220kV電力變壓器感應耐壓試驗參數計算分析與運用

摘要：變壓器感應耐壓試驗是電力系統在交接試驗、預防性試驗中大型且重要的診斷試驗項目。該項目可以很好地考核設備的絕緣水平，是設備能否合格投入運行的重要依據。文章從理論的角度對220kV變壓器在試驗過程中的繞組電壓分布關系、功率構成等技術參數進行計算分析，并通過現場實際的參數測量值來驗證理論計算值。

關鍵詞：變壓器；分級絕緣；感應耐壓；參數計算；電力系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM855 文章編號：1009-2374（2015）33-0042-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.33.023

由于電力系統中運用的220kV變壓器大多都是分級絕緣結構，中性點絕緣水平低于線端，造成不能同時對變壓器繞組連同套管按線端絕緣水平進行施加交流電壓。在進行外施交流耐壓時只能按照中性點絕緣水平進行，這樣線端電壓就遠遠達不到標準要求。感應耐壓試驗是從變壓器二次側繞組采用自激法加壓，利用變壓器自身使用特性，一次側會感應和匝數成正比的高電壓，有效地解決了繞組線端絕緣水平試驗電壓的問題，同時考驗了變壓器的對地絕緣和匝間絕緣水平。

1 工程概況

220kV某變電站擴建的220/115/21kV主變作為電網改造的試點工程，首次采用變低21kV輸出，打破了電力系統網內傳統10kV輸出的慣例，相應試驗技術參數也隨之更改。感應耐壓試驗作為此次驗收項目的重要一項，試驗前做好充分技術計算分析，是試驗成功與否的關鍵因素。

1.1 被試變壓器主要參數

型號：SFSZ11-240000/220，額定電壓：SFSZ11-240000/220，額定容量：240（MVA），額定電壓：220（±8×1.5%）/115/21kV，額定電流：629.8/1204.9/3299.1（A），聯結組別：YNynod11，空載損耗：85.4（kW），空載電流：0.048（%），絕緣水平：HV：線端LI950AC395/中性點LI400/AC200（kV）；MV：線端LI480AC200/中性點LI325AC140（kV）；LV：LI125AC55（kV）。

1.2 試驗儀器參數

（1）變頻電源（WJFY-F300，1臺），輸入電壓：380V/50Hz，輸出：0～350V/0～857A，功率：300kW，頻率調節范圍：30～300Hz；（2）勵磁變（WJFB-L300，1臺），300kVA，輸入：（320V、360V、400V、440V）×2組/0～857A，頻率：30～300Hz，高壓輸出：35kV/4.3A×2組；（3）補償電抗器（WJFL-B350/35，2臺）：額定電壓：35kV/15A，頻率20～300Hz，電感量：3.7H/525kVA。

2 變壓器感應耐壓的基本要求

根據《電氣電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準》（GB 50150-2006）和《電力變壓器 第3部分 絕緣水平、絕緣試驗和外絕緣空氣間隙》（GB 1094.3-2003）要求，變壓器感應耐壓試驗時，為防止鐵芯飽和及勵磁電流過大，試驗電壓的頻率應適當大于額定頻率。因為若在額定頻率下，在試品一側施加大于其額定電壓的試驗電壓，鐵芯磁密將與電壓成正比增加，當外施電壓約為1.2倍額定電壓時，鐵芯磁密將達到飽和，使得空載電流急劇增加。由變壓器的電磁感應原理可知，感應電動勢為：E=4.44fNBS=kfB，所以B=E/kf。

式中：E為感應電動勢；f為電源頻率；N為繞組匝數；B為磁通密度；S為鐵心截面積；k為常數（k=4.44NS）。

由以上公式可見，鐵心磁通密度與外施電壓成正比，與電源頻率成反比。因此，當外施電壓增大一倍時，若要保持鐵心磁通密度不變，電源頻率也要相應增大一倍，所以對變壓器必須進行二倍頻以上的感應耐壓。根據市場現有試驗設備情況，感應耐壓試驗的電源常常采用可調倍頻電源。接線方式使用低壓單相勵磁感應接線，逐相進行試驗。

標準要求：除非另有規定，當試驗電壓頻率等于或小于2倍額定頻率時，全電壓下試驗時間為60s；當試驗電壓頻率大于2倍額定頻率時，全電壓下試驗時間為：120×額定頻率/試驗頻率（s），但不少于15s。

3 試驗準備

3.1 試驗條件

被試變壓器組裝完畢后，真空注油后應靜置48小時以上。變壓器高低壓側所有一次線與外部連接線拆除，所有套管電流互感器二次端子全部短路接地；變壓器的現場常規試驗項目全部完成，如絕緣電阻、吸收比（極化指數）、介質損耗因數（tanδ）、直流電阻、電壓比、直流耐壓、繞組連同套管交流耐壓（按中性點絕緣水平）等，試驗結果均符合有關標準的要求；變壓器外殼與鐵芯應可靠接地；滿足以上試驗條件后進行試驗。

3.2 試驗接線

圖1 變壓器感應耐壓試驗接線圖

因為變壓器是分級絕緣的變壓器，高壓側繞組絕緣水平為395kV，高壓側繞組中性點絕緣水平為200kV，絕緣水平相差195kV。中壓側繞組絕緣水平為200kV，中壓側繞組中性點絕緣水平為140kV，絕緣水平相差60kV，所以不能按繞組線端絕緣水平采取外施交流耐壓的方法，對高壓側和中壓側進行試驗，只能采用單相感應耐壓進行試驗，試驗標準依據相關標準，高壓繞組對地電壓按395*0.8=316kV進行，中壓繞組對地電壓按200*0.8=160kV進行，試驗采用國家標準規定的試驗接線方式，感應耐壓試驗接線如圖1所示。

4 試驗參數計算分析

4.1 感應耐壓試驗電壓計算

試驗時應將變壓器有載分接開關調至1檔，高壓側此時額定電壓為246.4kV，這樣就可以使試驗時變壓比最大，從而更容易獲得高電壓，以A相為例：

4.1.1 變比計算：

高、低壓變比K1=246.4//21=6.77

中、低壓變比K2=115//21=3.16

4.1.2 感應耐壓試驗電壓計算：

根據變壓器感應耐壓時的電壓向量圖，如圖2所示，當高壓繞組A相線端對地達到試驗電壓316kV時，此時中性點電壓UO=1/3UA=105.3kV，相電壓UAO=UA-UO=316-105.3=210.7kV。

低壓側電壓：Uac=210.7/K1=210.7/6.77=31.1kV；中壓側相電壓：UAmom=Uac×K2=31.1×3.16=98.3kV；中壓側對地電壓：UAm=1.5×UAmom=1.5×98.3=147.5kV。

圖2 變壓器感應耐壓時的電壓向量圖

所以低壓側在Uac達到激發電壓31.1kV時，高壓繞組A相線端對地就可以達到試驗電壓316kV，中壓繞組A相線端對地就可以達到試驗電壓147.5kV，中壓側雖略低于標準試驗電壓160kV，根據就高原則，此時也能達到感應耐壓試驗的預期目標。

4.1.3 勵磁電壓計算：

勵磁變變比：K=70/0.44=159.1

勵磁變低壓側電壓：U=31100/159.1=195V

4.2 試驗電源功率計算

4.2.1 有功功率計算（按150Hz計算）：

有功損耗計算以被試變壓器的空載損耗為依據，并按各鐵芯段分別計算，將空載損耗按鐵芯段數平均，三柱式鐵芯共分7段（3柱和4段鐵），每段損耗為總損耗的1/7。

（kW）

試驗時各段鐵芯損耗取決于磁通密度和頻率，即：

由于，得全磁通時各段鐵芯損耗為：

半磁通時各段鐵芯損耗為：

總體有功損耗為各段損耗之和，即，匝間電壓倍數，冷軋硅鋼片取m=1.6，n=1.9。

（kW）

（kW）

（kW）

4.2.2 電容功率計算：

繞組A相容性功率為：

4.2.3 感性功率計算：

感性無功功率與感應電壓的倍數成正比，與頻率倍數成反比，即：

4.2.4 總功率及輸入電流計算：

（kVA）

被試變壓器低壓側的試驗電壓為，則輸入電

流為：

（A）

4.2.5 采取電感補償：

被試變壓器容性無功為Q=469-21=448（kvar），假設變頻電源提供40%的總功率為448*40%=179kVA，要補償的無功為448-179=269（kvar）

（A）

（A）

補償后總功率及輸入電流計算：

（kVA）

被試變壓器低壓側的試驗電壓為，則輸入電流為：

（A）

至此，試驗參數已基本掌握，按以上計算根據試驗單位現有的電抗器，選用一個35kV、15A、3.7H/525kVA的電抗器進行并聯補償就能滿足要求。

5 試驗數據分析

按照以上數據計算，此次感應耐壓試驗通過充分組織準備，試驗順利完成，A相的現場實測數據如表1所示。

從以上數據可以看到，實測值和計算值對比有略微偏差，詳見表2，是因為試驗現場環境的復雜性，即高壓電場分布的雜散電流對試驗參數產生影響，但試驗數據總體與計算值比較接近，證明了試驗開始前擬選的試驗設備完全滿足試驗要求。此次試驗具有較強的實踐推廣意義，目前這臺被試變壓器已可靠運行。

表1 被試變壓器A相實測參數

施加

電壓

LV-E（kV） 感應電壓

（kV） 加壓時間（s） 高壓電流（A） 勵磁

電壓

（V） 勵磁

電流

（A）

HV-E MV-E 勵磁變 電抗 試品

23.6 240 112 / 1.6 4.8 4.2 150 292

27.9 283 132 / 1.9 6.2 5.3 172 335

31.1 316 148 40 2.3 7.4 6.4 204 400

表2 被試變壓器A相試驗參數比對表

測量部位 計算值（A） 實測值（A） 偏差（%）

電抗電流 8.6 7.4 -13.95

試品電流 6.1 6.4 +4.92

勵磁變電流 2.1 2.3 +9.52

勵磁電壓 195 204 +4.62

6 結語

眾所周知，220kV及以上電壓等級的變壓器感應耐壓試驗難度較大。調試單位試驗前充分準備，而后進行復雜參數計算，最后通過實踐來加以論證的方法，在此次案例中運用是成功的。其試驗數據的分析計算過程，可以為今后更好地開展相同工作提供技術參照、指導作用。

參考文獻

[1] 束秋節.110kV電力變壓器感應耐壓試驗參數估算分析[J].技術與市場，2014，（1）.

[2] 江蘇省電力工業局.電氣試驗技能培訓教材[S].北京：中國電力出版社，1998.

[3] 中華人民共和國建設部.電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準（GB 50150-2006）[S].北京：中國計劃出版社，2006.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.電力變壓器 第3部分 絕緣水平、絕緣試驗和外絕緣空氣間隙（GB 1094.3-2003）[S].北京：中國標準出版社，2003.

[5] 中華人民共和國發展和改革委員會.現場絕緣試驗實施導則（DL/T 474.1～474.5-2006）[S].北京：中國電力出版社，2006.

作者簡介：束秋節（1982-），男，華潤電力控股有限公司新能源事業部高級技師，工程師，研究方向：高壓電氣試驗技術。

（責任編輯：陳 潔）