換流變壓器負(fù)載試驗(yàn)方法與影響因素分析

侯鳳琛 洪葉 鄒海濤

摘要：當(dāng)前，隨著我國(guó)電力能源區(qū)域互聯(lián)與協(xié)調(diào)的需求增加，遠(yuǎn)距離輸電成為能源優(yōu)化配置的重要實(shí)現(xiàn)途徑。在電能遠(yuǎn)距離輸送過程中，為了降低線路功率損耗，在高壓直流輸電系統(tǒng)中，將交流電能變換為直流電能進(jìn)行輸送，此時(shí)，換流變壓器成為電能交直流變換過程中重要的電力設(shè)備。其參數(shù)和性能直接影響電力系統(tǒng)建模、控制及運(yùn)行過程。為此，換流變壓器的參數(shù)測(cè)定方法及影響因素尤為重要。

關(guān)鍵詞：換流變壓器;負(fù)載試驗(yàn);方法;影響因素

針對(duì)常規(guī)電力變壓器的參數(shù)測(cè)定，一般通過短路試驗(yàn)和開路試驗(yàn)，分別設(shè)定不同的運(yùn)行工況測(cè)定出電力變壓器的電阻、電抗、電導(dǎo)、電納等參數(shù)。由于電力變壓器初級(jí)和次級(jí)所連電力網(wǎng)絡(luò)均是50Hz標(biāo)準(zhǔn)交流電，在短路試驗(yàn)和開路試驗(yàn)過程相對(duì)簡(jiǎn)單。而換流變壓器的運(yùn)行工況與常規(guī)電力變壓器運(yùn)行工況區(qū)別較大，換流變壓器運(yùn)行時(shí)工作電流中高頻諧波含量較大，會(huì)對(duì)換流變壓器的功率損耗和溫升產(chǎn)生明顯的影響。因此，應(yīng)針對(duì)換流變壓器自身工作環(huán)境特點(diǎn)分析換流變壓器參數(shù)測(cè)定方法過程中的不同，同時(shí)，分析影響參數(shù)測(cè)定的因素。

1變壓器負(fù)載試驗(yàn)的內(nèi)涵和意義

變壓器的短路試驗(yàn)是將變壓器線圈短路，在額定頻率為交流電壓的另一個(gè)線圈中，使變壓器線圈額定電流，測(cè)量的損耗為短路損耗，加上電壓短路電路電壓和短路電壓表示為施加電壓線圈額定電壓的百分比：

此時(shí)獲得的阻抗是短路阻抗，也表示為百分比的加壓線圈額定阻抗：

變壓器短路電壓百分比和短路阻抗百分比相等，其有功和無功分量也相同，負(fù)載測(cè)試的目的是：計(jì)算并確定變壓器是否與其它變壓器并聯(lián)運(yùn)行;計(jì)算和測(cè)試變壓器短路的熱穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性;計(jì)算效率的變壓器;由于負(fù)載變化的變化，計(jì)算出變壓器的次級(jí)電壓側(cè)。

負(fù)載試驗(yàn)的目的是測(cè)量負(fù)載損耗和阻抗電壓。負(fù)載損耗由幾部分組成：首先是直流電阻損耗繞組中的直流電阻損耗I2R，這是負(fù)載損耗中的主要部分。其次是附加損耗，因繞組電流產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)引起的損耗，其中包括：

1.導(dǎo)線內(nèi)的渦流損耗。

2.并聯(lián)導(dǎo)線內(nèi)的不平衡電流損耗。

3.鐵心內(nèi)引起的渦流損耗及漏磁場(chǎng)使鐵心內(nèi)磁通分布不均而增加的損耗。

4.漏磁場(chǎng)在油箱、油箱屏蔽板內(nèi)引起的損耗。

5.漏磁場(chǎng)在夾件、拉板等結(jié)構(gòu)件內(nèi)的損耗。

負(fù)載試驗(yàn)接線試驗(yàn)從電源和測(cè)量線路來看，和變壓器空載試驗(yàn)一樣，不同的僅是非電源側(cè)的繞組人為短接，從電源側(cè)繞組在額定分接下供給額定頻率的領(lǐng)定電流，為了安全和方便，空載試驗(yàn)一般從低壓側(cè)供電，而負(fù)載試驗(yàn)一般從高壓側(cè)供電。若電源是正弦波形，變壓器短路狀態(tài)下的電壓和電流都是正弦波形的。因此，可以不必考慮波形畸變對(duì)測(cè)量的影響。對(duì)于制造廠，每臺(tái)都需做負(fù)級(jí)試驗(yàn)，但對(duì)供電部門的修試車間，小于3150kVA的變壓器一般可不做負(fù)載試驗(yàn)。

2變壓器負(fù)載試驗(yàn)方法

2.1普通電力變壓器的負(fù)載試驗(yàn)方法

普通電力變壓器在進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過將被測(cè)變壓器副邊輸出端子短接，此時(shí)調(diào)整變壓器原邊電流，使該電流與額定電流相同。其中，RT、XT、GT、BT分別表示變壓器的等值電阻、電抗、電導(dǎo)、電納參數(shù)。由于副邊處于短接狀態(tài)，此時(shí)變壓器的原邊電壓低，額定電流IN主要流經(jīng)RT、XT上。在此過程中，可以測(cè)得負(fù)載試驗(yàn)狀態(tài)下功率損耗和阻抗電壓百分值，從而計(jì)算出RT、XT參數(shù)。

圖中，K表示開關(guān)柜;VF表示變頻器，輸出頻率、電壓可調(diào)的交變電壓;TA表示電流互感器，根據(jù)所連接線路的電壓等級(jí)不同選擇合適的電流互感器;TV表示電壓互感器;A表示電流表;V表示電壓表;W表示功率表;Ts為中間變壓器;T為被測(cè)變壓器。在試驗(yàn)過程中，被測(cè)變壓器的高壓側(cè)應(yīng)并聯(lián)合適容量的電容器。

根據(jù)電力變壓器負(fù)載試驗(yàn)所測(cè)參數(shù)，可根據(jù)公式（1）、（2）對(duì)變壓器等值參數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

式中，?PS為負(fù)載試驗(yàn)所測(cè)變壓器損耗，k W;UN，為變壓器額定電壓，k V;SN為變壓器額定容量，k VA;U?S%為短路狀態(tài)下短路電壓百分值。

2.2換流變壓器的負(fù)載試驗(yàn)方法

由于換流變壓器實(shí)際運(yùn)行過程中諧波電流含量較大，在運(yùn)行過程中諧波電流也會(huì)帶來一定的功率損耗。為準(zhǔn)確評(píng)估換流變壓器的損耗，在其負(fù)載試驗(yàn)過程中，不僅要針對(duì)其額定工頻運(yùn)行工況下的短路損耗進(jìn)行測(cè)量，還應(yīng)再選取一個(gè)頻率狀態(tài)（不低于150Hz）下進(jìn)行短路損耗的測(cè)量，以對(duì)實(shí)際運(yùn)行過程中換流變壓器的功率損耗進(jìn)行有效評(píng)估。

換流變壓器的負(fù)載試驗(yàn)接線方法與電力變壓器一致。在進(jìn)行工頻fN情況下?lián)Q流變壓器負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，與電力變壓器相同，將副邊短接的換流變壓器繞組電流調(diào)節(jié)至額定電流IN，在此情況下測(cè)試換流變壓器的負(fù)載損耗和負(fù)載電壓百分值。在進(jìn)行另一個(gè)頻率狀態(tài)（不低于150Hz）的換流變壓器負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，可以將試驗(yàn)電流設(shè)置為額定電流的20%，或者10%IN～50%IN范圍內(nèi)的值。

在頻率1f運(yùn)行工況下測(cè)得功率損耗1P，在頻率fx運(yùn)行工況下測(cè)得功率損耗xP，可根據(jù)公式（3）、（4）對(duì)附加損耗進(jìn)行估算：

在實(shí)際計(jì)算時(shí)，需要依據(jù)給定的諧波頻譜，對(duì)運(yùn)行過程中的負(fù)載損耗進(jìn)行計(jì)算，如公式（5）所示：

3換流變壓器負(fù)載試驗(yàn)影響因素分析

在實(shí)際系統(tǒng)安裝測(cè)試時(shí)，由于換流變壓器運(yùn)輸成本限制，一般采用現(xiàn)場(chǎng)組裝測(cè)試的方式，但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中，周邊環(huán)境及電網(wǎng)諧波等均會(huì)對(duì)換流變壓器的負(fù)載損耗產(chǎn)生一定的影響。本節(jié)對(duì)換流變壓器負(fù)載試驗(yàn)的影響因素進(jìn)行分析。

對(duì)換流變壓器負(fù)載試驗(yàn)過程中損耗測(cè)試的影響因素較多，包括試驗(yàn)環(huán)境溫度、系統(tǒng)諧波情況、大氣條件等。

換流變壓器所處溫度對(duì)換流器負(fù)載試驗(yàn)過程中參數(shù)測(cè)定會(huì)產(chǎn)生一定影響。負(fù)載損耗測(cè)試過程中，電阻損耗與溫度成正比，其它部分的損耗與溫度成反比。各實(shí)際溫度下的損耗應(yīng)該按照公式（6）將其校正到參考溫度下：

其中，kP表示折算到參考溫度下的損耗;Pkt表示現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)溫度下的損耗;Kt表示折算過程中的換算系數(shù);∑Ir2?R表示該溫度下一對(duì)繞組的電阻損耗。

系統(tǒng)諧波情況對(duì)換流變壓器的負(fù)載試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定影響較大。根據(jù)相關(guān)仿真及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況，在換流變壓器所在系統(tǒng)諧波畸變率不變的情況下，當(dāng)系統(tǒng)中的諧波次數(shù)增大時(shí)，換流變壓器的負(fù)載損耗也會(huì)隨之上升。在較高的諧波畸變率情況下，諧波次數(shù)的影響會(huì)更大。換流變壓器所在系統(tǒng)諧波次數(shù)不變的情況下，諧波電流畸變率越高，換流變壓器的負(fù)載損耗也會(huì)隨之增大。當(dāng)系統(tǒng)的諧波頻率越高時(shí)，系統(tǒng)的諧波電流畸變率對(duì)測(cè)試結(jié)果影響越明顯。

結(jié)論

總之，變壓器負(fù)載試驗(yàn)往往要依托于試驗(yàn)電源的容量大小、體積大小等的限制，因而在今天必須對(duì)變壓器負(fù)載試驗(yàn)提出改進(jìn)和更新。從多個(gè)角度闡述了變壓器負(fù)載試驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，希望可以為相關(guān)從業(yè)人員提供幫助。

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