淺析靜態頻率逆變器在配電變壓器測試中的應用

丁含豐

上海豐懋電力工程有限公司 上海 200000

引言

變壓器必須在不同的電壓、電流、負載條件下，尤其是在不同的頻率下進行測試。為了產生用于不同介電測試的100-200Hz的頻率，在常規測試方法中，使用了電動發電機組。考慮到配電變壓器的常規測試或電力變壓器的現場測試的需要，電動發電機套很貴。除了此類系統的高昂初始成本外，高維護成本和有限的輸出頻率范圍使得這些系統不適合需要廣泛而連續的頻率范圍的研究。

在高壓實驗諧振系統上使用現代電子變頻器已有十多年的經驗導致了這樣的想法，即可以用靜態變頻器測試電力變壓器。

如今，靜態變頻器幾乎適用于所有驅動器應用。高動態逆變器在中功率和高功率區域中前進。它們幾乎免維護，并且具有良好的可用性，請注意，旋轉變頻器需要輔助設備，例如冷卻和勵磁。另外，隨著輸出功率需求的增加，重量和空間也增加了。

試圖更換旋轉變頻器會出現兩個主要問題：輸出電壓的質量和PD噪聲水平。國際標準IEC60060中指出了強制性要求。總諧波失真（THD）是電壓的最重要規格之一。

1 要求和方法

標準中定義的要求以及操作經驗都集中在完整的測試電路（包括測試對象）上。在下文中將針對靜態逆變器討論這些要求。

測試對象的功率需求是一個參數，取決于要測試的變壓器的參數，并且覆蓋了廣泛的有功和無功功率，因此需要以小步長補償損耗。針對IMVA變壓器的，取決于測試頻率的測試功率。

測試頻率應選擇到自補償點（即120～140Hz），以最小化饋電功率。此外，根據IEC60076-3，測試頻率必須最后設置為100Hz，以使變壓器不會因為電壓幅度翻倍而進入飽和區域，因此磁通量對電壓和頻率的依賴關系如下：

在這種情況下，選擇150Hz作為測試頻率。但是消除電壓的高頻項并改善THD更為重要，因為在配電變壓器中，測試對象的總功率需求較低，并且該功率范圍很容易在實驗室中產生，因此該因素并不關鍵，但THD的THD并不重要。逆變器的輸出具有許多高頻波項，最高可達數十kHz，因此，THD超過10%。這是不容忽視的。因此，必須使用低通濾波器來降低THD。靜態變頻器將測試系統的輸入轉換為0到200Hz之間的自由可調頻率之一。在靜態變頻器的輸出上，自耦變壓器會起到補償作用。

該自動變壓器是測試電路的饋線，可提供可變的三相電壓，相間電壓最高可達400V。

自耦變壓器的輸出連接到三相升壓變壓器，該變壓器使三相電壓均勻。該變壓器的原邊三相輸入電壓為400V，其輸出在變壓器副邊串聯的相似電壓相位中變化0～10V。在升壓變壓器之后，放置了三個電容器和大電流干式變壓器。高電流互感器有6個輸入（兩個三相）和可調輸出，可以通過多種方式連接，以確定高電流互感器的比率。

該升壓變壓器用于平衡自動變壓器的輸出電壓。它串聯注入三相電壓，并通過三個單相自動變壓器對其進行控制，其輸入為相中性電壓，等于230V。升壓變壓器的輸出可在0～10V之間變化。

自動變壓器的全電壓使用是不希望的，因此使用干式變壓器來放大自動變壓器的輸出電壓。該變壓器的功能是其靈活的輸出連接。它的次級繞組連接可以通過銅排來改變，因此我們具有各種電壓比水平[1]。

該自動變壓器的輸入電壓為相電壓400V，其輸出在相電壓0～400V之間變化。要將其用作電抗器，其連接已從正常操作更改為輸出已短路，并且輸入端子為與測試電路串聯放置。實際上，它已被用作電抗器。該電抗器是用作濾波器一部分的電感之一。其他電感是主自動變壓器和干式變壓器的漏感。

每個功率因數校正電容器和高頻電容器的值分別為100uF和4nF。這些以前討論過的具有電感的電容器用于LP濾波器，但是這些電容器的重要一點是它們的頻率特性。功率因數校正電容器的截止頻率約為30KHz，高頻電容器的截止頻率約為1MHz。這意味著高頻電容器更適合于濾除轉換器輸出電壓中存在的高頻轉換器噪聲。功率因數校正電容器用于過濾低頻噪聲（如果存在）。

2 測試結果

下圖顯示了不同情況下的轉換器輸出電壓。首先討論了無濾波器狀態。圖1顯示了相電壓，圖2顯示了頻譜項的百分比，以基本頻率序列（150Hz）表示，在此頻譜中未顯示150Hz序列。在此頻譜中，基本電壓是基頻的峰值，頻率項的值以百分比表示。可以看出，不良頻率的最大幅度約為9%，與750Hz諧波有關。其他諧波幅度小于2%。在這種情況下，總諧波失真（THD）為9.4582%

圖1 未濾波的輸出相電壓

圖2 除基本頻率外未經濾波的相電壓頻譜

與相電壓類似，不良頻率的最大幅度與750Hz諧波有關，其值約為基準百分數的9.9%。線路電壓的THD為10.0882%，這是IEC標準中用于雙頻測試的有效范圍。 圖1、圖2中的基數是線電壓基頻的峰值，其他術語以百分比表示。 從圖中可以明顯看出，由于線電壓中的這些電壓諧波相互抵消，但是它們以相電壓波形存在。因此，線電壓中的轉換器開關操作所產生的高頻噪聲小于相電壓。

3 經濟優勢

本文的測試裝置的總成本為24000元，其中包括逆變器和濾波組件的價格。逆變器的規格為：輸出頻率：高達400Hz；標稱功率：40kVA；標稱輸出電壓：380V（ph-ph）。

可用于額定功率高達2MVA的變壓器的感應電壓測試（此測試中的變壓器沒有負載）。

該逆變器的價格約為18000元。在此測試中，實驗室中的現有組件已用于濾波電路。準備這些組件的所需成本低于6000元。

4 結束語

與電力變壓器相比，配電變壓器要便宜得多，因此使用旋轉變頻器對這些類型的變壓器進行類型測試并不經濟。配電變壓器在電力輸送中起著重要作用。因此，除了制造商已經進行的測試之外，這些類型的變壓器還必須進行實驗測試。以這種方式并考慮到目前幾乎所有驅動器應用都使用靜態變頻器這一事實，本文將一種不昂貴的方法用于配電變壓器的類型測試之一。沒有設計或購買用于過濾諧波的特定設備，而是使用普通的實驗設備和測試對象來執行適當的過濾。作為未來的趨勢，由于重量輕，尺寸小，便于運輸測試設置系統，因此該方法可以開發用于現場電力變壓器測試移動設置。