變壓器空載電流非線性變化原因研究

羅明才,馬 進 ,劉 磊,徐會凱

(1.國網四川省電力公司自貢供電公司,四川 自貢 643000; 2.國網四川省電力公司廣元供電公司,四川 廣元 628000;3.成都理工大學核技術與自動化工程學院,四川 成都 610059)

0 引 言

變壓器空載試驗是判斷變壓器鐵芯有無故障的重要試驗。空載試驗時一般采用低壓側加壓,試驗電壓通過調壓器從0均勻升高至規定試驗電壓[1-3]。在此過程中,部分變壓器空載電流呈現先升后降再升,并在試驗電壓接近規定試驗電壓時出現陡增的現象。許多文獻認為空載電流隨試驗電壓升高而下降現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中,變壓器內部電容電流很小,不足以使空載電流產生明顯變化,因此需對低容量高電壓變壓器空載電流非線性變化的原因具體分析。

針對上述問題,下面以一臺35 kV三相雙繞組變壓器為試驗對象,通過改變調壓器接線方式改變輸入電壓不平衡度進行空載試驗,分析論證所提低容量高電壓變壓器在試驗電壓升壓過程中變壓器空載電流非線性變化的原因,并提出空載試驗的改進措施。

1 問題分析

以一臺1990年1月出廠的型號為S7-50/35/0.4的電力變壓器為試驗對象,研究變壓器空載電流非線性變化的原因。變壓器聯結組標號為Yyn0,額定空載損耗為270 W,額定負載損耗為1060 W,阻抗電壓為6.21%,額定電流為0.824 A/72.1 A。

空載試驗時采用低壓側加壓,通過三相調壓器從0加壓至400 V額定電壓,試驗接線如圖1所示,調壓器中性點與電源側和變壓器側中性點均相接。

圖1 空載試驗接線

由于試驗方法為三相空載試驗,試驗電壓值以三相線電壓平均值為準,測得空載電流和各相電流曲線如圖2所示。由圖2曲線可知在試驗電壓為20 V到260 V的區間里,隨著試驗電壓升高空載電流出現了明顯的先降后升的非線性變化現象,與理論值有明顯偏差[1]。目前絕大多數文獻認為這是電容電流的平衡作用使得空載電流出現了上述現象[4-6],但仍需對變壓器空載試驗電流成分進行具體分析。

圖2 初次試驗空載電流變化曲線

在空載試驗時,由于變壓器工作在低功率因數狀態,空載電流以滯后于施加電壓近90°的感性電流為主。采用功率分析儀測得空載試驗電流成分如圖3所示。電感電流IL會隨著試驗電壓的升高而升高,當接近額定電壓UN時,IL會出現非線性的陡增現象;而電容電流IC與試驗電壓為線性關系。變壓器空載功率因數很低,電流有功分量較小,無功分量較大。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°。空載試驗過程中電流是呈現感性的[7-8],所以有I空載≈IL-IC。當設備電容值偏大時,在升壓過程中會由于IC平衡IL的作用[9],出現隨著試驗電壓升高空載電流不增反降的現象,如圖3中藍色曲線所呈現。

圖3 空載試驗電流成分

為了驗證上述解釋,使用KD6800自動抗干擾精密介損測量儀分別對變壓器的繞組間電容及介質損失角正切值進行了測量,數值如表1所示。

表1 變壓器繞組間電容量數據

通過表1的數據對試驗電壓為100 V(即低壓繞組對地電壓UL-g為100 V)時變壓器空載狀態下內部電容電流進行粗略估算[10]。

1) 根據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)低壓繞組對地電容值CL-g

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

3)流過低壓繞組的電容電流IL-Hg

IL-Hg-UL-gωCL-g+UL-HωCH-L=0.001 A

對變壓器的繞組間電容值進行測量,采用低壓側短接加壓、高壓側短接接地的方式。相當于低壓側整個繞組處在同一高電位,高壓繞組電位為0。但空載試驗時,低壓側繞組與高壓繞組上的電位分布均自上而下降低,電位在中性點處近似為0,因此繞組間電容電流大小也應小于此計算值,且此測量法測量的電容值為三相總電容值,單相電容電流應小于估算值的三分之一,即小于0.3 mA。根據實驗數據可知,100 V時空載電流最低為0.168 A,0.3 mA的電容電流應不足以使空載電流產生如圖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。

空載試驗電源大多為三相調壓電源,并非絕對的三相平衡,勢必存在零序電流。故通過在中性線上串入電流表來檢測變壓器中性點電流,試驗接線如圖4所示,調壓器中性點與電源側和變壓器側中性點均接地。

圖4 測量中性點電流的試驗接線

通過測量,獲得在升壓過程中中性點電流的變化曲線,如圖5所示。

圖5 中性點電流變化曲線

對比圖5和圖2,發現空載電流變化曲線與零序電流變化曲線具有一致性。初步推測零序電流的非線性變化才是導致空載電流出現下降現象的主要原因。

2 試驗驗證

導致零序電流的因素有很多,包括變壓器輸入電壓的不平衡、三相負載的不平衡等都會導致零序電流的出現[11-12]。因此對10 ～260 V電壓區間空載運行的調壓器三相不平衡度進行測量,三相不平衡度變化曲線如圖6所示。

圖6 調壓器三相不平衡率變化曲線

通過圖6曲線可知所用自耦式調壓器三相輸出試驗電壓不平衡率最大超過了10%,使輸出的三相電壓幅值差異大,這會導致零序電流較大。

為驗證零序電流是空載電流下降的主要因素,將變壓器側中性點懸空進行空載試驗。試驗接線如圖7所示,試驗數據如圖8所示。

圖7 中性點懸空時空載試驗接線

圖8 中性點懸空時空載電流變化曲線

根據圖8數據可知,將中性點斷開后零序電流無法流通,空載電流整體變化曲線正常,并未出現先升后降的情況,且各相空載電流相較于中性點接地時的數據,幅值均大幅下降。因此基本確定零序電流是導致空載試驗電流非線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。為便于進一步驗證所提推測,選擇將試驗電壓幅值調到三相一致,在一定程度上降低零序電流的幅值。因此將試驗電源重新設計,將共同調節幅值的三相調壓器更換為三個并聯的、可以單獨調節幅值的單相調壓器,試驗接線如圖9所示,使三相試驗電壓幅值趨于一致,盡可能降低零序電流。

圖9 單相調壓器并聯加壓空載試驗接線

同樣以調壓器輸出電壓20 ～260 V之間的試驗數據進行對比。三相試驗電壓平衡后測得的空載電流的變化曲線如圖10所示。

圖10 三相試驗電壓平衡后空載電流變化曲線

由于測量空載電流時數據波動,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。由圖11中空載電流曲線的總體趨勢可知,隨著試驗電壓的升高空載電流隨之升高,在此試驗電壓區間中,沒有出現空載電流隨試驗電壓升高下降的現象。并且,在試驗電壓為250 V時,三相空載電流平均值由三相試驗電壓不平衡時的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

三相試驗電壓平衡后測得的中性點電流變化曲線如圖12所示。

圖12 三相平衡電壓后中性點電流變化曲線

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

另外,由于在進行試驗升壓過程中電壓并非定值,且低于額定電壓,變壓器磁心并未工作在飽和區,磁路中的主磁通隨試驗電壓的升高而隨之變化[20],進而導致激磁阻抗也隨之變化。對空載試驗來說,激磁阻抗為主要負載[21],此處激磁阻抗變化也就意味著負載變化,而這個激磁阻抗的變化可能也是導致零序電流出現的原因。

3 結 論

1)通過空載試驗數據分析及試驗驗證,在低容量高電壓變壓器電壓三相不平衡且中性點接地的情況下出現的空載電流隨試驗電壓先升后降再升現象,可能是試驗電壓三相不平衡導致的零序電流造成的,而非電容電流。

2)對于聯結組別為Yyn0的電力變壓器進行空載試驗時,應注意調壓器試驗電壓三相不平衡問題,若三相電壓不平衡嚴重,為提高空載電流試驗準確性,建議采取中性點懸空的接線方式進行空載試驗。

3)對大容量變壓器空載電流測試時出現的空載電流隨試驗電壓先升后降再升現象是否電容電流或零序電流造成仍需進一步試驗研究驗證。