一臺(tái)特高壓換流變壓器溫升試驗(yàn)的分析與計(jì)算

楊在葆，劉永，韓凱，趙永亮，劉同文

(山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250022)

換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)中主要的電工設(shè)備，為保證其質(zhì)量，每一臺(tái)換流變壓器都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的試驗(yàn)測(cè)試方可出廠，溫升試驗(yàn)可以驗(yàn)證變壓器冷卻系統(tǒng)能否將最大總損耗產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，確定規(guī)定狀態(tài)下變壓器油、繞組的溫升參數(shù)及油箱、結(jié)構(gòu)件等有無(wú)局部過(guò)熱現(xiàn)象[1]。該試驗(yàn)?zāi)壳氨蛔鳛閾Q流變壓器出廠試驗(yàn)中的例行試驗(yàn)項(xiàng)目逐臺(tái)進(jìn)行，考慮到換流變壓器自身運(yùn)行的特殊性，在具體試驗(yàn)方法上與普通變壓器相比，仍有許多不同之處。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，列舉換流變壓器與普通電力變壓器溫升試驗(yàn)的異同，通過(guò)闡述一臺(tái)±1100 kV低端換流變壓器溫升試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果，重點(diǎn)對(duì)總損耗的施加、繞組溫升的計(jì)算及熱時(shí)間常數(shù)的確定進(jìn)行了分析，并提出相關(guān)建議。

1 換流變壓器與普通電力變壓器的區(qū)別

由于換流變壓器的運(yùn)行方式與換流器的換相所造成的非線性特質(zhì)密切關(guān)聯(lián)，所以換流變壓器在絕緣、諧波、偏磁、調(diào)壓等方面與普通變壓器相比有著迥然不同的特點(diǎn)。

1.1 絕緣設(shè)計(jì)的影響

首先，額定工作狀態(tài)下，閥繞組端部與地之間以及閥繞組與網(wǎng)繞組之間的主絕緣上長(zhǎng)期承受直流電壓。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，閥繞組所承受的直流電壓也同時(shí)發(fā)生極性反轉(zhuǎn)。換流變壓器中長(zhǎng)期持續(xù)受到的交直流疊加電場(chǎng)的作用以及以極性反轉(zhuǎn)為代表的直流躍變電壓的作用是換流變壓器絕緣配合上應(yīng)考慮的主要問(wèn)題，因此換流變壓器的主絕緣較普通變壓器而言要采用更多的紙板，組成油—紙隔板系統(tǒng)。

1.2 直流偏磁問(wèn)題

換流變壓器在運(yùn)行中由于交直流線路的耦合、換流閥觸發(fā)角的不平衡、接地極電位的升高等多方面原因會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變壓器閥側(cè)及交流網(wǎng)側(cè)線圈的電流中產(chǎn)生直流分量，使換流變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象，從而導(dǎo)致?lián)Q流變壓器損耗、噪聲都有所增加。

1.3 有載調(diào)壓范圍大

為了補(bǔ)償換流變壓器交流側(cè)電壓的變化，換流變壓器運(yùn)行時(shí)需要有載調(diào)壓。換流變壓器的有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)還參與系統(tǒng)控制以便于讓晶閘管的觸發(fā)角運(yùn)行于適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。為了滿足直流降壓運(yùn)行的模式，有載調(diào)壓分接范圍相對(duì)普通的交流電力變壓器要大得多。

1.4 高次諧波對(duì)損耗和溫升的影響

換流變壓器繞組負(fù)載電流中的諧波分量將引起較高的附加損耗，因?yàn)橹C波的頻率高，故單位諧波的附加損耗比單位基波的高。因此如何確定由諧波引起的損耗是確定換流變壓器負(fù)載損耗和溫升的中心問(wèn)題[3]。

2 換流變壓器溫升試驗(yàn)簡(jiǎn)述

2.1 換流變壓器總負(fù)載損耗及等效電流的確定

換流變壓器實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，流過(guò)閥側(cè)繞組的電流含有一定的諧波分量，該諧波電流的大小與換流閥的參數(shù)有關(guān)，其在換流變壓器繞組中產(chǎn)生的損耗是不可以忽略的，因此，與普通變壓器不同， 換流變壓器的負(fù)載損耗應(yīng)該是各個(gè)諧波頻譜下負(fù)載損耗之和。由于頻率的變化對(duì)繞組電阻損耗沒(méi)有影響，但不同頻率下繞組及結(jié)構(gòu)件的附加、雜散損耗不但與外施電流有關(guān)，還與施加頻率有很大關(guān)系，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的規(guī)定，工廠試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)分別進(jìn)行兩次不同頻率下的負(fù)載損耗測(cè)量，進(jìn)而求得總負(fù)載損耗，有以下公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:R—電阻損耗的等效電阻，Ω

P1—基波頻率下折算到85 ℃時(shí)的損耗，kW

I1—基波頻率下電流，A

f1—基波頻率，Hz

Px—x頻率下折算到85 ℃時(shí)的損耗，kW

Ix—x頻率下電流，A

fx—x頻率，Hz

PSE1—雜散損耗，kW

PWE1—渦流損耗，kW

PCU—電阻損耗，kW

u—電壓比

U網(wǎng)側(cè)(LW)—網(wǎng)側(cè)額定電壓，kV

U閥側(cè)(VW)—閥側(cè)額定電壓，kV

IX網(wǎng)側(cè)(LW)—換算到網(wǎng)側(cè)的諧波電流，A

IX閥側(cè)(VW)—用戶給定諧波電流，A

根據(jù)公式(1)、(2)可確定雜散損耗PSE1及渦流損耗PWE1，再根據(jù)用戶提供的諧波頻譜及公式(3)-(5)，計(jì)算所有頻率下負(fù)載損耗，最后進(jìn)行求和，即可得出總運(yùn)行負(fù)載損耗[4]。

換流變壓器油面溫升穩(wěn)定并保持規(guī)定時(shí)間后，要降至等效電流，該等效電流是模擬換流變壓器額定運(yùn)行條件下繞組中的電流，其大小由公式(6)確定[4]：

(6)

式中:Ieq—與繞組在運(yùn)行中負(fù)載損耗等效的正弦電流方均根植，A

ILN—所考慮繞組運(yùn)行時(shí)的負(fù)載電流方均根植，A

PWE1—基波頻率下的繞組渦流損耗，kW

FWE—繞組渦流損耗附加系數(shù);

PSE1—基波頻率下的結(jié)構(gòu)件雜散損耗，kW

FSE—結(jié)構(gòu)件雜散損耗附加系數(shù)。

2.2 換流變壓器與普通變壓器溫升試驗(yàn)區(qū)別分析

與普通電力變壓器相比，換流變壓器在溫升試驗(yàn)開(kāi)始建立油面溫升時(shí)，為了模擬其運(yùn)行狀態(tài)，所施加的總損耗包括了總運(yùn)行負(fù)載損耗、空載損耗和直流偏磁損耗(由用戶及設(shè)計(jì)提供)，即施加總損耗，而普通變壓器的總損耗僅包括負(fù)載損耗與空載損耗；在油面溫升達(dá)到穩(wěn)定后，普通變壓器的溫升穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間為3 h，而換流變壓器油面溫升的穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間規(guī)定為12 h；在測(cè)量繞組溫升時(shí)，換流變壓器應(yīng)降至等效電流，而非額定電流；在同一批次相同電壓等級(jí)的換流變壓器中，通常挑選一臺(tái)設(shè)備開(kāi)展超銘牌容量運(yùn)行下的溫升試驗(yàn)，目前技術(shù)協(xié)議一般規(guī)定為1.05倍容量，持續(xù)3 h測(cè)量其頂層油溫升。

3 換流變壓器溫升試驗(yàn)計(jì)算實(shí)例

現(xiàn)以一臺(tái)±1100 kV低端換流變壓器為例，進(jìn)一步介紹該系列換流變壓器的溫升試驗(yàn)計(jì)算，換流變壓器型號(hào)為ZZDFPZ-607500/750-275，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 換流變壓器技術(shù)參數(shù)

根據(jù)用戶技術(shù)協(xié)議要求，分別測(cè)量50 Hz和200 Hz下負(fù)載損耗，按照文獻(xiàn)[5]中的規(guī)定，額定頻率下施加的電流值等于額定電流，頻率更高時(shí)的施加電流值為10%至50%額定電流值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3，其中200 Hz下負(fù)載損耗電流施加值為20%額定電流。

表2 50 Hz下負(fù)載損耗

表3 200 Hz下負(fù)載損耗

以31分接為例，由公式(1)-(2)求得31分接基波頻率下的繞組渦流損耗PWE1和結(jié)構(gòu)件雜散損耗PSE1，再根據(jù)公式(3)-(5)及用戶給定的諧波頻譜值計(jì)算得繞組渦流損耗附加系數(shù)FWE和結(jié)構(gòu)件雜散損耗附加系數(shù)FSE，進(jìn)而求得各諧波頻譜下的負(fù)載損耗，具體計(jì)算見(jiàn)表4。將表4中各頻率下Px相加得31分接下1.0倍容量下總負(fù)載損耗為1661.63 kW，同理，計(jì)算得31分接下1.05倍容量下總負(fù)載損耗為1840.11 kW。

溫升試驗(yàn)采用短路法，閥側(cè)a、b短路，網(wǎng)側(cè)A、B輸入電流，分接位置31，冷卻類型ODAF。試驗(yàn)第一階段試驗(yàn)容量1.0 p.u.，以施加總損耗為準(zhǔn)，即總負(fù)載損耗加空載損耗加直流偏磁損耗，穩(wěn)定12 h，測(cè)量油平均溫升，油頂層溫升；試驗(yàn)第二階段降至1.0 p.u.等效額定電流，持續(xù)時(shí)間1 h，測(cè)量各繞組平均溫升、熱點(diǎn)溫升，利用公式(6)計(jì)算得等效額定電流為1543.03A；試驗(yàn)第三階段升至1.05 p.u.試驗(yàn)容量，持續(xù)時(shí)間3 h。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

利用停電后連續(xù)測(cè)得的熱態(tài)直流電阻值推導(dǎo)停電瞬間熱態(tài)直流電阻，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 網(wǎng)側(cè)直流電阻值推導(dǎo)

表4 31分接總負(fù)載損耗計(jì)算

表5 溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 閥側(cè)直流電阻值推導(dǎo)

表6為溫升試驗(yàn)結(jié)果及協(xié)議要求值，圖3-圖8為溫升穩(wěn)定階段油箱各部位紅外成像圖片。

表6 溫升試驗(yàn)結(jié)果及協(xié)議要求值

圖3 網(wǎng)側(cè)升高座熱成像 圖4 分接開(kāi)關(guān)對(duì)側(cè)熱成像

圖5 分接開(kāi)關(guān)側(cè)熱成像 圖6 頂部熱成像

圖7 閥側(cè)升高座熱成像 圖8 風(fēng)扇熱成像

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)文獻(xiàn)[5]中規(guī)定，溫升試驗(yàn)可以施加總損耗的80%，試驗(yàn)結(jié)束后可以通過(guò)換算到100%損耗的方式得到油面溫升，但是由于前述換流變壓器與普通變壓器溫升試驗(yàn)的區(qū)別，其施加總損耗是基波損耗與諧波損耗的疊加，因此，建議在試驗(yàn)設(shè)備滿足條件的前提下施加應(yīng)加的總損耗，只有這樣才可以充分驗(yàn)證換流變壓器在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)中的承受能力。

(2)溫升試驗(yàn)時(shí)，溫度升高和持續(xù)時(shí)間相應(yīng)的變化為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，起始階段溫度上升較快，隨后溫度的增加愈來(lái)愈緩慢，故相應(yīng)穩(wěn)定所需要全部時(shí)間基本取決于熱時(shí)間常數(shù)的大小，而熱時(shí)間常數(shù)與試品的熱容量成正比，與散熱有關(guān)的熱傳導(dǎo)系數(shù)成反比；此型號(hào)換流變壓器溫升試驗(yàn)時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間為5 h，這樣可以反推熱時(shí)間常數(shù)約為2 h，所以在后續(xù)該型號(hào)的換流變壓器中，可以采用僅開(kāi)動(dòng)油泵保持油的強(qiáng)迫循環(huán)，當(dāng)溫度升高到預(yù)定穩(wěn)定值后，再啟動(dòng)風(fēng)扇恢復(fù)到額定冷卻條件下運(yùn)行的方法，提前使變壓器達(dá)到溫升穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定時(shí)間可以提前到2 h。

(3)通過(guò)圖3—圖8可以觀察到該換流變壓器油箱表面因漏磁原因產(chǎn)生的最大過(guò)熱點(diǎn)位于油箱頂部，該位置不易觀察，容易紕漏，因此，建議試驗(yàn)人員在溫升試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)整個(gè)試品進(jìn)行全方位的紅外掃描，確保產(chǎn)品各部位的熱點(diǎn)溫升始終在協(xié)議范圍內(nèi)。