雙分裂變壓器成套試驗裝置的研究

甘 鵬 王 生 任 達(dá) 嵇雨軒

（國網(wǎng)電科院檢測認(rèn)證技術(shù)有限公司）

0 引言

在碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)和愿景下，新能源風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電將得到大力發(fā)展。風(fēng)力及光伏發(fā)出的電能為690V低壓電，無法遠(yuǎn)距離傳輸，通常采用雙分裂變壓器將風(fēng)電及光伏電壓升高至10kV或35kV，然后采用電纜或架空線路將電能送至升壓站進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電。

雙分裂變壓器有兩個低壓繞組，兩個低壓繞組工作時沒有電氣上的聯(lián)系，僅有比較弱的磁聯(lián)系，兩個低壓分裂繞組可以單獨運行，也可以同時運行［1-3］。圖1為雙分裂變壓器的接線原理圖。

圖1 雙分裂變壓器接線原理圖

配電變壓器的高壓繞組與低壓繞組間短路阻抗較小，而雙分裂變壓器為了限值短路電流，將兩個低壓分裂繞組間的短路阻抗做的很大。對于兩個低壓繞組間的負(fù)載損耗及短路阻抗測量，無法采用配電變壓器試驗裝置來進(jìn)行試驗，同時，雙分裂變壓器的參數(shù)與配電變壓器也存在一定差異，因此配電變壓器試驗裝置不能直接用于雙分裂變壓器的試驗檢測。本文研究適用于雙分裂變壓器的成套試驗裝置。

1 試驗項目及試品參數(shù)

雙分裂變壓器的試驗項目，可以從風(fēng)力發(fā)電用變壓器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)NB/T 31061—2014與NB/T 31062—2014、光伏發(fā)電用變壓器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)T/CEEIA 251—2016、GB/T 1094系列標(biāo)準(zhǔn)中查詢［4-6］。試驗項目包括例行試驗、型式試驗及特殊試驗三大類，項目大致與配電變壓器基本相同。

從上述標(biāo)準(zhǔn)中查出，試品10kV雙分裂變壓器最小參數(shù)為：容量500kVA，低壓0.69kV，空載電流0.80%，空載損耗0.68kW，負(fù)載損耗5.68kW，短路阻抗4.0%；35kV雙分裂變壓器最大參數(shù)為：容量3150kVA，低壓0.69kV，空載電流0.40%，空載損耗1.52kW，負(fù)載損耗29.0kW，短路阻抗7.0%。

本文參考配電變壓器試驗裝置，將雙分裂變壓器試驗裝置分為三大項：絕緣試驗設(shè)備、性能試驗設(shè)備及儀器儀表。

2 絕緣試驗設(shè)備

絕緣試驗設(shè)備包括工頻試驗變壓器及沖擊電壓發(fā)生器。工頻試驗變壓器用于10～35kV雙分裂變壓器的外施耐壓試驗，沖擊電壓發(fā)生器用于10～35kV雙分裂變壓器的雷電全波沖擊及雷電截波沖擊試驗。

（1）工頻試驗變壓器的選型

從GB/T 1094.3—2017中查出，35kV雙分裂變壓器外施耐壓試驗最高試驗電壓為85kV［7］。根據(jù)實際測量，35kV雙分裂變壓器的高壓繞組對低壓繞組1、低壓繞組2及地的電容量約為10000pF，工頻試驗變壓器電容分壓器及雜散電容約2000pF，則負(fù)載電容約12000pF。試驗電流為：

式中，f=50Hz；ω=2πf=314；C=0.12μF；U=85kV。計算得I=0.32A，參考設(shè)備生產(chǎn)廠家的選型手冊，可選工頻試驗變壓器額定電流為0.5A。

工頻試驗變壓器的額定電壓為：

式中，Ut=85kV；k為長期使用系數(shù)，取k=0.3。計算得U=121kV，因此工頻試驗變壓器額定電壓可選為120kV。

因此選擇120kV/60kVA工頻試驗變壓器。

（2）沖擊電壓發(fā)生器

從GB/T 1094.3—2017中查出，35kV雙分裂變壓器雷電截波沖擊試驗電壓為220kV。35kV雙分裂變壓器入口電容約2000pF，沖擊電壓發(fā)生器的雜散電容及分壓器電容量約500pF，即負(fù)載電容約2500pF。

沖擊電壓發(fā)生器設(shè)備總電容量：

計算得C=25000pF。

沖擊電壓發(fā)生器額定電壓：

式中，Ut=220kV；k1為電壓輸出效率系數(shù)，取k1=0.9；k2=0.3為長期使用系數(shù)，取k2=0.3。計算得U=349kV，參考設(shè)備生產(chǎn)廠家的選型手冊，沖擊電壓發(fā)生器額定電壓可取400kV。

沖擊電壓發(fā)生器的額定能量：

將C=0.25μF，Ut=400kV代入式（5），得Q=20kJ。

因此選擇400kV/20kJ沖擊電壓發(fā)生器。

3 性能試驗設(shè)備

雙分裂變壓器性能試驗設(shè)備主要用于空載電流及空載損耗測量、短路阻抗及負(fù)載損耗測量、感應(yīng)耐壓試驗、溫升試驗、局部放電試驗（干式）等試驗項目。在配電變壓器性能試驗裝置的基礎(chǔ)上，增加升流變壓器回路，專用于低壓繞組1與低壓繞組2間的短路阻抗及負(fù)載損耗測量、零序阻抗測量試驗。雙分裂變壓器性能試驗裝置原理圖如圖2所示。

圖2 雙分裂變壓器性能試驗裝置原理圖

（1）電源

裝置電源為380V工頻電源，容量應(yīng)大于變頻電源容量。

（2）變頻電源

輸入電壓為380V，輸出電壓1.0kV。額定容量：

式中，Pt取試品35kV雙分裂變壓器最大總損耗=29+1.52=30.52kW；k1為溫升試驗時變比3.0kV/1.0kV=3；k2為溫升試驗時功率因數(shù)，取k2=0.8；k3為裕度，取k3=1.5。計算得P=171kW，因此取變頻電源容量200kVA。

（3）中間變壓器

試品雙分裂變壓器為三相變壓器，因此可選擇三相雙繞組變壓器作為中間變壓器。中間變壓器的低壓繞組額定電壓為1.0kV，以與變頻電源輸出相配合。試品（10～35kV雙分裂變壓器）試驗電壓范圍約為0.45～3.0kV（10kV雙分類變壓器負(fù)載試驗電壓最低約0.45kV，35kV雙分裂變壓器溫升試驗電壓約為38.5kV×6.5%×1.2=3.0kV），故中間變壓器的額定電壓可選擇為4.0kV，輸出電壓檔位設(shè)置為1.0kV/2.0kV/3.0kV/4.0kV，滿足不同試驗方式需要。

各電壓檔位用途為：1.0kV電壓檔位用于進(jìn)行10～35kV雙分裂變壓器的空載試驗及感應(yīng)耐壓試驗，10kV雙分裂變壓器的負(fù)載試驗及溫升試驗；2.0kV電壓檔位可用于進(jìn)20kV雙分裂變壓器的負(fù)載試驗及溫升試驗；3.0kV及4.0kV電壓檔位可用于進(jìn)20kV雙分裂變壓器的負(fù)載試驗及溫升試驗。

中間變壓器的額定容量與變頻電源的容量一致，取200kVA。

（4）補償電容器

補償電容器組用于短路阻抗及負(fù)載損耗測量及溫升試驗時無功補償，以降低試驗電源容量要求。溫升試驗電壓為3.0kV，考慮絕緣裕度后電容器額定電壓取4.0kV。額定電流為：

式中，I0為補償電流；可按雙分裂變壓器高壓側(cè)額定電流的1.15倍考慮。

補償容量：

式中，Uc為電容器額定電壓；Um為試驗電壓。

為滿足不同容量試品補償?shù)男枰?，補償電容器組可?。?0kvar×1組+100kvar×1組+200kvar×1組+400kvar×1組+800kvar×1組，試驗時分組投切。

（5）升流變壓器

雙分裂變壓器的低壓繞組1對低壓繞組2間的負(fù)載損耗及短路阻抗測量，該試驗項目特點為試驗電壓低、試驗電流高，如果采用中間變壓器來進(jìn)行，則中間變壓器的容量及變頻電源的容量都需要取得很大，不經(jīng)濟，因此增加升流變壓器，專用于該項目。

升流變壓器可選：三相、容量200kVA、輸入電壓1.0kV、輸出電壓/電流57.7V/2000A。

（6）測量裝置

測量裝置由高精度電壓互感器、高精度電流互感器、高精度功率分析儀組成，用于對試驗電壓、試驗電流、試驗功率進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

試驗電壓范圍為0.45～3.0kV，故電壓互感器可選額定電壓4.0kV，設(shè)置1.0kV、2.0kV、4.0kV三個電壓檔位，滿足不同項目試驗電壓測量需要。

試驗電流最大為2000A，故電流互感器可選額定電流2000A，設(shè)置10A、50A、100A、200A、1000A、2000A六個電流檔位，滿足不同項目試驗電流測量需要。

功率分析儀應(yīng)具有對平均值電壓、有效值電壓、功率因數(shù)的測量功能，以及對功率計算的功能。

4 儀器儀表

儀器儀表用于雙分裂變壓器的一些小型試驗項目，單獨依靠儀器儀表即可完成，或者用于配合雙分裂變壓器性能試驗裝置開展試驗。本部分與配電變壓器試驗系統(tǒng)一致［8］。儀器儀表詳如下表所示。

表 雙分裂變壓器試驗用儀器儀表

5 結(jié)束語

本文研究的雙分裂變壓器性能試驗裝置，適用于10～35kV風(fēng)力發(fā)電用變壓器及光伏發(fā)電用變壓器，主要由絕緣試驗設(shè)備、性能試驗設(shè)備、儀器儀表三部分組成。本文對該裝置主要試驗設(shè)備選型進(jìn)行了介紹，研究結(jié)果可為風(fēng)力及光伏發(fā)電用變壓器試驗檢測設(shè)備的設(shè)備選型提供參考。

需要注意的是，本裝置針對的是雙分裂變壓器，對于多分裂變壓器（低壓有三個繞組及以上），可參考本裝置，根據(jù)試品的實際參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。