±800 kV特高壓換流變壓器現(xiàn)場局放試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

蔚　超，陸云才，高曉軍，姚廷利

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.國網(wǎng)江蘇省送變電公司，江蘇南京 210028）

±800 kV特高壓換流變壓器現(xiàn)場局放試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

蔚超1，陸云才1，高曉軍2，姚廷利1

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.國網(wǎng)江蘇省送變電公司，江蘇南京 210028）

局放試驗(yàn)作為變壓器現(xiàn)場交接試驗(yàn)的一種，是考核變壓器最嚴(yán)厲的方法之一，可以有效檢測其內(nèi)部是否存在缺陷故障。在±800 kV錦蘇特高壓直流輸電工程中進(jìn)行800 kV特高壓換流變壓器的現(xiàn)場局放交接試驗(yàn)中，在計(jì)算分析被試變壓器的容性無功及感性補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，首次提出了可調(diào)電抗器技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場局放試驗(yàn)，可調(diào)電抗器可以平滑地調(diào)節(jié)電抗值從而實(shí)時(shí)地改變感性補(bǔ)償，解決了固定電抗器欠補(bǔ)或過補(bǔ)的狀態(tài)，使試驗(yàn)穩(wěn)定在最佳水平，并在試驗(yàn)過程中予以了驗(yàn)證。

特高壓變壓器；局放試驗(yàn)；可調(diào)電抗器

±800 kV錦蘇特高壓是目前世界上輸送容量最大、送電距離最遠(yuǎn)、電壓等級最高的直流輸電工程，代表了當(dāng)今世界直流輸電技術(shù)的最高水平。根據(jù)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《±800 kV直流系統(tǒng)電氣設(shè)備交接驗(yàn)收試驗(yàn)》等技術(shù)規(guī)范的要求，換流變壓器在現(xiàn)場安裝完成后必須進(jìn)行繞組連同套管的感應(yīng)電壓試驗(yàn)帶局部放電試驗(yàn)。

1　換流變壓器現(xiàn)場局放試驗(yàn)方法簡述

目前，我國變壓器現(xiàn)場局部放電試驗(yàn)裝置主要有中頻發(fā)電機(jī)組和變頻諧振裝置2種［1，2］。

（1）中頻發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)裝置，即用大功率電動機(jī)拖動一臺中頻發(fā)電機(jī)來獲得中頻交流電源 （頻率為125 Hz，200 Hz或250 Hz等）。采用中頻電源對高壓大容量變壓器進(jìn)行局放試驗(yàn)時(shí)，均需用電抗器來補(bǔ)償被試變壓器的容性無功功率，以避免發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)自勵磁。

而特高壓、超大容量變壓器局放試驗(yàn)需要的發(fā)電機(jī)組輸出容量、電抗器補(bǔ)償更大。中頻發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)主要在可通過改變發(fā)電機(jī)組勵磁回路勵磁變阻器的阻值，使發(fā)電機(jī)輸出平滑可調(diào)的電壓，使用可靠性較高。同時(shí)存在的缺點(diǎn)是頻率固定，需要依靠外配調(diào)節(jié)電抗器的方式進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）高壓大功率變頻諧振裝置。用串聯(lián)諧振變頻裝置進(jìn)行局放試驗(yàn)時(shí)，在諧振條件下電源供給串聯(lián)諧振回路有功損耗，故電源輸入容量很小，只需被試試品電容容量的1/Q。與電動發(fā)電機(jī)組中頻電源裝置相比，變頻感應(yīng)試驗(yàn)成套設(shè)備具有容量大、干擾水平低、體積小、質(zhì)量輕、沒有旋轉(zhuǎn)機(jī)組、運(yùn)行維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)，目前在500 kV及以下交流變壓器現(xiàn)場局放試驗(yàn)中應(yīng)用較多。缺點(diǎn)是電子元器件較多，制造工藝等存在隱患，可靠性還有待提高。

2　參數(shù)及補(bǔ)充容量計(jì)算

2.1±800 kV特高壓換流變壓器參數(shù)

±800 kV蘇州換流站換流變壓器根據(jù)閥側(cè)的聯(lián)結(jié)方式不同，可分別為角型（Y-△型）和星型（Y-Y型）換流變壓器，具體參數(shù)如表1所示。對于2種聯(lián)結(jié)方式的換流變壓器，雖然額定容量相同，但由于閥側(cè)電壓不同，造成內(nèi)部繞組電容、電場分布均差異較大，因此現(xiàn)場局放的試驗(yàn)接線、補(bǔ)償方式均有不同。

表1　換流變壓器基礎(chǔ)參數(shù)

2.2±800 kV特高壓換流變壓器補(bǔ)償容量計(jì)算。

2.2.1有功功率計(jì)算

有功損耗計(jì)算以被試變壓器的空載損耗為依據(jù)，并按各鐵心段分別計(jì)算，將空載損耗按鐵心段數(shù)平均，三柱式鐵心共分7段（3柱和4段鐵軛），每段損耗為總損耗的1/7。試驗(yàn)時(shí)各段鐵心損耗，取決于磁通密度和頻率，即：

式（1）中：f1，fn分別為基頻和倍頻電壓頻率；B1，Bn分別為與額定電壓和倍頻對應(yīng)的磁通密度；Pq，P0分別為每段鐵心的試驗(yàn)損耗和空載損耗。m，n分別為與硅鋼片性能有關(guān)的系數(shù)，冷軋鋼取 m＝1.6，n＝1.9，熱軋鋼取m＝l.3，n＝1.8。

由于：

得全磁通時(shí)各段鐵心損耗為：

在電源頻率f=200 Hz，K=1.5×1100/1050=1.57情況下，有功損耗為：

由式（4）計(jì)算 P=（1.57×50/200）1.9×（200/50）1.6× 180≈280 kW。

該變壓器在電壓時(shí)的有功損耗約為280 kW，加上中間變和補(bǔ)償電抗器的有功損耗 （50 kW左右），再考慮10%的裕度，則發(fā)電機(jī)組的有功輸出不應(yīng)小于360 kW，本次試驗(yàn)使用500 kW/1000 kV·A的中頻發(fā)電機(jī)組，能夠滿足試驗(yàn)要求。

2.2.2容性無功計(jì)算

試驗(yàn)電壓沿變壓器繞組軸向高度成線性關(guān)系。假定高、低壓繞組之間和繞組對地的電容沿繞組高度均勻分布，變壓器繞組對地電容效應(yīng)可由繞組兩端的集中電容所等值，繞組容性功率為：

式（5）中：ω為試驗(yàn)電壓角頻率等于2πf；CLine_E為網(wǎng)側(cè)繞組對地電容，pF；CLine_valve為網(wǎng)側(cè)閥側(cè)繞組間電容，pF；Cvalve_E為閥側(cè)繞組對地電容，pF；ULinem為繞組網(wǎng)側(cè)電壓，kV；UValvem為繞組閥側(cè)電壓，kV。

對于Y型換流變非對稱加壓，由式（5）計(jì)算Q= 400×3.14×4100×4762×10-9/2+400×3.14×3700×151.52× 10-9/2+400×3.14×6700×（476-151.5）2×10-9/2=583.4+ 46.1+443=1 072.5 kV·A

對△型換流變采用對稱加壓，則：

由式 （6）計(jì)算Q=400×3.14×4100×4762×10-9/2+400× 3.14×3700×262.42×10-9/8+400×3.14×6700×（476-262.4）2×10-9/2=583.4+36.8+953.4=1574 kV·A。

3　采用可調(diào)電抗器方式的感性補(bǔ)償方法

3.1可調(diào)電抗器的主要原理

當(dāng)鐵心電抗器的線圈中通過以交流電流時(shí)，它就產(chǎn)生兩部分磁通，如圖1所示。一部分是主磁通Φm，它沿鐵心磁路（鐵心餅、餅間氣隙、鐵軛）閉合，與全部線匝相交鏈；另一部分是漏磁通Φσ，它主要沿空氣（或油）閉合。這種電抗器的等效電路如圖2所示。在等效電路中，主磁通所對應(yīng)的電抗稱為主電抗，而漏磁通所對應(yīng)的電抗稱為漏電抗，鐵心電抗器的電抗為主電抗于漏電抗之和。

圖1　鐵心電抗器的磁通及磁勢

圖2　鐵心電抗器的等效回路

鐵心電抗器的主電抗：

式（7）中：Lm為主磁路對應(yīng)的電感，即主電感，H。

式（8）中：W為電抗器的總匝數(shù)；Am為主磁路的磁導(dǎo)。

為了較準(zhǔn)確地計(jì)算主磁導(dǎo)Am，首先研究一下主磁道磁力線的分布。如圖3所示。

圖3　氣隙處磁力線分布圖

主磁通的磁力線可分為2個(gè)部分，第一部分是穿過鐵心餅下氣隙面積的磁力線，假定它們都是垂直射入（或射出）鐵心餅截面，分布是均勻的，這一部分磁路對應(yīng)的磁導(dǎo)記為Am1；第二部分是除了第一部分之外的主磁通的磁力線，它們是由邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的，其路徑近似為半圓，這一部分磁路對應(yīng)的磁導(dǎo)為Am2，則：

鐵心餅下空氣氣隙對應(yīng)的磁導(dǎo)：

式（10）中：δ為鐵心餅間氣隙長度，m；μr為相對磁導(dǎo)率；μ0為磁常數(shù)；Aδ為鐵心餅截面的截面積，m2。

式（11）中：Ai為鐵心柱的凈截面積，m2；Kdp為鐵心碟片系數(shù)。

假定對應(yīng)邊緣效應(yīng)的那一部分磁通從一個(gè)鐵心餅沿半圓路徑到達(dá)另一個(gè)鐵心餅，那么該路徑長度為πx。對于鐵心橫截面圓周上單位長度，邊緣效應(yīng)磁通所穿過的面積可表示為l·dx，則該磁路的磁導(dǎo)可表示為：

設(shè)由于邊緣效應(yīng)，鐵心柱向外擴(kuò)大的等效寬度為ε，則A'm2還可以表示為：

式（12）與（13）相等，于是得到：

在式（14）中，ε的單位為m。如圖3所示，對于平行疊片鐵心，邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的氣隙向外擴(kuò)大的等效面積為：

式（15）中：bm為鐵心柱最大片寬，m；Δm為鐵心柱最大厚度，m。

由式（10）、式（11）、式（16）得到：

其中，等效導(dǎo)磁面積：

當(dāng)鐵心電抗器有N個(gè)氣隙時(shí)，其主電感：

其主電抗：

考慮到μ0=4π×10-7H/m，則：

由此可見，通過改變鐵心餅間氣隙長度可以有效地改變電抗器的電抗值Xm，從而改變感性補(bǔ)償容量。

3.2可調(diào)電抗器參數(shù)選擇

根據(jù)容性無功計(jì)算結(jié)果，單臺容量需大于1200 kV·A，同時(shí)考慮過補(bǔ)償度在10%至30%，容量范圍應(yīng)在1300～2000 kV·A。在局放試驗(yàn)時(shí)，1.5倍預(yù)加電壓時(shí)，閥側(cè)電壓為151.5 kV，同時(shí)為兼顧±500 kV換流變及特高壓現(xiàn)場應(yīng)用，選擇額定電壓為200 kV。具體參數(shù)如表2所示。

表2　可調(diào)電抗器參數(shù)設(shè)置

4　現(xiàn)場局放試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1被試變壓器參數(shù)（Y型為例）

被試變壓器參數(shù)（Y型為例）如表3所示。

表3　變壓器參數(shù)

4.2試驗(yàn)接線

試驗(yàn)采用200 Hz倍頻電源加壓，閥側(cè)繞組單端加壓勵磁，網(wǎng)側(cè)繞組中性點(diǎn)接地的標(biāo)準(zhǔn)接線方式，分相進(jìn)行。試驗(yàn)接線如圖4所示。

圖4　加壓接線方式

圖5　加壓方式示意圖

4.3試驗(yàn)過程

調(diào)整可調(diào)電抗器，使氣隙到最大，從而感性補(bǔ)償容量最大，保證感性電流要大于容性電流。為使得倍頻電源發(fā)電機(jī)的電流最小化，不斷的調(diào)整氣隙，調(diào)節(jié)感性補(bǔ)償容量，使感性容量過補(bǔ)償10%左右，因?yàn)榭烧{(diào)電抗器在勵磁變出口電壓與被試變壓器的電壓相同，因此僅需監(jiān)測電流，即可計(jì)算出補(bǔ)償情況。電抗器調(diào)節(jié)過程中電壓電流如表4所示。

表4　電抗器調(diào)電流值

從表4可以看出，不斷地調(diào)整氣隙可以平滑地改變電抗器的電抗值，從而改變感性補(bǔ)償容量，調(diào)整感性過補(bǔ)償?shù)某潭龋瑥亩拱l(fā)電機(jī)工作在最佳狀態(tài)。最終調(diào)整到電抗值為13.6 H。施加電壓及局放量如表5所示。

表5　試驗(yàn)過程中各側(cè)電壓電流值

5　結(jié)束語

對于大容量、高電壓可調(diào)電抗器在特高壓換流變局放試驗(yàn)中的首次應(yīng)用，現(xiàn)場接線簡單、無需串并聯(lián)組裝、試驗(yàn)準(zhǔn)備工作量小、節(jié)省人力物力、背景局放量小、試驗(yàn)安全、方便快捷等特點(diǎn)，高效優(yōu)質(zhì)地完成換流變特殊性試驗(yàn)，既驗(yàn)證了特高壓換流變的優(yōu)良性能，又驗(yàn)證了新試驗(yàn)方法的可行性。同時(shí)縮短了換流變安裝試驗(yàn)周期，加快了特高壓直流輸電技術(shù)推廣應(yīng)用的步伐，也為特高壓直流電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供了安全保障。

［1］董寶華，何 平.油浸式電力變壓器的局部放電測量試驗(yàn)［J］.變壓器，2008，45（8）：33-37.

［2］吳 鵬，田 猛，陸云才，等.錦—蘇特高壓直流對江蘇電網(wǎng)變壓器直流偏磁的影響［J］.江蘇電機(jī)工程，2014，33（1）：5-8.

［3］謝毓城.電力變壓器手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：892-904.

［4］陳喬夫，李湘生.互感器電抗器的理論與計(jì)算［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1992：195-224.

蔚超（1984），男，山東萊蕪人，工程師，從事變壓器狀態(tài)評價(jià)及診斷技術(shù)研究工作；

陸云才（1982），男，南通如皋人，工程師，從事變壓器故障診斷技術(shù)研究工作；

高曉軍（1979），男，江蘇如東人，工程師，從事電力系統(tǒng)工程試驗(yàn)技術(shù)研究工作；

姚廷利（1965），男，江蘇南京人，工程師，從事電力一次設(shè)備特殊性試驗(yàn)研究工作。

Research on Key Technology of Partial Discharge Testing for±800 kV UHVDC Converter Transformer

WEI Chao1，LU Yuncai1，GAO Xiaojun2，YAO Tingli1
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China；2.State Grid Jiangsu Electric Power Transmission and Transformation Corporation，Nanjing 210028，China）

As the most severe assessment method in transformer commissioning testing，partial discharge testing can effectively detect insulation faults inside transformer.In this paper，the adjustable reactor has been firstly proposed and used in the partial discharge commissioning testing of the converter transformers in Jinping-Sunan±800 kV DC transmission project. The capacitive reactive power of the converter transformer under testing has been analyzed and the inductive compensation has been calculated.The reluctance of the adjustable reactor can be adjusted smoothly，therefore the inductive compensation can be changed continuously in real time and the under-compensation or over-compensation problems of fixed reactor can be avoided.The testing method is validated in the field commissioning testing in Jin-Su UHVDC project and the filed partial discharge testing is completely successful.

converter transformer；partial discharge testing；adjustable reactor

TM72

A

1009-0665（2016）04-0028-04

2016-04-30；修回日期：2016-06-11