特大型變壓器現(xiàn)場局部放電試驗(yàn)的設(shè)備配置及工程實(shí)踐

李 晨，王文浩，孫 翔，谷小博，于 淼

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

特大型變壓器現(xiàn)場局部放電試驗(yàn)的設(shè)備配置及工程實(shí)踐

李 晨，王文浩，孫 翔，谷小博，于 淼

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

隨著變壓器工藝的不斷進(jìn)步，變壓器的重量不斷增加，額定電壓逐步提高，容量持續(xù)擴(kuò)大，這給現(xiàn)場安裝及試驗(yàn)，特別是局部放電（ACLD）試驗(yàn)提出了更高的要求。介紹了特大型變壓器的典型結(jié)構(gòu)，給出了進(jìn)行現(xiàn)場ACLD試驗(yàn)的設(shè)備配置；分析了ACLD試驗(yàn)中變壓器故障的發(fā)現(xiàn)過程及驗(yàn)證結(jié)果，證明了這套試驗(yàn)設(shè)備在現(xiàn)場進(jìn)行特大型變壓器ACLD試驗(yàn)的可行性。

特大型；變壓器；局部放電；試驗(yàn)設(shè)備

特大型變壓器對(duì)制造工藝和現(xiàn)場交接過程提出了更高的要求。特大型變壓器所有交接試驗(yàn)項(xiàng)目中，ACLD（帶局部放電測量的長時(shí)感應(yīng)耐壓試驗(yàn)）是難度最大、考核最嚴(yán)格、對(duì)變壓器內(nèi)部絕緣缺陷反應(yīng)最靈敏的試驗(yàn)，也是衡量電力變壓器質(zhì)量的重要檢測手段[1]。

特大型變壓器電壓高、容量大、質(zhì)量重，進(jìn)行ACLD試驗(yàn)時(shí)，在背景干擾的抑制和試驗(yàn)裝備的配置上更為困難和復(fù)雜。對(duì)特大型變壓器進(jìn)行ACLD試驗(yàn)時(shí)的干擾抑制，已經(jīng)有較多的研究和實(shí)踐，而在試驗(yàn)設(shè)備配置方面較少提及[2-4]。為此，研究并提出了特大型變壓器ACLD試驗(yàn)設(shè)備配置，調(diào)試工作證明能適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境，順利完成現(xiàn)場ACLD試驗(yàn)。

1 變壓器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

某特大型變壓器為單相三繞組自耦變壓器，受制于運(yùn)輸條件和絕緣性能等方面的約束，與普通500 kV或220 kV電壓等級(jí)的自耦變壓器相比，在結(jié)構(gòu)上有著較明顯的區(qū)別，內(nèi)部繞組接線方式見圖1。

變壓器本體器身采用單相三芯柱加兩旁軛結(jié)構(gòu)，從而有效降低主變壓器（簡稱主變）高度。高壓繞組采用中部出線，變壓器調(diào)壓方式為中性點(diǎn)變磁通調(diào)壓，并設(shè)置補(bǔ)償繞組。中性點(diǎn)調(diào)壓方式降低了調(diào)壓開關(guān)的絕緣水平，采用變磁通調(diào)壓及設(shè)置補(bǔ)償繞組能，有效地抑制了調(diào)壓時(shí)對(duì)中壓出線端Am點(diǎn)的電壓波動(dòng)[5]。此外，為了滿足運(yùn)輸?shù)男枰儔浩鞯恼{(diào)壓部分單獨(dú)組成調(diào)壓補(bǔ)償變壓器與本體分離，降低了單件運(yùn)輸重量。圖1中各出線套管名稱見表1。

2 現(xiàn)場ACLD試驗(yàn)設(shè)備配置

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 變壓器內(nèi)部繞組接線方式

表1 出線端子名稱

合理配備現(xiàn)場ACLD試驗(yàn)設(shè)備，在滿足裝置本身局部放電量要求的前提下，尚應(yīng)達(dá)到以下2個(gè)目標(biāo)：試驗(yàn)電源容量盡可能小，防止受限于變電站所用變或施工變?nèi)萘浚槐阌诂F(xiàn)場更改試驗(yàn)接線和移動(dòng)試驗(yàn)裝置位置，提高現(xiàn)場試驗(yàn)的安全性和效率。

現(xiàn)場ACLD試驗(yàn)設(shè)備由補(bǔ)償電抗器、勵(lì)磁變壓器、變頻電源、試驗(yàn)電纜、局部放電測試裝置等組成，試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。局部放電測試裝置對(duì)特大型變壓器局部放電測試結(jié)果的影響，已有專門研究結(jié)論，此處不作詳述。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 補(bǔ)償電抗器

補(bǔ)償電抗器并聯(lián)于試品兩端，用于補(bǔ)償變壓器的容性電流。特大型變壓器低壓側(cè)入口電容大約為0.2～0.24 μF，最高試驗(yàn)電壓170 kV左右，為了避免試驗(yàn)中鐵心飽和，對(duì)變壓器進(jìn)行局部放電試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)頻率大致在100～200 Hz之間為宜，電感量L滿足：

式中：L為試驗(yàn)回路電感量；C為變壓器加壓側(cè)入口電容。

根據(jù)試驗(yàn)頻率可以得到電抗器提供的補(bǔ)償電流I滿足：

式中：U為試驗(yàn)電壓。

若入口電容為0.24 μF，則有電感量及補(bǔ)償電流與試驗(yàn)頻率（100～200 Hz之間）的關(guān)系如圖3與4所示。

圖3 電感量與試驗(yàn)頻率關(guān)系

圖4 不同電壓下補(bǔ)償電流與試驗(yàn)頻率關(guān)系

圖4中U1為預(yù)加電壓，U2及U3為測量電壓。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和被試變壓器技術(shù)參數(shù)，可確定補(bǔ)償電抗器額定參數(shù)為：額定電壓100 kV；額定電流30 A；電感量3 H。

試驗(yàn)時(shí)，補(bǔ)償電抗器采用兩串、兩并結(jié)構(gòu)，總電感量為3 H，額定電壓200 kV，額定補(bǔ)償電流60 A。

2.3 勵(lì)磁變壓器

進(jìn)行ACLD試驗(yàn)時(shí)，變壓器的電容電流被電抗器補(bǔ)償，完全補(bǔ)償時(shí)勵(lì)磁變壓器僅提供有功電流。在試驗(yàn)頻率下，主變勵(lì)磁側(cè)有功電流Ir滿足：

式中：P為試品在試驗(yàn)頻率下空載損耗；U為勵(lì)磁繞組試驗(yàn)電壓，170 kV左右。

目前生產(chǎn)的特大型變壓器現(xiàn)場ACLD試驗(yàn)有功電流可達(dá)2 A。試驗(yàn)中，電容電流有時(shí)無法完全補(bǔ)償，此時(shí)勵(lì)磁變壓器還需提供部分無功電流，設(shè)計(jì)時(shí)為確保勵(lì)磁變壓器在50%補(bǔ)償下仍能正常試驗(yàn)，將勵(lì)磁變壓器額定電壓及電流定為200 kV，4 A。

2.4 變頻電源

變頻電源為試驗(yàn)系統(tǒng)供電，應(yīng)滿足試驗(yàn)系統(tǒng)各設(shè)備的功耗需要。圖2中被試變壓器空載損耗滿足：

式中：K為感應(yīng)電壓倍數(shù)；fN為額定頻率，取50 Hz；fs為試驗(yàn)頻率；P0為被試變壓器額定空載損耗。

由于變頻電源轉(zhuǎn)換效率約為75%，因此變頻電源輸入功率滿足：

在最大負(fù)荷下，考慮到試驗(yàn)系統(tǒng)其他損耗，試驗(yàn)總損耗可基本確定超過400 kW，因此在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)采用2臺(tái)容量為400 kVA的變頻電源并聯(lián)的方式，總?cè)萘?00 kVA。

2.5 試驗(yàn)電纜

試驗(yàn)電纜用于連接站內(nèi)系統(tǒng)或施工電源和試驗(yàn)使用的變頻電源，其電流計(jì)算如下：

式中：k3為壓降系數(shù)，取1.1；Id是電纜電流；Ud是變頻電源輸入電壓，為400 V。

已知試驗(yàn)系統(tǒng)總損耗超過400 kW，因此試驗(yàn)電流可達(dá)600～700 A，此外考慮到電纜接頭的電壓降，參考電力電纜載流量標(biāo)準(zhǔn)，變頻電源輸入電纜宜選擇6根導(dǎo)體截面為185 mm2的銅芯電纜并聯(lián)（每相2根并聯(lián)）[6]。

2.6 試驗(yàn)參數(shù)估算及驗(yàn)證

經(jīng)過分析，總結(jié)出該特大型變壓器ACLD試驗(yàn)時(shí)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)和配置如表2所列。

上述配置可行性在對(duì)某變電站7臺(tái)同一型號(hào)的特大型變壓器ACLD試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，該型變壓器入口電容計(jì)算值為0.24 μF，額定空載損耗200 kW左右。通過計(jì)算式（1）—（6）可得到試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)估算值，將估算值與7臺(tái)變壓器ACLD試驗(yàn)中測到的平均值（7臺(tái)主變型號(hào)一致，最大、最小值相比差別不超過10%）比較如表3所示。

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備配置方案及技術(shù)參數(shù)

表3 試驗(yàn)參數(shù)對(duì)照表

可以看出，總體上估算值與實(shí)際值較為接近，補(bǔ)償電流、變頻電源功耗、有功電流及電纜電流等參數(shù)的最大誤差分別為3.7%、11.2%、5.4%和7.9%。由于試驗(yàn)初期受到鐵心剩磁道影響，電纜輸入電流、有功電流和系統(tǒng)損耗等參數(shù)的誤差隨著電壓上升而下降。整套試驗(yàn)系統(tǒng)額定電壓、電流及容量等技術(shù)參數(shù)均能滿足試驗(yàn)要求，能夠保證現(xiàn)場試驗(yàn)的需要。

3 工程實(shí)踐

采用表2的配置方案，對(duì)某1—7號(hào)特大型變壓器進(jìn)行ACLD現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)原理接線如圖5。

圖5所示SB為勵(lì)磁變壓器，CF高壓分壓器，L為補(bǔ)償電抗器，JFD為四通道局部放電分析儀，Zm1-Zm3為高、中、低壓檢測阻抗。試驗(yàn)采用低壓勵(lì)磁、單邊加壓和并聯(lián)諧振方式，并在高壓，中壓，低壓以及鐵心處監(jiān)測局部放電。試驗(yàn)加壓程序見圖6所示，圖中Um為變壓器最高運(yùn)行電壓。

圖5 特大型變壓器ACLD試驗(yàn)接線

圖6 變壓器ACLD試驗(yàn)加壓程序

1—6號(hào)變壓器試驗(yàn)合格，在進(jìn)行7號(hào)變壓器ACLD試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)電壓加至高壓側(cè)電壓約主變?nèi)齻?cè)同時(shí)出現(xiàn)放電信號(hào)，高中低壓放電幅值分別約為9 500 pC，3 000 pC，2 500 pC，詳見圖7。圖7左上、右上及下方圖形分別為高、中及低壓放電圖譜。重復(fù)加壓數(shù)次，放電起始及熄滅電壓逐次下降，如圖8所示。試驗(yàn)后變壓器上、中、下部48 h內(nèi)油色譜變化規(guī)律分別如圖9—11所示。

可以看出試驗(yàn)后隨著靜置時(shí)間增加，油中出現(xiàn)乙炔并在48 h內(nèi)總體呈上升趨勢。前24 h各氫氣、乙炔及總烴增長均較為緩慢，而24 h過后油中溶解的各特征氣體迅速增加，上升趨勢明顯，比對(duì)發(fā)現(xiàn)變壓器下部油中乙炔量遠(yuǎn)大于中、上部。由此可見，對(duì)于特大型變壓器，須靜止24 h以上方可對(duì)其取油樣進(jìn)行ACLD試驗(yàn)后色譜分析，如果取樣時(shí)間過早，則不能反映內(nèi)部真實(shí)油中溶解氣體的情況。

圖7 故障放電波形

圖8 起始電壓和熄滅電壓隨加壓次數(shù)的變化規(guī)律

圖9 試驗(yàn)后油中氫氣變化曲線

圖10 試驗(yàn)后油中乙炔變化曲線

該變壓器返廠解體發(fā)現(xiàn)，位于高壓繞組下半段絕緣紙板內(nèi)側(cè)放電。其繞組結(jié)構(gòu)及放電痕跡如圖12所示，其中（左上圖中深色痕跡為放電通道）。

圖11 試驗(yàn)后油中總烴變化曲線

圖12 紙板內(nèi)層的放電通道

4 結(jié)論

（1）利用上述試驗(yàn)設(shè)備配置方案構(gòu)成的試驗(yàn)系統(tǒng)，順利完成了特大型變壓器ACLD試驗(yàn)，能及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部缺陷。

（2）特大型變壓器重量、體積龐大，其絕緣油自然循環(huán)時(shí)間較長，因此特大型變壓器進(jìn)行ACLD試驗(yàn)后，被試品須靜止24 h以上方可對(duì)其油進(jìn)行取樣，否則油中溶解氣體檢測結(jié)果存在失真的可能性。

（3）ACLD試驗(yàn)設(shè)備額定電壓高，容量充足，可通用于其他1 000 kV及以下電壓等級(jí)變壓器的現(xiàn)場ACLD試驗(yàn)。

[1]李光范，王曉寧，李鵬，等.1 000 kV特高壓電力變壓器絕緣水平及試驗(yàn)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（3）∶1-6.

[2]陳化鋼.電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)方法及診斷技術(shù)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2001∶274-275.

[3]沈群武，駱賢華，陶文華.變壓器現(xiàn)場局部放電試驗(yàn)干擾波形的判斷[J].浙江電力，2008，27（3）∶63-65，75.

[4]孫多.1 000 kV變壓器調(diào)壓方式選擇及運(yùn)行維護(hù)[J].中國電力，2010，43（7）∶29-33.

[5]IEC 60364-5-523電線電纜載流量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國電力出版社，1998.

[6]GB 50150-2006電氣設(shè)備安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國電力出版社，2006.

（本文編輯：楊 勇）

Equipment Configuration for Field Partial Discharge Test of Oversize Transformers and Engineering Practice

LI Chen，WANG Wenhao，SUN Xiang，GU Xiaobo，YU Miao
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310004，China）

With the progress of transformer technique，weight of transformer is increased，the rated voltage is raised and the capacity is enlarged，which puts up higher requirement on field installation and test，especially on partial discharge test.The paper introduces typical structure of oversize transformer and gives equipment configuration for field partial discharge test；it analyzes detection and validation of transformer failure and demonstrates that the test equipment is feasible in field partial discharge test of oversize transformers.

oversize；transformer；partial discharge；test equipment

TM406

B

1007-1881（2015）05-0027-05

2014-12-12

李 晨（1986），男，工程師，從事變壓器高壓試驗(yàn)及研究工作。