变频调压的特高压大型变压器现场空载试验方法

摘要

一种变频调压的特高压大型变压器现场空载试验方法，依次连接交流试验电源、中间变压器和被试变压器，在被试变压器的初级并联连接一组或多组高次谐波RLC串联的高压滤波器，以高压大功率变频电源或高压大功率变频电源输出端连接调压器作为交流试验电源，然后通过对高压大功率变频电源的频率调节操作进行对被试变压器的空载试验，以实现在不增大空载试验电源容量、不劣化空载电压波形质量和在不改变用于补偿的高压滤波器容量的情况下进行大型变压器空载试验。本发明在保证升压过程顺利完成的情况下，显著减小特高压大型变压器空载试验所需的试验电源容量，进而有效推动特高压变压器现场试验技术及装置向集成化、小型化、现场实用化方向发展。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变压器现场试验方法，具体说是一种变频调压的 特高压大型变压器现场空载试验方法。

背景技术

大型电力变压器是输变电系统中最重要、最昂贵的设备之一，其 可靠性直接关系到电力系统安全稳定运行。尤其是在特高压交直流工 程中，大型变压器作为输变电系统的核心，地位尤为重要。

变压器出厂或大修投运前，需进行现场空载试验。空载试验能有 效检验变压器铁芯和内部缺陷，是评价变压器安全、经济、稳定运行 的重要技术手段。由于特高压变压器体积重量庞大，不易运输，为节 省运输成本，大型变压器现场组装现场试验将逐渐取代传统的厂内组 装成品运输的模式。

但现场组装现场试验也带来新的问题，特高压变压器容量大，电 压等级高，现场试验困难。尤其是变压器空载试验中，电压升高铁芯 饱和后，空载电流急剧增加，极易导致试验电压降低和电压波形畸变， 难以升压完成试验。试验装置容量增大，可减小电压波形的畸变；但 试验装置容量增大，则体积重量成倍增加，难以现场应用。

目前，大型变压器的空载试验主要采用两种方案：同步发电机组 和调压器。发电机组投资庞大，重复使用困难，难以现场应用。调压 器受电网波动影响较大，一般需补偿才能完成空载升压；常用的补偿 办法是在铁芯饱和后投切高压电容，以补偿空载电流中急剧增加的感 性分量。对于特高压变压器，空载试验中投切高压电容容易产生暂态 过电压，危及设备。对于特高压大型变压器，这些试验方法难以解决 试验装置容量和试验电压波形之间的矛盾需求，均不适合特高压变压 器现场试验。

因此，需研究实际可行的特高压大型变压器现场试验方法，为完 成特高压变压器现场试验尤其是空载升压试验提供一种新的解决途 径，为特高压设备现场组装现场试验的建设模式提供技术支持。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种变频调压的特高压大型变 压器现场空载试验方法。

所述变频调压的特高压大型变压器现场空载试验方法，依次连接 试验装置和被试变压器，所述试验装置由试验电源连接中间变压器构 成，其特征是：在被试变压器的初级并联连接一组或多组高次谐波RLC 串联的高压滤波器，并将所述的高压滤波器作为空载试验过程中始终 且唯一接入的高压补偿方式，以高压变频电源作为交流试验电源，然 后通过对高压变频电源的频率和输出电压调节操作进行对被试变压器 的空载试验，以实现在不增大空载试验电源容量、不劣化空载电压波 形质量和在不改变用于补偿的高压滤波器容量的情况下进行大型变压 器空载试验。

国家电网发布的新版电力行业强制性标准《电业安全工作规程》 规定：电压等级在1000V及以上为高压电气设备。

所述高次谐波RLC串联的高压滤波器与低压侧的低压滤波器或高 压侧的电容补偿滤波器是截然不同的，电容补偿需要分阶段投切接入， 会产生暂态过电压的风险。

所述高压滤波器的选取采用如下方式：

一、利用电路仿真分析工具，根据被试变压器的励磁曲线和试验 回路结构建立回路分析模型；

二、改变高压滤波器的容量，得到不同容量的高压滤波器补偿状 态下所需的试验装置的容量S与试验电压U关系曲线；

三、比较连接不同容量的高压滤波器后的所需的试验装置容量S 在整个试验过程中的极大值与终止值，选取试验装置容量极大值与终 止值之差最小的高压滤波器。

所述对高压变频电源的频率调节操作为：

一、在35Hz～45Hz之间选取一个频率点作为高压变频电源的起始 频率f₀，升高交流试验电源的输出电压，升压过程中，实时监测被试 变压器输入端的电压和电流，该电流即作为待测的空载电流；同时， 还需监测试验装置的输出电流。

二、监测到试验装置的输出电流由增大变减小时为铁心未饱和阶 段和滤波器基波补偿阶段的分界，之后每当监测到被试变压器输入端 的电流由减小变为稳定增大时，在高压变频电源现有频率的基础上累 加一个频率步长Δf，直到频率变为工频频率值；

三、监测到被试变压器输入端的电压达到最高试验电压时，终止 变频调压过程。

作为实施例，实时监测中间变压器的输出电流、被试变压器输入 端的电压和电流的方法分别为：在中间变压器输出侧串联连接电流互 感器、在被试变压器输入端并联连接电压互感器、在被试变压器输入 端串联连接电流互感器，通过所连接的电压互感器和电流互感器的输 出信号监测中间变压器的输出电流和被试变压器输入端的电压、电流。

作为一种优化方案，所述频率步长Δf取0.5Hz～1Hz。

以如下方式确定所述高次谐波RLC串联的高压滤波器内电阻、电 容、电感元件的参数：

一、确定所述高压滤波器的额定电压U_fN和谐波电流I_fN：

额定电压以下式计算：U_fN=K×U_m，

式中U_fN为高压滤波器的额定电压，K为安全系数，U_m为最高试 验电压，取安全系数K为1.15；

谐波电流I_fN为高压滤波器特征频率λ所对应的谐波电流分量， 所述高压滤波器特征频率λ为被试变压器额定频率的奇数倍，所述的 谐波电流分量是被试变压器的对应高次谐波电流；

二、确定高压滤波器的容量S_f、品质因数Q：

高压滤波器的容量S_f以下式计算：

S_f=U_m×I_fN，

其中U_m为最高试验电压，I_fN为滤波器特征频率λ所对应的谐波 电流分量；

所述品质因数Q的取值范围是10≤Q≤50；

三、以下列算式分别确定所述高压滤波器的电容值、电感值、电 阻值：$C=\frac{S_f}{2\mathrm{\pi f}{U}_{\mathrm{fN}}^2},$

$L=\frac{1}{4{\pi }^2{\lambda }^{2}C},$

$R=\frac{2\mathrm{\pi \lambda L}}{Q},$

式中，C为高压滤波器的电容值，L为高压滤波器的电感值，R为 高压滤波器的电阻值，S_f为高压滤波器的容量，U_fN为高压滤波器的额 定电压，f为试验电源频率，λ为高压滤波器的特征频率，Q为高压 滤波器的品质因数。

最高试验电压根据试验规程（国标）和变压器额定电压给出。

本发明在保证升压过程顺利完成的情况下，显著减小特高压大型 变压器空载试验所需的试验电源容量，进而有效推动特高压变压器现 场试验技术及装置向集成化、小型化、现场实用化方向发展。

附图说明

图1是特高压大型变压器现场试验主回路结构示意图，

图2是滤波器补偿作用下空载试验的试验装置容量S与试验电压 U关系示意图，

图3是不同容量滤波器补偿状态下所需试验装置容量S与试验电 压U关系示意图，

图4是变频调压策略的试验电压U与频率f关系示意图，

图5是采用变频升压策略时的试验装置容量S和频率f随试验电 压U的变化图，

图6是实际操作的变频升压策略的试验装置容量S和频率f随试 验电压U的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：如图1中所示，所述变频调 压的特高压大型变压器现场空载试验方法，依次连接试验装置7和被 试变压器4，所述试验装置7由试验电源1连接中间变压器2构成，其 特征是：在被试变压器4的初级并联连接一组或多组高次谐波RLC串 联的高压滤波器3，并将所述的高压滤波器3作为空载试验过程中始终 且唯一接入的高压补偿方式，以高压变频电源作为交流试验电源，然 后通过对高压变频电源的频率和输出电压调节操作进行对被试变压器 的空载试验，以实现在不增大空载试验电源容量、不劣化空载电压波 形质量和在不改变用于补偿的高压滤波器容量的情况下进行大型变压 器空载试验。

所述高压滤波器3的选取采用如下方式：

一、利用仿真分析工具，如PSCAD、Matlab等，根据被试变压 器4的励磁曲线和试验回路结构建立回路分析模型；

二、改变高压滤波器的容量，得到不同容量的高压滤波器补偿状 态下的试验装置的容量S与试验电压U关系曲线；

三、比较以每一高压滤波器条件下完成空载试验所需的试验装置 容量极大值与终止值，选取试验装置容量极大值与终止值之差最小的 高压滤波器。

所述对高压变频电源的频率调节操作为：

一、在35Hz～45Hz之间选取一个频率点作为高压变频电源的起始 频率f₀，升高交流试验电源1的输出电压，升压过程中，实时监测被 试变压器4输入端的电压和电流，该电流即作为待测的空载电流；同 时，还需监测试验装置7的输出电流。作为实施例，实时监测中间变 压器2的输出电流、被试变压器4输入端的电压和电流的方法分别为： 在中间变压器2输出侧串联连接电流互感器5、在被试变压器4输入端 并联连接电压互感器6、在被试变压器4输入端串联连接电流互感器5， 通过所连接的电压互感器6和电流互感器5的输出信号监测中间变压 器2的输出电流和被试变压器4输入端的电压、电流。

二、监测到试验装置的输出电流由增大变减小时为铁心未饱和阶 段和滤波器基波补偿阶段的分界，之后每当监测到被试变压器4输入 端的电流由减小变为稳定增大时，在高压变频电源现有频率的基础上 累加一个频率步长Δf，直到频率变为工频频率值；作为一种优化方案， 所述起始频率f₀的选取范围为35Hz～45Hz，频率步长Δf取 0.5Hz～1Hz。

三、监测到被试变压器4输入端的电压达到最高试验电压时，终 止试验过程。

对于多个低压变频功率单元串联而成实现直接高压输出的试验电 源1，输出电压和频率能独立调节。升压变压器为大容量变压器，在回 路中起升高电压的作用，与高压大功率变频电源一起共同构成试验所 需的高电压。

高压滤波器3为无源滤波器，由电阻、电容、电感元件构成。滤 波器的主要功能是在铁芯饱和空载电流畸变时，补偿感性基波电流， 滤除谐波电流，进而改善试验电压波形。

如图2所示，对于滤波器补偿的空载试验回路，随着试验电压U 的增加，所需的试验装置容量S呈不规则“波浪”形变化，分为以下 三个阶段：

一：在电压较低铁芯未饱和的阶段，被试变压器的空载电流很小， 且绝大部分是基波。此时，滤波器成为试验回路的容性负载，除被试 变压器阻抗外，试验电源还需要负担滤波器阻抗，试验电源容量变大， 且S随U上升逐步增加。

二：当U进一步增加时，空载电流中的谐波分量逐渐增多，此时 滤波器可补偿基波并分流掉大部分谐波，减小空载电流，能有效降低 所需的试验装置的容量，因此S随U上升而下降。

三：当U进一步增加，铁芯过饱和后空载电流急剧增加，滤波器 的补偿作用并不能抵消空载电流激增作用，S也随着U增加而急速上 升。

因此，整个过程中S会存在着两个较高点：第一阶段和第二阶段 交叉点S₁，第三阶段的终点S₂。为完成空载试验，试验装置的容量取 S₁和S₂中的大者。

不同容量的滤波器补偿时，所需的试验装置容量S随电压的变化 曲线如图3所示，图中S1、S2、S3对应的滤波器容量依次增加。滤波 器容量越小，铁芯未饱和段所需的试验装置容量越小，铁芯饱和后所 需的试验装置容量越大（如图3中S1曲线）。反之，滤波器容量越大， 铁芯未饱和段所需的试验装置容量越大，铁芯饱和后所需的试验装置 容量越小（如图3中S2曲线）。S2曲线介于S1和S3之间。

由图3可知，滤波器容量选择要同时平衡铁芯饱和前后两个阶段， 使得S曲线中两个较高点S1和S2大小相近（如S2曲线所示），可达 到最佳的试验补偿效果。

在同一容量滤波器补偿的情况下，改变空载试验电源频率，得到 不同频率下所需的试验装置容量也可由图3表示，此时S1、S2、S3分 别对应不同的试验频率f₁、f₂、f₃，且f₁＜f₂＜f₃。

为进一步减小所需的试验装置容量，本发明提出一种变频调压方 法。变频调压的主要思想是在不同的电压段采用不同的频率，频率随 电压增加而增加（即f随U呈“阶梯型”上升），频率与电压的变化关 系如图4中所示。具体而言是在较低的频率f₁下开始调压。此时，铁 芯没有饱和，滤波器呈容性，阻抗与频率呈反比，补偿效果更好，可 降低此阶段所需的最大试验电源容量S。当电压逐步增加铁芯趋于饱和 时，逐步升高频率，使得曲线平缓过渡到较高频率f₂下的曲线段；进 一步的升高频率过渡到f₃下的曲线段。在整个调压过程中，所需的试 验装置容量S和频率f随试验电压U的变化关系可由图5表示。由图 5可看出，采用变频调压的方法完成整个试验过程所需的试验装置容量 比采用单一频率下要小。

针对每一个具体的被试变压器，实际操作可行的变频调压方法需 确定三个参量，起始频率f₀，频率变化步长△f，频率变化点。

由于试验最终频率为工频50Hz，因此起始频率f₀必须小于50Hz， 一般可取35Hz～45Hz之间。

频率变化调节的步长△f由变频电源的频率输出特性和试验所需 的变频调压效果决定。△f过大，会造成调节不精确，试验的有益效果 降低；△f过小会带来巨大的试验工作量。因此，结合市场上高压大功 率变频电源的技术水平，本发明中频率变化调节步长△f取为 0.5Hz～1Hz。

频率f在阶梯型变化过程中的每一个的变化点由不同频率下试验 装置容量S与试验电压U的曲线的交点（如图5中的U1和U2）所决 定。但在实际试验过程中，不同频率下的曲线交点难以通过有效的检 测手段或分析手段界定。因此，一种实际可操作的方法是，取变化点 为每一条曲线的波谷点（如图6中的Uˊ1和Uˊ2）。由于此阶段中， 被试变压器铁芯即将饱和，所需试验装置的容量的上升表现为空载电 流的迅速上升。因此，在此阶段试验过程中确定频率变化点的具体的 方法为：该频率下，利用互感器或其他测量手段监测到的空载电流上 升时，增加频率到达更高的频率点；继续监测空载电流，当空载电流 又开始上身时，再增加频率；直至最后频率达到50Hz，即完成变频调 压过程。

综上所述，当被试变压器容量大、电压等级很高的情况下，采取 “阶梯型”变频调压的方法能避免因试验装置容量有限、回路阻抗过 小的情况下试验电压难以升上去的风险。在高压大功率变频电源和滤 波器补偿的空载试验中，采用变频调压的策略能显著减小试验电源的 容量，保证升压过程顺利完成。因此，本发明为特高压变压器现场空 载试验提供了一种新的有效的试验方法，能有效推动特高压变压器试 验技术及装置向集成化、小型化、现场实用化方向发展。