大型變壓器空載和負載特性現場測試技術研究

楊文良，寶 音，劉 卓，楊 波，白 潔

（1.內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020；2.呼和浩特供電局，內蒙古 呼和浩特 010050）

0 引 言

變壓器是電力系統中的重要電氣設備，其基本工作原理是通過電磁感應理論改變交流電壓，基本構件是原、副邊繞組和鐵芯，常用作電力系統的電壓變換、安全隔離以及相角改變等。變壓器的安全性和可靠運行直接關系到電力系統的穩定性，大型變壓器因受到現場試驗電源容量的限制，通常僅能在出廠時進行測試試驗，而且受到自然環境和長期高電壓的影響會發生老化，故需要進行定期檢測。為保證變壓器的正常運行，及時通過現場測試檢查問題判斷其工作狀況具有重大意義。

空載損耗和負載損耗是變壓器的兩個重要參數，通過計算可以求得變壓器此時的參數指標，在一定程度上反映鐵心和繞組的工作狀態，從而反映其在實際運行中的效率[1]。變壓器在出廠試驗時會進行全面試驗，但測試的環境和實際使用時通常有較大區別，且變壓器長時間使用后實際參數會有一定變化，因此有必要對變壓器進行空載損耗實驗和負載損耗實驗的現場測試。

1 000 kV及以上變壓器損耗測試對試驗電源容量要求很高，現場損耗測試難以進行，部分研究開展了變壓器損耗的帶電測試，可以在不斷電的情況下進行在線試驗[2-4]。但經計算發現，變壓器在線測試方法測量精度低，現場應用難度大，測試結果可作為參考，卻不能準確得出準確的參數指標。變壓器的現場實驗能全面精確地檢測變壓器參數，更具有實用價值。文獻[5]闡述了變壓器現場空負載試驗的測量方法，但其選用變壓器為500 kV以下，不能測量1 000 kV以上的大型變壓器。文獻[6]進行了1 000 kV變壓器的現場空負載檢測，但其電源部分只進行了仿真，且設計的電源不可選擇與調整電壓，因此實際上也不能滿足負載試驗的要求。

本文先從變壓器的空載和負載運行特性出發，分析一次側和二次側物理量之間的關系，通過現場測試的計算結果反映了變壓器的物理狀態，為實際電源裝置的設計和制作打下基礎。通過經濟可靠分析，決定采用碳化硅及硅基IGBT多芯片串聯結構組成的高壓大容量電源實現現場實驗時變壓器感性電流的補償，解決大型變壓器在現場測試時試驗電源容量不足的問題，實現變壓器的現場損耗測試。

1 變壓器空載試驗

在變壓器的任意一側繞組施加額定頻率正弦波的電壓，其他繞組開路，即是變壓器的空載試驗，以此測出總的有功功率損耗P0和空載電流I0。空載電流常用其所占額定電流Ie的百分數I0%來表示，即：

由于空載電流很小，故變壓器繞組中的銅耗也很小，可以忽略不計，將此時的變壓器損耗P0視為鐵心中的無功損耗[7,8]。

圖1 單相雙繞組變壓器

式中，R1為一次側線圈等效阻值，e1為一次側主電動勢瞬時值，e1σ為一次側漏電勢瞬時值，e10為一次側額定電壓的瞬時值。

由式（2）可得到穩態平衡方程式為：

變壓器在正常運行狀態下，主磁通以正弦規律變化，則令φ0=φm=sinωt，可得到一次側主電勢的瞬時值為：

式中，N1為變壓器一次側繞組匝數。

一次側主電動勢的有效值和相量表達式分別為式為：

為求得一次側漏電勢E1σ，需要先計算一次側繞組漏感L1σ，公式為：

由以上公式可推得：

式中，X1=ωL1σ=2πfL1σ。

將式（8）帶入式（3）得：

式中，Z1=jX1+R1為一次側漏阻抗。

由于大型變壓器鐵芯厚，磁導率相較500 kV級以下變壓器擁有更好地磁導率，變壓器漏電動勢和漏阻抗Z1非常小，可忽略不計，因此式（3）和式（9）可簡化為：

變壓器空載運行時，一次側繞組本質上是電感線圈，此時空載電壓10超前電流0將近90°，0可以由主要由無功分量μ和有功分量Fe合成，即：

2 變壓器負載試驗

變壓器負載試驗即變壓器的短路試驗，實驗中將變壓器一側短接，另一次施加可調的電壓，將此電壓逐漸增大，使變壓器一次側電流0逐漸達到額定值N，并測量此時施加的電壓Uk。空載電壓常用其所占額定電流Ue的百分數Uk%來表示，即：

負載試驗時，變壓器的二次繞組產生感應電流，此時變壓器的功率與空載功率相比發生變化，二次側繞組電壓將受到負載的影響而發生變化[10]。

將式（15）帶入式（17）：

式中，N2為二次側繞組匝數。

由式（18）得，變壓器兩側電流是相關聯的。在變壓器負載運行時，相比空載運行二次側電流增大，一次側提供功率變多，輸出能量變大，故一次側電流I1會上升很多，符合能量守恒[11]。仿照式（9），可以得到變壓器負載運行時二次側的電壓平衡方程式為：

變壓器二次側輸出功率P2可由式（20）求得為：

通過分析變壓器負載運行方程式，本文總結出如下負載特性。分析（19）得，當負載電流2增加，二次側漏阻抗Z2不變化，二次側繞組內部的壓降1Z2增加，使變壓器輸出電壓20增加，同時一次側電流1變大，一次側漏阻抗電壓減小，變壓器兩側電動勢1、2下降，這反而使變壓器二次側的輸出電壓20減小。詳細了解空負載試驗的特性和原理，有助于大型變壓器的現場空負載試驗的進行和相應檢測設備的設計。

3 基于IGBT技術的高壓電源

隨著新型材料的發展，高壓功率半導體器件IGBT因其良好的工作特性也獲得了高速發展。IGBT截止電壓的測試是判斷器件性能的重要手段，相比于MOSFET單個IGBT具有較高的截止電壓，且其具有一定的控制能力，但其工作特性仍然無法滿足在實際大型變壓器應用中高電壓大功率的要求，因此IGBT串聯技術在高壓大功率領域得到越來越多的應用。為滿足大型變壓器現場空負載試驗的需要，本文選定采用IGBT串聯技術設計可控高壓大容量電源。

3.1 IGBT的基本工作原理

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）同時具有絕緣柵型場效應管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）的高輸入阻抗和功率晶體管低導通壓降的特點。MOS管驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小，功率晶體管飽和電壓較低，載流密度大，但驅動電流較大。IGBT的本質是通過一個MOS管驅動一個功率晶體管的復合性結構器件，故IGBT在高壓大電流領域更具有優勢，其驅動功率小，導通能力強，驅動電路簡單，開關速度快，串聯方便。

3.2 高電壓大容量電源的基本組成

IGBT具有一定的電壓放大功能，同時工作電壓高，導通能力強，故可以將IGBT作為放大管，組成高壓大電容正弦電源。由于單只IGBT的承受電壓仍有限，可以將多只IGBT串聯分壓組成放大環節，并通過反饋控制使輸出電壓呈現出所需要的正弦波形[12]。

采用此技術為主的大型變壓器空載和負載現場試驗成套電源裝置，其總原理框圖如圖2所示。

3.3 主電路設計及原理分析

城市220 V交流電經過高壓變壓器升壓后，通過濾波電路產生前級高壓電源，視實際電壓需要，電壓調整環節采用多只型號為1MBH60-170的IGBT串聯，該型IGBT具有耐高壓，可通過大電流的特點，串聯IGBT均工作于線性放大區用于電壓調整，串聯IGBT的末級串聯限流電路自動限制最大輸出電流，以限制最大電流Imax為60 A，壓降UCE為1 700 V，最后輸出電壓經濾波處理后呈現穩定的正弦高壓，可滿足大型變壓器現場測試所需大容量高電壓要求。

4 結 論

變壓器需要定期進行檢修維護，保證其運行的穩定性，而大型變壓器往往處于電力系統的關鍵位置，其運行狀態是否安全可靠具有重要的意義。分析變壓器空載運行和負載運行時建立的方程式，可以在現場計算出基本參數，以此判斷變壓器工作狀態，制定維護計劃。分析大型變壓器損耗特性，可以判斷大型變壓器的在工作一段時間后是否老化，預測使用磨損，設計變壓器參數，并達到變壓器最經濟運行。此外，大型變壓器需要較大的測試電壓和電源容量，采用多只IGBT串聯的方法可有效補償測試試驗中電源容量不足的問題，實現了準確的參數測試，為現場檢修帶來方便。若能結合在線測試，則可在初步判斷大型變壓器發生故障的基礎上準確找到故障原因，大型變壓器在線測試是本項目未來研究的方向。