基于無功補償技術(shù)在牽引變壓器負載試驗的失效分析及算法修正

湖南潤偉智能機器有限公司 李旭雅 劉 頌 左漢權(quán)

1 牽引變壓器負載試驗介紹

牽引變壓器負載試驗實現(xiàn)方式：根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗時使被試變壓器一側(cè)短路，從另一側(cè)繞組外加額定頻率50Hz 的電壓，測量各繞組通過額定電流時的損耗以及短路阻抗電壓。當(dāng)試驗品額定電流較大，難以通過額定電流時，可測量通過額定電流50%以上的低電流，短路阻抗與電流成比例，負載損耗與電流的平方成比例，從而分別換算出額定電流下的值[1]。

進行負載試驗時，所需試驗容量是滯后無功，在中間變壓器的高壓側(cè)投入電容補償裝置進行無功補償，此時通過中間變壓器的電流是被試變壓器的落后無功和電容器的超前無功的相量之和，需要的中間變壓器容量最小，可以減少試驗占地空間和成本預(yù)算。試品參數(shù)、負載試驗參數(shù)分別見表1、見表2。

表2 負載試驗參數(shù)

2 試驗過補償失效分析及修正

短接所有副邊，試驗時先投入需要的電容器組，再接通被試品回路，調(diào)節(jié)前端調(diào)壓器，使電壓從零位開始以一定的速度均勻上升。當(dāng)被試品原邊電流達到額定電流的50%，停止升壓，記錄此時的電壓值，原理如圖1所示。

圖1 負載試驗原理

投入任何單路電容器或其并聯(lián)組合均顯示異常，或是無法正常升壓，或是調(diào)壓器發(fā)出極大噪聲。

投入3組240kVar 電容器，調(diào)節(jié)調(diào)壓器升壓，升壓速度明顯偏低，調(diào)壓電機顯得負荷較大，需要給定較高頻率才能夠正常運轉(zhuǎn)。電壓從0V 升至600V過程中，調(diào)壓器無明顯噪聲，電流隨著電壓升高逐漸增大[2]。電壓從600V 繼續(xù)往上升，噪聲明顯變大，當(dāng)電壓升至2100V，電流至50A 時，調(diào)壓器噪聲極大，停止試驗。關(guān)鍵部件參數(shù)見表3。

表3 關(guān)鍵部件參數(shù)

經(jīng)分析，出現(xiàn)該現(xiàn)象原因為過補償，需要對電容器容量及容值進行重新計算。

3 算法修正

無功由被試變壓器的電感引起的電流滯后電壓產(chǎn)生，因此需要電容器的電流超前電壓的特性進行補償，補償?shù)娜菪詿o功功率的大小由感性無功的大小決定[3]。

被試變壓器產(chǎn)生的無功功率Q1，內(nèi)阻產(chǎn)生的有功功率確定補償前的功率因數(shù)cosθ1，然后根據(jù)預(yù)設(shè)補償后的功率因數(shù)和計算出的補償前的功率因數(shù)cosθ2，算出需要補償?shù)娜菪詿o功功率Q2，進而可以計算出電容值C 和補償電流I。

當(dāng)負載試驗分為多個項點時，對每一個試驗項點進行如下計算。

確定被試變壓器短路后等效電感L，通過該值計算出被試變壓器在試驗電壓條件下產(chǎn)生的無功功率：

確定出被試變壓器短路后純阻性或接近阻性部分等效阻值R，通過該值計算出被試變壓器在試驗電壓條件下產(chǎn)生的有功功率：

補償前的功率因數(shù)：

設(shè)定補償后的功率因數(shù)，需補償?shù)臒o功功率：

所需電容容值：

電容補償電流：

值得注意的是，根據(jù)試驗經(jīng)驗，試驗時電壓從低壓上升到額定測試電壓，這個過程中的無功和有功都在變化，并且考慮到電容器通常存在±10%誤差，為避免調(diào)壓過程中出現(xiàn)過補償現(xiàn)象(容性無功的危害高于感性無功)，預(yù)設(shè)目標(biāo)功率因數(shù)宜取0.85～0.95。

4 電容器選型

選擇電容器時，建議選擇市面上的常規(guī)型號，可縮短采購周期，節(jié)約成本。當(dāng)負載試驗分為多個項點時，不同項點的需求容量不同，則需要選擇多組并聯(lián)，每組可單獨投切的方案。選型時還應(yīng)考慮理論與實際的偏差，預(yù)留一定調(diào)整空間，因此建議將容量進行細分，選取多組小容量電容器并聯(lián)，在調(diào)試過程中根據(jù)實際補償效果調(diào)整投入數(shù)量[4]。

通過最高的試驗電壓選擇電容器的額定電壓，高出試驗電壓1.2～1.5倍為宜。負載試驗過程采用調(diào)壓器從零位升至目標(biāo)電壓的方法，若電容器額定電壓剛好等于試驗電壓，一旦調(diào)壓器升壓程序不完善，電容器將面臨過壓的風(fēng)險；若額定電壓過高，將導(dǎo)致所需容量增大，造成不必要的成本浪費；若額定電壓低于試驗值，試驗時電容器將面臨擊穿危險。

利用所需電容值C 與額定電壓，計算出額定容量，不同試驗項點均計算一次。

合理選取n 臺常規(guī)容量的小電容器進行并聯(lián)，每個試驗項點都能在其中找到一個接近需求的組合容量，并且可以適度減少容量為宜。確定額定電壓以及額定容量，則電容器型號被確定。將選型后的參數(shù)代入公式，計算升壓變壓器電流：

當(dāng)升壓變壓器電流值小于升壓變壓器額定電流時，則證明選型正確。

5 試驗效果

經(jīng)修正計算后，重新選定3臺60kVar（C1/C2/C3）和4臺200kVar（C4/C5/C6/C7）的電容器，其連接原理如圖2所示。

圖2 修正計算后電容器原理

實際連接被試變壓器測試時，試驗電壓從0V 升至5274.2V 后，試驗電流為126.1A，功率為52330.9W，整個試驗過程中均未出現(xiàn)明顯的異常噪聲，該試驗數(shù)據(jù)均滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗工藝界面如圖3所示。

圖3 試驗工藝界面

6 結(jié)語

電容器在電路中屬于被動元件，電容值是其固有特性，不隨外界電源狀態(tài)的變化而發(fā)生改變。故而計算選型時，首要目標(biāo)是算出需求電容值。容性無功的危害高于感性無功，補償時不宜多。所以選擇電容器組合方案時，最好使每種試驗項點都能實現(xiàn)10%～20% 容量的刪減，如此，可以大幅提升方案可靠性。一般采用電動開關(guān)實現(xiàn)電容器自動投切，例如本文所選取的高壓真空接觸器。設(shè)計時應(yīng)綜合考慮成本、布局空間等因素，不宜給每路電容器設(shè)置單獨的投切開關(guān)。