王紅衛(wèi)， 張 娜

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

特高壓輸電工程可以遠(yuǎn)距離、大容量傳輸電能。我國經(jīng)濟(jì)與資源在區(qū)域上東西方向呈逆向分布，不可避免地要將特高壓輸電工程建在偏遠(yuǎn)西部地區(qū)，特高壓變壓器的整體運(yùn)輸因?yàn)樯婕凹庸虡蛄骸⑼貙挼缆?、改建高速公路收費(fèi)站等支出，運(yùn)輸費(fèi)用高昂，導(dǎo)致特高壓變壓器整體運(yùn)往偏遠(yuǎn)山區(qū)極為困難。將特高壓變壓器分解為小部件并進(jìn)行分體運(yùn)輸，是解決其運(yùn)輸問題的有效方法之一。但由于在鐵芯繞組裝配過程中增加了更多的環(huán)節(jié)，有些環(huán)節(jié)還是在現(xiàn)場進(jìn)行，這就導(dǎo)致現(xiàn)場組裝的特高壓變壓器質(zhì)量存在不確定因素，也給其后期運(yùn)行增加了風(fēng)險。為了檢驗(yàn)現(xiàn)場組裝質(zhì)量，有必要開展現(xiàn)場空負(fù)載試驗(yàn)以檢查變壓器鐵芯等部件是否存在缺陷，驗(yàn)證其組裝質(zhì)量，保證各項指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)程要求。

參考文獻(xiàn) [1—6]闡述了變壓器相關(guān)的空負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的具體測量方法和過程，同時對測試裝置的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了說明；但這些論文多數(shù)討論了500 kV 以下電力變壓器空載試驗(yàn)，少部分討論了1 000 kV 變壓器現(xiàn)場空載試驗(yàn)，對負(fù)載試驗(yàn)則鮮有說明。為此，本文將介紹滿足1 000 kV 特高壓變壓器試驗(yàn)需求，以及移動式的現(xiàn)場空負(fù)載試驗(yàn)裝置的主要參數(shù)，并進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

1 特高壓變壓器現(xiàn)場空負(fù)載試驗(yàn)主要試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計

1.1 主回路設(shè)計

試驗(yàn)回路的設(shè)計需要考慮電源容量和接線方式的影響。由于電壓等級太高，采用雙端加壓方式可以減小電壓互感器、電流互感器器件對地絕緣強(qiáng)度，同時也有利于使用高精度電流、電壓互感器提升功耗、電流、電壓、波形的測量精度。通過研究，常溫下1 000 kV 特高壓變壓器在進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)時，其功率因素cosδ 小于0.01，因此試驗(yàn)中需要實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的測量精度。

對測量功率進(jìn)行微分，當(dāng)功率因數(shù)cosδ=0.01時，假設(shè)測量相角相差1′，則可粗略估計誤差變化為

功率因數(shù)為0.01 時，相角δ 變化1′，則負(fù)載損耗變化為±2.91%，這對于整個測量過程是一個很大的偏差。為此，采用雙端加壓回路，對于整個試驗(yàn)的測量系統(tǒng)有著重要意義。圖1 和圖2 分別是空載和負(fù)載試驗(yàn)回路原理圖。

圖1 特高壓變壓器現(xiàn)場空載試驗(yàn)原理圖

圖2 特高壓變壓器現(xiàn)場高—中側(cè)負(fù)載試驗(yàn)原理圖

1.2 電源參數(shù)

1 000 kV 特高壓變壓器通常為單相自耦變壓器，其主要參數(shù)見表1。

表1 1 000 kV 特高壓變壓器主要參數(shù)

空載試驗(yàn)電流計算如下

所需電源容量

中間變壓器參數(shù)為：變比取130 kV/10 kV，1 000 kV 特高壓變壓器空載試驗(yàn)電壓應(yīng)加到額定電壓（低壓側(cè)加壓），故中間變壓器低壓側(cè)電壓為

忽略中間變壓器以及測量系統(tǒng)損耗，中間變壓器低壓側(cè)電流為

假設(shè)中間變壓器、電纜以及測量系統(tǒng)的損耗不超過100 kVA，則所需要電源容量可為1 000 kVA，中間變壓器低壓側(cè)電流為

現(xiàn)場試驗(yàn)電源若采用三相35 kV 站用電源再變?yōu)槿?0 kV 輸入，則可以計算35 kV 側(cè)輸入電流為

負(fù)載試驗(yàn)容量通常應(yīng)考慮1 000 kV 特高壓變壓器高-中（H-M）、高-低（H-L）、中-低（ML） 側(cè)的試驗(yàn)容量。已知變壓器參數(shù)，可分別計算這些試驗(yàn)容量。在全補(bǔ)償情況下，所需要的電源容量并不太大，但實(shí)際上并不能做到完全補(bǔ)償，因此實(shí)際電源容量需要考慮比全補(bǔ)償情況下的容量大 3～5 倍即可。

在變壓器制造廠試驗(yàn)中心，通常使用同步發(fā)電機(jī)作為空載試驗(yàn)電源，為了滿足空載試驗(yàn)時電壓波形畸變率要求，電源容量通常選得比試驗(yàn)所需容量大2.5～10 倍?？紤]到中間變壓器電壓相關(guān)系數(shù)，可用經(jīng)驗(yàn)公式對試驗(yàn)電源容量進(jìn)行確定。

式中，S0為空載試驗(yàn)電源容量；k 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般為2.5～10；Sn為被試變壓器所需容量。

而在另一邊，進(jìn)駐云南已有1年多的菜鳥驛站，在此次“雙11”高峰頂住壓力，成為“最后100米”優(yōu)質(zhì)服務(wù)的代表。記者在昆明福居路菜鳥驛站看到，包裹按編碼整齊排列在貨架上，陸陸續(xù)續(xù)有小區(qū)住戶前來取件、寄件，因服務(wù)周到、便捷，很多住戶成為了這里的“常客”。

考慮變頻電源不存在發(fā)電機(jī)自勵磁現(xiàn)象，為便于現(xiàn)場使用，采用高壓變頻電源作為試驗(yàn)裝置的主電源，選取3 000 kW 做試驗(yàn)裝置的電源容量。

1.3 高壓變頻電源參數(shù)

圖3 高壓變頻電源的串聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

高壓變頻電源采用54 級角移變壓器和18 個逆變單元串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。其包含了18 個串聯(lián)的電源單元，分別為A1～A9 以及B1～B9，如圖3 所示。每一個電源單元都是三相輸入、單相輸出、PWM調(diào)制的變頻器。這些變頻電源單元輸出電壓為600 V，統(tǒng)一由一個相移變壓器進(jìn)行供電。這樣的結(jié)構(gòu)減小了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提升了整個變壓變頻電源系統(tǒng)的可靠性。通過多級串聯(lián)，整個電源輸出調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.1 V。采用54 級角移技術(shù)可以最大限度地減小輸出電壓中的諧波分量，使得輸出電壓波形接近標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。

使用MATLAB Simulink 工具進(jìn)行仿真。圖4是一個A1-B1 單元組的仿真結(jié)構(gòu)圖，圖5 和圖6是仿真的波形輸出圖，效果較好。

1.4 濾波器和補(bǔ)償器的參數(shù)

空載試驗(yàn)電流中含有3 次、5 次和7 次諧波。諧波電流進(jìn)入電源后，由于電源存在內(nèi)阻抗，輸出電壓將存在畸變，導(dǎo)致空載電壓、電流和損耗發(fā)生變化，影響試驗(yàn)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

當(dāng)外施電壓高于額定電壓時，變壓器鐵芯勵磁飽和后，電流中就會產(chǎn)生諧波分量。為了避免這種情況，采用了19 種電壓輸入輸出組合、低漏磁、不易飽和的變壓器作為中間變壓器，同時設(shè)計了針對3 次、5 次、7 次高壓諧波的濾波器。濾波器的使用，可以解決諧波對空載損耗測量的影響，提升測量的準(zhǔn)確度。

圖 4 A1-B1 單元組的MATLAB 仿真模型圖

圖5 空載試驗(yàn)PWM 調(diào)制輸出波形圖

圖6 經(jīng)過濾波器的空載試驗(yàn)PWM 調(diào)制輸出波形圖

補(bǔ)償器由2 個電容器陣列組成。每個陣列包含14 條支路，每一條支路有4 個電容器，如圖7所示，容量如表2 所示。每個陣列的額定電壓為30 kV，額定容量為32.6 Mvar。

圖7 電容器陣列結(jié)構(gòu)圖

表2 補(bǔ)償容量表

2 現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

在空載試驗(yàn)過程中，電壓從0 到1.1 UN 慢慢施加，調(diào)壓速度應(yīng)盡量緩慢。對于現(xiàn)場負(fù)載試驗(yàn)，試驗(yàn)電流按低于1 000 kV 變壓器額定電流的50%考慮，因此將測量點(diǎn)分成了10%In，20%In，30%In，40%In，50%In（In為 1 000 kV 特高壓變壓器繞組額定電流，應(yīng)根據(jù)不同繞組具體確定）。

負(fù)載試驗(yàn)的電抗和損耗有3 組數(shù)據(jù)，分別為高—中、中—低、高—低。負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常容易受到溫度的影響，而現(xiàn)場試驗(yàn)環(huán)境的溫度變化不定，所以通常將測量數(shù)據(jù)折算到溫度為75 ℃的數(shù)據(jù)，這樣才能進(jìn)行比較分析。

在t ℃進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，測量的負(fù)載電流為I'（I'≤50%In），這時應(yīng)先折算到額定電流In下。假設(shè)電流I'對應(yīng)負(fù)載試驗(yàn)電路損耗為Pkt′，短路電壓為 Ukt′，在 In下 Pkt、Ukt計算公式如下

現(xiàn)場試驗(yàn)得到的負(fù)載損耗應(yīng)該折算到參考溫度下的值。繞組的直流電阻可以在負(fù)載試驗(yàn)前進(jìn)行測量，因此電阻損耗可以通過繞組電阻和電流的平方相乘得到。附加損耗可以用總損耗減去電阻損耗后求得。直流電阻乘以溫度系數(shù)K 可以折算到參考溫度；附加損耗則除以K 進(jìn)行折算。直流電阻損耗從t ℃折算到 75 ℃，可以用式 (12)、式（13） 進(jìn)行計算。

在國內(nèi)某特高壓站進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，表3～表6 為現(xiàn)場空負(fù)載試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了折算。

表3 1 000 kV 特高壓變壓器負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)（中—低，19.0 ℃）

表4 1 000 kV 特高壓變壓器負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)（高—低，19.0 ℃）

表5 1 000 kV 特高壓變壓器負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)（高—中，15.0 ℃）

表6 1 000 kV 特高壓變壓器空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)（經(jīng)與制造廠家溝通，1.0 UN 及以上的空載試驗(yàn)未開展）

現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：1 000 kV 特高壓變壓器高—中、高—低、中—低短路電壓比與出廠試驗(yàn)具有良好的一致性。在50%短路電流時的負(fù)載損耗，中—低偏差-3.11%，高—低偏差-2.21%，高—中偏差-1.48%，均小于出廠試驗(yàn)。實(shí)測空載電流均小于設(shè)計值，出廠試驗(yàn)空載電流為5.28 A，現(xiàn)場試驗(yàn)空載電流為5.02 A，偏小-4.94%。現(xiàn)場空載損耗為149.20 kW，比出廠試驗(yàn)偏差-0.08%，原因如下：第一，對于負(fù)載試驗(yàn)，出廠試驗(yàn)采用單邊加壓方式進(jìn)行測量，現(xiàn)場試驗(yàn)采用雙邊加壓主方式，因此現(xiàn)場測量結(jié)果偏小。第二，出廠試驗(yàn)在5 月進(jìn)行，現(xiàn)場試驗(yàn)在10 月進(jìn)行，加壓導(dǎo)線損耗因環(huán)境溫度引起的偏差較明顯。第三，對于空載損耗，出廠試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)采用雙邊加壓方式，同時測量系統(tǒng)不一致也導(dǎo)致偏差，電源波形質(zhì)量也帶來偏差，但總體上偏差較小。

3 結(jié)論

通過現(xiàn)場空負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)與出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對和分析，表明1 000 kV 特高壓變壓器解體運(yùn)輸、現(xiàn)場組裝的方案是可行的，技術(shù)上是可靠的，其組裝質(zhì)量完全滿足運(yùn)行要求。