特高壓變壓器零起升壓試驗電源探討

1、1000kV變壓器零起升壓試驗電源探討(Discussion on power supply for zero up boosting test of 1000kV transformer)摘 要：本文利用特高壓示范工程的典型特高壓變壓器技術(shù)參數(shù)，結(jié)合1000kV浙北站規(guī)劃要求，開展利用系統(tǒng)電源、調(diào)壓器電源、變頻電源進行1000kV變壓器零起升壓試驗的對比研究。ABSTRACT：This paper presents contrast studies on zero up boosting test of 1000kV transformer by using system power sup

2、ply, voltage regulator power supply and variable frequency power supply, considering typical transformer parameters of UHV demonstration project and planning scheme of 1000kV Zhebei substation.關(guān)鍵詞：1000kV變壓器 零起升壓 試驗電源KEY WORD：1000kV Transformer, Stepping up from Zero Voltage, test power supply0 概述大型電

3、力變壓器通過零起升壓試驗可檢查變壓器間隔一次、二次回路在升壓過程中的正確性，考核設(shè)備在最高運行電壓時的工作狀況，發(fā)現(xiàn)變壓器鐵芯磁路中的局部或整體缺陷，判斷繞組是否有匝間短路情況1。因此，開展1000kV變壓器的零起升壓試驗研究對校驗設(shè)備運行性能，保證電網(wǎng)投運安全和可靠性具有非常重要的意義。西北電網(wǎng)的750kV變電站調(diào)試2、1000kV交流輸電試驗示范工程的啟動調(diào)試3中均進行了零起升壓試驗，試驗采用電廠發(fā)電機作為電源，通過輸電線路與被測試變電站建立隔離小系統(tǒng)。采用系統(tǒng)電源試驗進行時，需空出發(fā)電機組及相應(yīng)線路，系統(tǒng)調(diào)度難度較大，倒閘操作頻繁易造成不利的安全影響，同時必須對零起升壓試驗可能引起的發(fā)電

4、機自勵磁問題進行計算。浙江電網(wǎng)2003年以后的500kV變電站基建調(diào)試項目中，變壓器零起升壓試驗電源均采用調(diào)壓器組電源4，避免了試驗對整個電網(wǎng)系統(tǒng)的影響，解決了用系統(tǒng)電源試驗時帶來的系統(tǒng)風(fēng)險和高成本的問題。本文應(yīng)用浙江電網(wǎng)的500kV變電站調(diào)試經(jīng)驗，結(jié)合1000kV浙北站的規(guī)劃要求，比較系統(tǒng)電源、調(diào)壓器電源和變頻電源進行1000kV變壓器零起升壓試驗的差異性，開展1000kV浙北站變壓器的零起升壓試驗電源研究。1 試驗系統(tǒng)構(gòu)成及接線零起升壓試驗是發(fā)電機組、變壓器組、線路、母線以及與之連接的相應(yīng)設(shè)備新投或事故后，通過自零電壓開始，逐步平穩(wěn)升壓，直至1.051.10倍額定電壓的升壓策略，用以檢查被

5、試設(shè)備是否存在故障，防止全電壓沖擊時設(shè)備損壞的試驗手段。變壓器零起升壓試驗，包括電源系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、被試對象三個部分組成，如圖1所示。圖1 試驗系統(tǒng)框圖(1) 電源系統(tǒng)：變壓器零起升壓試驗時，要求電源有較好的調(diào)壓特性，電壓最好能從接近零開始升壓，便于及早發(fā)現(xiàn)問題和降低操作過電壓，另外要求電源三相電壓平衡，波形為正弦波形。常用的試驗電源包括電網(wǎng)電源、同步發(fā)電機組電源和調(diào)壓器電源三類。隨著大功率變頻技術(shù)的發(fā)展，大容量變頻電源逐漸成為大型變壓器現(xiàn)場試驗的電源之一4。(2) 測量系統(tǒng)：對于單相變壓器，可采用單瓦特表接線方式進行零起升壓試驗；對于三相變壓器，可采用兩瓦特表法或者三瓦特表接線方式進行零起升

6、壓試驗。(3) 被試設(shè)備：變壓器零起升壓試驗時，在被試三相變壓器出現(xiàn)問題或沒有合適的電源時，可進行三相變壓器的單相試驗；單相變壓器在容量允許的情況下，可聯(lián)接成三相，進行三相零起升壓試驗。2 試驗電源的影響因素試驗電源的容量由兩個因素決定，一個是由變壓器空載電流決定的電源容量，可以由下式計算：S0=0.01×I0×Sn (1)式中 S0由空載電流算出的空載試驗電源容量，kVA I0變壓器的空載電流，% Sn被試變壓器額定容量，kVA另外一個因素是波形畸變要符合要求，試驗時平均值電壓表為準的讀數(shù)U'和以方均根值電壓表的讀數(shù)U之差小于3%，即d=(U'-U)/U&

7、#39; (2)當變壓器任意一側(cè)繞組上施加正弦波形的額定電壓時，在變壓器鐵芯中產(chǎn)生的磁通為正弦波形，但由于鐵芯磁化曲線是非線性的，所以空載電流的波形是非正弦的。非正弦波形空載電流的存在造成試驗電源輸出電壓波形的畸變，尤其是當電源輸出電壓較低或電源容量不足時，電壓波形的畸變更為嚴重。加大試驗電源容量可降低空載電流對試驗電源輸出電壓波形的影響程度。根據(jù)經(jīng)驗，試驗電源的容量取4S0，以保證波形畸變滿足要求6。同樣，降低試驗時容性電流的大小也可減弱非正弦空載電流對試驗電源輸出電壓波形的影響，能以較小容量的試驗電源輸出很好的電壓波形。在試驗時，變壓器功率因數(shù)COS一般都很低，即電流以容性電流為主，阻性電

8、流很小。在試驗時如果能夠提供一感性電流來補償空載電流中的容性分量就可大幅降低通過試驗電源的電流，從而降低所需試驗電源容量。為保證補償效果，電感電流應(yīng)盡量接近于變壓器空載時容性電流分量，即補償電感的感性無功等于變壓器容性電流產(chǎn)生的容性無功。3 1000kV浙北變電站的基本參數(shù)皖電東送淮南-上海1000kV輸變電工程是國家電網(wǎng)特高壓骨干網(wǎng)架的重要組成部分，工程起于擬建的安徽淮南變電站、經(jīng)安徽皖南站、浙江浙北站，止于上海滬西站。在全國特高壓電網(wǎng)規(guī)劃中，浙江和福建電網(wǎng)的受電將依靠浙北站同系統(tǒng)的聯(lián)系，浙北站為重要的樞紐變電站7。浙北變電站主變壓器形式選擇為單相、油浸、自耦、無載調(diào)壓變壓器，額定容量為3&

9、#215;（1000/1000/334）MVA，電壓比為10503/5203±2×2.5%/110kV，因浙北站處于初步設(shè)計階段，變壓器的具體參數(shù)未明確，研究涉及空載電流和空載損耗數(shù)據(jù)參照荊門變與晉東南1000kV變壓器2，分別選取0.06%和185kW，變壓器結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 晉東南變電站1000kV變壓器結(jié)構(gòu)圖1000kV出線：4回，至皖南站2回、滬西站2回；500kV出線：4回，至杭北變2回、妙西變2回；110kV側(cè)沒有出線。4 試驗電源研究4.1 電網(wǎng)電源采用電網(wǎng)系統(tǒng)作為零起升壓試驗電源，可滿足試驗電源容量及波形畸變率的要求，零升時三相變壓器同時進行。試驗電源直

10、接來源于電網(wǎng)，需空出相應(yīng)電壓等級的發(fā)電機組與一條或數(shù)條輸電線路，數(shù)個變電站，最終形成獨立的零起升壓試驗系統(tǒng)。采用此種方式進行零起升壓試驗，需要承擔較大的代價，具體分析如下。1) 110kV側(cè)電網(wǎng)提供電源根據(jù)規(guī)劃，110kV側(cè)無電源進線，不能作為1000kV變壓器零起升壓試驗的電源。2) 500kV側(cè)電網(wǎng)提供電源根據(jù)規(guī)劃，試驗無500kV電廠發(fā)電機組可直接作為試驗電源，需借助其它500kV變電站接入。(1)利用天荒坪抽水蓄能電站發(fā)電機組作為電源利用天荒坪抽水蓄能電站發(fā)電機組作為試驗電源，升壓至500kV經(jīng)天瓶5405或5406線瓶窯變瓶和5411線仁和（杭北）變杭北變二回線路至1000kV浙北變

11、電站，具體接線如圖3所示。試驗獨立小系統(tǒng)涉及500kV電廠一座、500kV變電站兩座、1000kV變電站一座，線路總長約120kM。(2)利用嘉興發(fā)電廠二期發(fā)電機組作為電源利用嘉興電廠二期發(fā)電機組作為試驗電源，升壓至500kV經(jīng)嘉王5418或5417線王店變含店5436線或王含5435線含山變含山至妙西線路妙西變妙西變二回線路至1000kV浙北變電站，具體接線如圖4所示。試驗獨立小系統(tǒng)涉及500kV電廠一座、500kV變電站三座、1000kV變電站一座，線路總長約120kM。根據(jù)上述分析可知，無論采用天荒坪抽水蓄能電站還是采用嘉興發(fā)電廠二期發(fā)電機組作為電源，試驗工作涉及范圍均較廣，影響變電站和

12、線路眾多，無論從經(jīng)濟及安全角度分析，上述兩種方式代價均較大。3) 1000kV側(cè)電網(wǎng)提供電源如采用1000kV作為試驗電源，無1000kV電廠發(fā)電機組可以直接作為試驗電源，需借助其它1000kV變電站接入，涉及范圍更廣，安全難度更大，經(jīng)濟效益更差。 圖3 天荒坪抽水蓄能電站作為電源的接線圖 圖4 嘉興電廠二期作為電源的接線圖4.2 調(diào)壓變壓器采用調(diào)壓變壓器進行1000kV變壓器的零起升壓試驗，包括站用變電源、調(diào)壓變壓器和升壓變壓器。為防止單相變壓器零起升壓試驗時易產(chǎn)生的三相電源不平衡，一般進行三相零起升壓試驗，電源從110kV側(cè)接入，接線如圖5所示。圖5 調(diào)壓變壓器作為電源的接線圖利用式1，估

13、算試驗所需的電源容量約為1800kVA，考慮4倍裕度，所需容量為7200kVA，上述容量要求的升壓變壓器和調(diào)壓變壓器將極難生產(chǎn)。如采用電感補償法減少容量，所需試驗電源容量也將達到2220kVA，設(shè)計時即使按2000kVA考慮，調(diào)壓器及升壓變壓器的體積及重量均不利于現(xiàn)場調(diào)試使用。如減少試驗設(shè)備的容量，將影響試驗波形，導(dǎo)致試驗結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。(1) 調(diào)壓變壓器：2000KVA的調(diào)壓器雖然可以生產(chǎn)，但試驗設(shè)備的整體體積及重量將極不方便運輸及試驗現(xiàn)場吊裝。(2) 升壓變壓器：1000kV變壓器低壓側(cè)額定電壓為110kV，對應(yīng)最高運行電壓的低壓側(cè)電壓為110×1.1121kV，取額定電壓12

14、5/0.4kV的試驗變壓器能滿足試驗要求，另外從散熱和經(jīng)濟上的因素綜合考慮，選擇油浸式的試驗變壓器，整體重量將大于30噸。(3) 補償電抗器補償電抗器補償電流應(yīng)為：IL=Inc=Ina2-(P0Uab)2 (3)式中 Ina低壓側(cè)的空載相電流，A Inc需要補償?shù)娜菪噪娏?，A P0被試變壓器空載損耗，kW Uab低壓側(cè)的額定電壓，kV約為5.19A，考慮1.2倍裕量，補償電抗器的額定電流按8A選取，額定電壓參考升壓變電壓為125kV，則電抗器額定容量為125kV×8A=1000kVA。根據(jù)以上分析，設(shè)備配置如表2所示。表2 主要設(shè)備配置參數(shù)設(shè)備名稱參數(shù)調(diào)壓變壓器升壓變壓器補償電抗器型

15、式油浸接觸式油浸式油浸式額定容量2000kVA2000kVA1000×3kVA額定電壓400V/0400V125/0.4kV125kV相數(shù)三相三相單相頻率50Hz50Hz50Hz總重量20噸以上30噸以上2×3噸4.3 變頻電源采用變頻電源進行零起升壓試驗，一般包括站用變電源、變頻電源柜、升壓變壓器和補償電抗器。電源從低壓側(cè)(110kV)接入，為減少試驗電源容量，采用單相零起升壓的方式對1000kV變壓器進行試驗。試驗電源的接線如圖7所示。ST站用變 G-無局放變頻電源 T-升壓變壓器L-補償電抗器T1-被試變圖7 變頻柜作為電源的接線圖（以A相為例）利用式1，可以估計所需

16、的試驗電源容量約為600kVA，考慮4倍裕度，大約為2400kVA，遠小于采用調(diào)壓器和系統(tǒng)電源所需的容量。利用補償電感進一步減少電源容量，所需電源容量約為740kVA，設(shè)計時按800kVA考慮。(1) 變頻電源：根據(jù)試驗系統(tǒng)對于電源容量的要求，采用800kVA變頻電源。電源額定輸入電壓：380V，三相；輸出電壓范圍：0350V；輸出頻率：20300Hz；額定容量：400kVA×2。(2) 升壓變壓器：升壓變高壓側(cè)額定電壓選取125kV。低壓側(cè)電壓考慮變頻電源，選取350V。從散熱和經(jīng)濟上的因素綜合考慮，選擇油浸式的試驗變壓器，升壓變壓器的容量為配合變頻電源選用800kVA。(3) 補

17、償電抗器因為試驗單相進行，選用一臺補償電抗器可滿足試驗要求，補償電抗器的容量參考調(diào)壓變壓器電源的方式配置。按照上述方案設(shè)計，升壓變壓器重量及體積可滿足運輸及吊裝需要。設(shè)備配置如表3所示。表3 主要設(shè)備配置參數(shù) 設(shè)備名稱參數(shù)變頻電源升壓變壓器補償電抗器型式推挽放大式油浸式油浸式額定容量2×400kVA800kVA1000kVA額定電壓0350V125/0.35kV125kV相數(shù)三相/單相單相單相頻率50Hz/20300Hz50Hz50Hz總重量3噸<5噸2噸4.4 比對分析綜上所述，采用上述三種方式作為1000kV變壓器零起升壓試驗的試驗電源，各有優(yōu)劣，具體分析如表4。從表中可以

18、看出，考慮零起升壓試驗的經(jīng)濟性和安全性，采用變頻電源作為1000kV變壓器零起升壓試驗的電源是一個較為合適的選擇。表4 零起升壓試驗方案比較 方案比較項目系統(tǒng)電源調(diào)壓器電源變頻電源涉及系統(tǒng)范圍數(shù)條輸電線路及變電站涉及特高壓變電站的站用電源涉及特高壓變電站的站用電源系統(tǒng)危險性較大一般一般試驗工作量較大一般一般所需電源容量較大次之較小試驗電源運輸不需要難度較大難度不大被試設(shè)備范圍三相三相或單相單相補償不需要補償需要補償需要補償5 結(jié)論及建議(1) 本文利用特高壓示范工程的典型技術(shù)參數(shù)，結(jié)合1000kV浙北站規(guī)劃，開展了采用系統(tǒng)電源、調(diào)壓器電源和變頻電源進行特高壓變壓器零起升壓試驗的研究，確定了采用上述三類方式進行試驗的設(shè)備選型和試驗要求。(2) 對比分析了上述三類方式進行特高壓變壓器零起升壓試驗的優(yōu)缺點，認為采用變頻電源的方式可有效解決試驗電源容量的問題，提高變壓器零起升壓試驗的經(jīng)濟性和安全性。(3) 由于1000kV浙北站特高壓變壓器參數(shù)未明確，本文選用技術(shù)參數(shù)來源于示范工程，相關(guān)計算結(jié)果在應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)1000kV浙北站特高壓變壓器的參數(shù)進行校核。參考文獻1 吳錦華 谷小博. 500kV變電所零起升壓試驗方法的研究應(yīng)用J.變壓器. 2005.02.Vol42 No2.pp510.