不平衡，勵磁變壓器低壓側(cè)存在環(huán)流。

（1）在變頻電源輸出頻率不變的情況下，保持補償電抗器的總電感量22 H不變，增大閥側(cè)a端補償電抗器電感值，減小b端補償電抗器電感值，使閥側(cè)a端和b端達到完全補償狀態(tài)，在198.7 Hz試驗頻率下發(fā)生完全并聯(lián)諧振，進行仿真。仿真結(jié)果為閥側(cè)a端電壓Ua=116.7 kV，b端電壓Ub=116.7 kV。仿真結(jié)果表明，調(diào)節(jié)兩端補償電抗器電感值，使同一試驗頻率下閥側(cè)兩端電壓達到完全補償，從而消除勵磁變壓器低壓側(cè)環(huán)流，使兩端電壓極性完全相反，達到標準要求的電壓考核值。

（2）在變頻電源輸出頻率不變的情況下，不改變閥側(cè)兩端補償電抗器的電感值，將閥側(cè)a端勵磁變壓器變比調(diào)高，b端變比調(diào)低，使閥側(cè)兩端電壓趨于平衡，進行仿真。仿真結(jié)果為Ua=116.8 kV，Ub=116.7 kV，仿真模型中a端勵磁變壓器變比為453，b端勵磁變壓器變比為424。仿真結(jié)果表明，改變勵磁變壓器變比，可以使閥側(cè)兩端電壓趨于平衡，但無法實現(xiàn)完全平衡，勵磁變壓器低壓側(cè)依然會存在小的環(huán)流。同時，目前國內(nèi)勵磁變壓器高壓側(cè)電壓值固定，低壓側(cè)設置幾個固定分接，現(xiàn)場很難通過調(diào)節(jié)變比使電壓充分接近，因此調(diào)節(jié)變比的方法在現(xiàn)場的應用受到限制。

（3）在變頻電源輸出頻率不變的情況下，采用雙電源分別給閥側(cè)a端和b端回路供電，保持輸出頻率和相位相同，增加閥側(cè)a端變頻電源輸出電壓，減小閥側(cè)b端變頻電源輸出電壓，使兩端電壓趨于平衡，仿真結(jié)果為閥側(cè)a端電壓Ua=116.7 kV，b端電壓Ub=116.8 kV。仿真結(jié)果表明，調(diào)節(jié)變頻電源能夠?qū)崿F(xiàn)兩端電壓趨于平衡，同時勵磁變壓器低壓側(cè)分別與兩個變頻電源連接，兩個勵磁變壓器低壓側(cè)未形成電氣連接，因此不存在環(huán)流，目前換流變壓器局放試驗用變頻電源可以實現(xiàn)兩臺電源同頻同相輸出，但若實現(xiàn)同時輸出不同電壓困難較大。

4 結(jié)束語

本文針對三角形接法的換流變壓器局放試驗雙端時電壓不平衡問題，通過現(xiàn)場試驗結(jié)合仿真得到電壓不平衡的原因是使用相同補償電抗時，欠補償一端電壓發(fā)生串聯(lián)諧振，導致電壓升高；過補償一端發(fā)生勵磁變壓器漏抗分壓，電壓降低。通過調(diào)節(jié)補償電抗器的電感值可以實現(xiàn)換流變壓器雙端完全補償，有效解決電壓不平衡和產(chǎn)生環(huán)流問題，確保雙端電壓極性相反；改變勵磁變壓器變比或采用雙電源供電也可以使雙端電壓趨于平衡，消除環(huán)流，但雙電源供電在現(xiàn)場實現(xiàn)的難度較大?，F(xiàn)場試驗時可將調(diào)節(jié)補償電抗器電感值與調(diào)節(jié)變壓器變比相結(jié)合，使雙端電壓趨于平衡，降低勵磁變壓器低壓側(cè)環(huán)流。