變壓器空載電流非線(xiàn)性變化原因研究

羅明才,馬 進(jìn) ,劉 磊,徐會(huì)凱

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司自貢供電公司,四川 自貢 643000; 2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司廣元供電公司,四川 廣元 628000;3.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院,四川 成都 610059)

0 引 言

變壓器空載試驗(yàn)是判斷變壓器鐵芯有無(wú)故障的重要試驗(yàn)。空載試驗(yàn)時(shí)一般采用低壓側(cè)加壓,試驗(yàn)電壓通過(guò)調(diào)壓器從0均勻升高至規(guī)定試驗(yàn)電壓[1-3]。在此過(guò)程中,部分變壓器空載電流呈現(xiàn)先升后降再升,并在試驗(yàn)電壓接近規(guī)定試驗(yàn)電壓時(shí)出現(xiàn)陡增的現(xiàn)象。許多文獻(xiàn)認(rèn)為空載電流隨試驗(yàn)電壓升高而下降現(xiàn)象是變壓器電容電流造成的[4-5]。但在低容量高電壓變壓器空載試驗(yàn)中,變壓器內(nèi)部電容電流很小,不足以使空載電流產(chǎn)生明顯變化,因此需對(duì)低容量高電壓變壓器空載電流非線(xiàn)性變化的原因具體分析。

針對(duì)上述問(wèn)題,下面以一臺(tái)35 kV三相雙繞組變壓器為試驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)改變調(diào)壓器接線(xiàn)方式改變輸入電壓不平衡度進(jìn)行空載試驗(yàn),分析論證所提低容量高電壓變壓器在試驗(yàn)電壓升壓過(guò)程中變壓器空載電流非線(xiàn)性變化的原因,并提出空載試驗(yàn)的改進(jìn)措施。

1 問(wèn)題分析

以一臺(tái)1990年1月出廠(chǎng)的型號(hào)為S7-50/35/0.4的電力變壓器為試驗(yàn)對(duì)象,研究變壓器空載電流非線(xiàn)性變化的原因。變壓器聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)為Yyn0,額定空載損耗為270 W,額定負(fù)載損耗為1060 W,阻抗電壓為6.21%,額定電流為0.824 A/72.1 A。

空載試驗(yàn)時(shí)采用低壓側(cè)加壓,通過(guò)三相調(diào)壓器從0加壓至400 V額定電壓,試驗(yàn)接線(xiàn)如圖1所示,調(diào)壓器中性點(diǎn)與電源側(cè)和變壓器側(cè)中性點(diǎn)均相接。

圖1 空載試驗(yàn)接線(xiàn)

由于試驗(yàn)方法為三相空載試驗(yàn),試驗(yàn)電壓值以三相線(xiàn)電壓平均值為準(zhǔn),測(cè)得空載電流和各相電流曲線(xiàn)如圖2所示。由圖2曲線(xiàn)可知在試驗(yàn)電壓為20 V到260 V的區(qū)間里,隨著試驗(yàn)電壓升高空載電流出現(xiàn)了明顯的先降后升的非線(xiàn)性變化現(xiàn)象,與理論值有明顯偏差[1]。目前絕大多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為這是電容電流的平衡作用使得空載電流出現(xiàn)了上述現(xiàn)象[4-6],但仍需對(duì)變壓器空載試驗(yàn)電流成分進(jìn)行具體分析。

圖2 初次試驗(yàn)空載電流變化曲線(xiàn)

在空載試驗(yàn)時(shí),由于變壓器工作在低功率因數(shù)狀態(tài),空載電流以滯后于施加電壓近90°的感性電流為主。采用功率分析儀測(cè)得空載試驗(yàn)電流成分如圖3所示。電感電流IL會(huì)隨著試驗(yàn)電壓的升高而升高,當(dāng)接近額定電壓UN時(shí),IL會(huì)出現(xiàn)非線(xiàn)性的陡增現(xiàn)象;而電容電流IC與試驗(yàn)電壓為線(xiàn)性關(guān)系。變壓器空載功率因數(shù)很低,電流有功分量較小,無(wú)功分量較大。因此忽略電阻電流影響,空載電流近似為電感電流與電容電流的矢量和,二者相位相差180°。空載試驗(yàn)過(guò)程中電流是呈現(xiàn)感性的[7-8],所以有I空載≈IL-IC。當(dāng)設(shè)備電容值偏大時(shí),在升壓過(guò)程中會(huì)由于IC平衡IL的作用[9],出現(xiàn)隨著試驗(yàn)電壓升高空載電流不增反降的現(xiàn)象,如圖3中藍(lán)色曲線(xiàn)所呈現(xiàn)。

圖3 空載試驗(yàn)電流成分

為了驗(yàn)證上述解釋,使用KD6800自動(dòng)抗干擾精密介損測(cè)量?jī)x分別對(duì)變壓器的繞組間電容及介質(zhì)損失角正切值進(jìn)行了測(cè)量,數(shù)值如表1所示。

表1 變壓器繞組間電容量數(shù)據(jù)

通過(guò)表1的數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)電壓為100 V(即低壓繞組對(duì)地電壓UL-g為100 V)時(shí)變壓器空載狀態(tài)下內(nèi)部電容電流進(jìn)行粗略估算[10]。

1) 根據(jù)變壓器變比可求得高低壓繞組間電位差UL-H

式中:UHN為高壓繞組額定電壓,35 kV;ULN為低壓繞組額定電壓,400 V。求得UL-H為8.650 kV。

2)低壓繞組對(duì)地電容值CL-g

CL-g=CL-Hg-CH-L=1862 pF

3)流過(guò)低壓繞組的電容電流IL-Hg

IL-Hg-UL-gωCL-g+UL-HωCH-L=0.001 A

對(duì)變壓器的繞組間電容值進(jìn)行測(cè)量,采用低壓側(cè)短接加壓、高壓側(cè)短接接地的方式。相當(dāng)于低壓側(cè)整個(gè)繞組處在同一高電位,高壓繞組電位為0。但空載試驗(yàn)時(shí),低壓側(cè)繞組與高壓繞組上的電位分布均自上而下降低,電位在中性點(diǎn)處近似為0,因此繞組間電容電流大小也應(yīng)小于此計(jì)算值,且此測(cè)量法測(cè)量的電容值為三相總電容值,單相電容電流應(yīng)小于估算值的三分之一,即小于0.3 mA。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,100 V時(shí)空載電流最低為0.168 A,0.3 mA的電容電流應(yīng)不足以使空載電流產(chǎn)生如圖2所示的明顯的下降。由此確定,電容電流并非是空載電流下降的最主要原因。

空載試驗(yàn)電源大多為三相調(diào)壓電源,并非絕對(duì)的三相平衡,勢(shì)必存在零序電流。故通過(guò)在中性線(xiàn)上串入電流表來(lái)檢測(cè)變壓器中性點(diǎn)電流,試驗(yàn)接線(xiàn)如圖4所示,調(diào)壓器中性點(diǎn)與電源側(cè)和變壓器側(cè)中性點(diǎn)均接地。

圖4 測(cè)量中性點(diǎn)電流的試驗(yàn)接線(xiàn)

通過(guò)測(cè)量,獲得在升壓過(guò)程中中性點(diǎn)電流的變化曲線(xiàn),如圖5所示。

圖5 中性點(diǎn)電流變化曲線(xiàn)

對(duì)比圖5和圖2,發(fā)現(xiàn)空載電流變化曲線(xiàn)與零序電流變化曲線(xiàn)具有一致性。初步推測(cè)零序電流的非線(xiàn)性變化才是導(dǎo)致空載電流出現(xiàn)下降現(xiàn)象的主要原因。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

導(dǎo)致零序電流的因素有很多,包括變壓器輸入電壓的不平衡、三相負(fù)載的不平衡等都會(huì)導(dǎo)致零序電流的出現(xiàn)[11-12]。因此對(duì)10 ～260 V電壓區(qū)間空載運(yùn)行的調(diào)壓器三相不平衡度進(jìn)行測(cè)量,三相不平衡度變化曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 調(diào)壓器三相不平衡率變化曲線(xiàn)

通過(guò)圖6曲線(xiàn)可知所用自耦式調(diào)壓器三相輸出試驗(yàn)電壓不平衡率最大超過(guò)了10%,使輸出的三相電壓幅值差異大,這會(huì)導(dǎo)致零序電流較大。

為驗(yàn)證零序電流是空載電流下降的主要因素,將變壓器側(cè)中性點(diǎn)懸空進(jìn)行空載試驗(yàn)。試驗(yàn)接線(xiàn)如圖7所示,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖7 中性點(diǎn)懸空時(shí)空載試驗(yàn)接線(xiàn)

圖8 中性點(diǎn)懸空時(shí)空載電流變化曲線(xiàn)

根據(jù)圖8數(shù)據(jù)可知,將中性點(diǎn)斷開(kāi)后零序電流無(wú)法流通,空載電流整體變化曲線(xiàn)正常,并未出現(xiàn)先升后降的情況,且各相空載電流相較于中性點(diǎn)接地時(shí)的數(shù)據(jù),幅值均大幅下降。因此基本確定零序電流是導(dǎo)致空載試驗(yàn)電流非線(xiàn)性變化的主要原因而不是電容電流。

變壓器輸入電壓的不平衡是造成零序電流的原因之一。為便于進(jìn)一步驗(yàn)證所提推測(cè),選擇將試驗(yàn)電壓幅值調(diào)到三相一致,在一定程度上降低零序電流的幅值。因此將試驗(yàn)電源重新設(shè)計(jì),將共同調(diào)節(jié)幅值的三相調(diào)壓器更換為三個(gè)并聯(lián)的、可以單獨(dú)調(diào)節(jié)幅值的單相調(diào)壓器,試驗(yàn)接線(xiàn)如圖9所示,使三相試驗(yàn)電壓幅值趨于一致,盡可能降低零序電流。

圖9 單相調(diào)壓器并聯(lián)加壓空載試驗(yàn)接線(xiàn)

同樣以調(diào)壓器輸出電壓20 ～260 V之間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。三相試驗(yàn)電壓平衡后測(cè)得的空載電流的變化曲線(xiàn)如圖10所示。

圖10 三相試驗(yàn)電壓平衡后空載電流變化曲線(xiàn)

由于測(cè)量空載電流時(shí)數(shù)據(jù)波動(dòng),取三相空載電流平均值分析,圖11為平衡電壓后三相空載電流平均值變化曲線(xiàn)。由圖11中空載電流曲線(xiàn)的總體趨勢(shì)可知,隨著試驗(yàn)電壓的升高空載電流隨之升高,在此試驗(yàn)電壓區(qū)間中,沒(méi)有出現(xiàn)空載電流隨試驗(yàn)電壓升高下降的現(xiàn)象。并且,在試驗(yàn)電壓為250 V時(shí),三相空載電流平均值由三相試驗(yàn)電壓不平衡時(shí)的0.636 A下降到了0.264 A。

圖11 三相平衡電壓下空載電流平均值變化曲線(xiàn)

三相試驗(yàn)電壓平衡后測(cè)得的中性點(diǎn)電流變化曲線(xiàn)如圖12所示。

圖12 三相平衡電壓后中性點(diǎn)電流變化曲線(xiàn)

圖12中仍然存在零序電流的原因有多種,試驗(yàn)中雖然保證了試驗(yàn)電壓幅值的平衡,但試驗(yàn)電壓各相的相位差以及變壓器本身的磁路限制[13-19]等也會(huì)使得中性點(diǎn)電壓不平衡,導(dǎo)致出現(xiàn)中性點(diǎn)偏移和零序電流。

另外,由于在進(jìn)行試驗(yàn)升壓過(guò)程中電壓并非定值,且低于額定電壓,變壓器磁心并未工作在飽和區(qū),磁路中的主磁通隨試驗(yàn)電壓的升高而隨之變化[20],進(jìn)而導(dǎo)致激磁阻抗也隨之變化。對(duì)空載試驗(yàn)來(lái)說(shuō),激磁阻抗為主要負(fù)載[21],此處激磁阻抗變化也就意味著負(fù)載變化,而這個(gè)激磁阻抗的變化可能也是導(dǎo)致零序電流出現(xiàn)的原因。

3 結(jié) 論

1)通過(guò)空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證,在低容量高電壓變壓器電壓三相不平衡且中性點(diǎn)接地的情況下出現(xiàn)的空載電流隨試驗(yàn)電壓先升后降再升現(xiàn)象,可能是試驗(yàn)電壓三相不平衡導(dǎo)致的零序電流造成的,而非電容電流。

2)對(duì)于聯(lián)結(jié)組別為Yyn0的電力變壓器進(jìn)行空載試驗(yàn)時(shí),應(yīng)注意調(diào)壓器試驗(yàn)電壓三相不平衡問(wèn)題,若三相電壓不平衡嚴(yán)重,為提高空載電流試驗(yàn)準(zhǔn)確性,建議采取中性點(diǎn)懸空的接線(xiàn)方式進(jìn)行空載試驗(yàn)。

3)對(duì)大容量變壓器空載電流測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的空載電流隨試驗(yàn)電壓先升后降再升現(xiàn)象是否電容電流或零序電流造成仍需進(jìn)一步試驗(yàn)研究驗(yàn)證。