220kV電力變壓器感應(yīng)耐壓試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算分析與運(yùn)用

摘要：變壓器感應(yīng)耐壓試驗(yàn)是電力系統(tǒng)在交接試驗(yàn)、預(yù)防性試驗(yàn)中大型且重要的診斷試驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目可以很好地考核設(shè)備的絕緣水平，是設(shè)備能否合格投入運(yùn)行的重要依據(jù)。文章從理論的角度對220kV變壓器在試驗(yàn)過程中的繞組電壓分布關(guān)系、功率構(gòu)成等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，并通過現(xiàn)場實(shí)際的參數(shù)測量值來驗(yàn)證理論計(jì)算值。

關(guān)鍵詞：變壓器；分級絕緣；感應(yīng)耐壓；參數(shù)計(jì)算；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號：TM855 文章編號：1009-2374（2015）33-0042-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.33.023

由于電力系統(tǒng)中運(yùn)用的220kV變壓器大多都是分級絕緣結(jié)構(gòu)，中性點(diǎn)絕緣水平低于線端，造成不能同時(shí)對變壓器繞組連同套管按線端絕緣水平進(jìn)行施加交流電壓。在進(jìn)行外施交流耐壓時(shí)只能按照中性點(diǎn)絕緣水平進(jìn)行，這樣線端電壓就遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。感應(yīng)耐壓試驗(yàn)是從變壓器二次側(cè)繞組采用自激法加壓，利用變壓器自身使用特性，一次側(cè)會(huì)感應(yīng)和匝數(shù)成正比的高電壓，有效地解決了繞組線端絕緣水平試驗(yàn)電壓的問題，同時(shí)考驗(yàn)了變壓器的對地絕緣和匝間絕緣水平。

1 工程概況

220kV某變電站擴(kuò)建的220/115/21kV主變作為電網(wǎng)改造的試點(diǎn)工程，首次采用變低21kV輸出，打破了電力系統(tǒng)網(wǎng)內(nèi)傳統(tǒng)10kV輸出的慣例，相應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)也隨之更改。感應(yīng)耐壓試驗(yàn)作為此次驗(yàn)收項(xiàng)目的重要一項(xiàng)，試驗(yàn)前做好充分技術(shù)計(jì)算分析，是試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵因素。

1.1 被試變壓器主要參數(shù)

型號：SFSZ11-240000/220，額定電壓：SFSZ11-240000/220，額定容量：240（MVA），額定電壓：220（±8×1.5%）/115/21kV，額定電流：629.8/1204.9/3299.1（A），聯(lián)結(jié)組別：YNynod11，空載損耗：85.4（kW），空載電流：0.048（%），絕緣水平：HV：線端LI950AC395/中性點(diǎn)LI400/AC200（kV）；MV：線端LI480AC200/中性點(diǎn)LI325AC140（kV）；LV：LI125AC55（kV）。

1.2 試驗(yàn)儀器參數(shù)

（1）變頻電源（WJFY-F300，1臺(tái)），輸入電壓：380V/50Hz，輸出：0～350V/0～857A，功率：300kW，頻率調(diào)節(jié)范圍：30～300Hz；（2）勵(lì)磁變（WJFB-L300，1臺(tái)），300kVA，輸入：（320V、360V、400V、440V）×2組/0～857A，頻率：30～300Hz，高壓輸出：35kV/4.3A×2組；（3）補(bǔ)償電抗器（WJFL-B350/35，2臺(tái)）：額定電壓：35kV/15A，頻率20～300Hz，電感量：3.7H/525kVA。

2 變壓器感應(yīng)耐壓的基本要求

根據(jù)《電氣電氣裝置安裝工程 電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50150-2006）和《電力變壓器 第3部分 絕緣水平、絕緣試驗(yàn)和外絕緣空氣間隙》（GB 1094.3-2003）要求，變壓器感應(yīng)耐壓試驗(yàn)時(shí)，為防止鐵芯飽和及勵(lì)磁電流過大，試驗(yàn)電壓的頻率應(yīng)適當(dāng)大于額定頻率。因?yàn)槿粼陬~定頻率下，在試品一側(cè)施加大于其額定電壓的試驗(yàn)電壓，鐵芯磁密將與電壓成正比增加，當(dāng)外施電壓約為1.2倍額定電壓時(shí)，鐵芯磁密將達(dá)到飽和，使得空載電流急劇增加。由變壓器的電磁感應(yīng)原理可知，感應(yīng)電動(dòng)勢為：E=4.44fNBS=kfB，所以B=E/kf。

式中：E為感應(yīng)電動(dòng)勢；f為電源頻率；N為繞組匝數(shù)；B為磁通密度；S為鐵心截面積；k為常數(shù)（k=4.44NS）。

由以上公式可見，鐵心磁通密度與外施電壓成正比，與電源頻率成反比。因此，當(dāng)外施電壓增大一倍時(shí)，若要保持鐵心磁通密度不變，電源頻率也要相應(yīng)增大一倍，所以對變壓器必須進(jìn)行二倍頻以上的感應(yīng)耐壓。根據(jù)市場現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備情況，感應(yīng)耐壓試驗(yàn)的電源常常采用可調(diào)倍頻電源。接線方式使用低壓單相勵(lì)磁感應(yīng)接線，逐相進(jìn)行試驗(yàn)。

標(biāo)準(zhǔn)要求：除非另有規(guī)定，當(dāng)試驗(yàn)電壓頻率等于或小于2倍額定頻率時(shí)，全電壓下試驗(yàn)時(shí)間為60s；當(dāng)試驗(yàn)電壓頻率大于2倍額定頻率時(shí)，全電壓下試驗(yàn)時(shí)間為：120×額定頻率/試驗(yàn)頻率（s），但不少于15s。

3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 試驗(yàn)條件

被試變壓器組裝完畢后，真空注油后應(yīng)靜置48小時(shí)以上。變壓器高低壓側(cè)所有一次線與外部連接線拆除，所有套管電流互感器二次端子全部短路接地；變壓器的現(xiàn)場常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目全部完成，如絕緣電阻、吸收比（極化指數(shù)）、介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）、直流電阻、電壓比、直流耐壓、繞組連同套管交流耐壓（按中性點(diǎn)絕緣水平）等，試驗(yàn)結(jié)果均符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；變壓器外殼與鐵芯應(yīng)可靠接地；滿足以上試驗(yàn)條件后進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)接線

圖1 變壓器感應(yīng)耐壓試驗(yàn)接線圖

因?yàn)樽儔浩魇欠旨壗^緣的變壓器，高壓側(cè)繞組絕緣水平為395kV，高壓側(cè)繞組中性點(diǎn)絕緣水平為200kV，絕緣水平相差195kV。中壓側(cè)繞組絕緣水平為200kV，中壓側(cè)繞組中性點(diǎn)絕緣水平為140kV，絕緣水平相差60kV，所以不能按繞組線端絕緣水平采取外施交流耐壓的方法，對高壓側(cè)和中壓側(cè)進(jìn)行試驗(yàn)，只能采用單相感應(yīng)耐壓進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，高壓繞組對地電壓按395*0.8=316kV進(jìn)行，中壓繞組對地電壓按200*0.8=160kV進(jìn)行，試驗(yàn)采用國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)接線方式，感應(yīng)耐壓試驗(yàn)接線如圖1所示。

4 試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算分析

4.1 感應(yīng)耐壓試驗(yàn)電壓計(jì)算

試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將變壓器有載分接開關(guān)調(diào)至1檔，高壓側(cè)此時(shí)額定電壓為246.4kV，這樣就可以使試驗(yàn)時(shí)變壓比最大，從而更容易獲得高電壓，以A相為例：

4.1.1 變比計(jì)算：

高、低壓變比K1=246.4//21=6.77

中、低壓變比K2=115//21=3.16

4.1.2 感應(yīng)耐壓試驗(yàn)電壓計(jì)算：

根據(jù)變壓器感應(yīng)耐壓時(shí)的電壓向量圖，如圖2所示，當(dāng)高壓繞組A相線端對地達(dá)到試驗(yàn)電壓316kV時(shí)，此時(shí)中性點(diǎn)電壓UO=1/3UA=105.3kV，相電壓UAO=UA-UO=316-105.3=210.7kV。

低壓側(cè)電壓：Uac=210.7/K1=210.7/6.77=31.1kV；中壓側(cè)相電壓：UAmom=Uac×K2=31.1×3.16=98.3kV；中壓側(cè)對地電壓：UAm=1.5×UAmom=1.5×98.3=147.5kV。

圖2 變壓器感應(yīng)耐壓時(shí)的電壓向量圖

所以低壓側(cè)在Uac達(dá)到激發(fā)電壓31.1kV時(shí)，高壓繞組A相線端對地就可以達(dá)到試驗(yàn)電壓316kV，中壓繞組A相線端對地就可以達(dá)到試驗(yàn)電壓147.5kV，中壓側(cè)雖略低于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電壓160kV，根據(jù)就高原則，此時(shí)也能達(dá)到感應(yīng)耐壓試驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)。

4.1.3 勵(lì)磁電壓計(jì)算：

勵(lì)磁變變比：K=70/0.44=159.1

勵(lì)磁變低壓側(cè)電壓：U=31100/159.1=195V

4.2 試驗(yàn)電源功率計(jì)算

4.2.1 有功功率計(jì)算（按150Hz計(jì)算）：

有功損耗計(jì)算以被試變壓器的空載損耗為依據(jù)，并按各鐵芯段分別計(jì)算，將空載損耗按鐵芯段數(shù)平均，三柱式鐵芯共分7段（3柱和4段鐵），每段損耗為總損耗的1/7。

（kW）

試驗(yàn)時(shí)各段鐵芯損耗取決于磁通密度和頻率，即：

由于，得全磁通時(shí)各段鐵芯損耗為：

半磁通時(shí)各段鐵芯損耗為：

總體有功損耗為各段損耗之和，即，匝間電壓倍數(shù)，冷軋硅鋼片取m=1.6，n=1.9。

（kW）

（kW）

（kW）

4.2.2 電容功率計(jì)算：

繞組A相容性功率為：

4.2.3 感性功率計(jì)算：

感性無功功率與感應(yīng)電壓的倍數(shù)成正比，與頻率倍數(shù)成反比，即：

4.2.4 總功率及輸入電流計(jì)算：

（kVA）

被試變壓器低壓側(cè)的試驗(yàn)電壓為，則輸入電

流為：

（A）

4.2.5 采取電感補(bǔ)償：

被試變壓器容性無功為Q=469-21=448（kvar），假設(shè)變頻電源提供40%的總功率為448*40%=179kVA，要補(bǔ)償?shù)臒o功為448-179=269（kvar）

（A）

（A）

補(bǔ)償后總功率及輸入電流計(jì)算：

（kVA）

被試變壓器低壓側(cè)的試驗(yàn)電壓為，則輸入電流為：

（A）

至此，試驗(yàn)參數(shù)已基本掌握，按以上計(jì)算根據(jù)試驗(yàn)單位現(xiàn)有的電抗器，選用一個(gè)35kV、15A、3.7H/525kVA的電抗器進(jìn)行并聯(lián)補(bǔ)償就能滿足要求。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按照以上數(shù)據(jù)計(jì)算，此次感應(yīng)耐壓試驗(yàn)通過充分組織準(zhǔn)備，試驗(yàn)順利完成，A相的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看到，實(shí)測值和計(jì)算值對比有略微偏差，詳見表2，是因?yàn)樵囼?yàn)現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，即高壓電場分布的雜散電流對試驗(yàn)參數(shù)產(chǎn)生影響，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)總體與計(jì)算值比較接近，證明了試驗(yàn)開始前擬選的試驗(yàn)設(shè)備完全滿足試驗(yàn)要求。此次試驗(yàn)具有較強(qiáng)的實(shí)踐推廣意義，目前這臺(tái)被試變壓器已可靠運(yùn)行。

表1 被試變壓器A相實(shí)測參數(shù)

施加

電壓

LV-E（kV） 感應(yīng)電壓

（kV） 加壓時(shí)間（s） 高壓電流（A） 勵(lì)磁

電壓

（V） 勵(lì)磁

電流

（A）

HV-E MV-E 勵(lì)磁變 電抗 試品

23.6 240 112 / 1.6 4.8 4.2 150 292

27.9 283 132 / 1.9 6.2 5.3 172 335

31.1 316 148 40 2.3 7.4 6.4 204 400

表2 被試變壓器A相試驗(yàn)參數(shù)比對表

測量部位 計(jì)算值（A） 實(shí)測值（A） 偏差（%）

電抗電流 8.6 7.4 -13.95

試品電流 6.1 6.4 +4.92

勵(lì)磁變電流 2.1 2.3 +9.52

勵(lì)磁電壓 195 204 +4.62

6 結(jié)語

眾所周知，220kV及以上電壓等級的變壓器感應(yīng)耐壓試驗(yàn)難度較大。調(diào)試單位試驗(yàn)前充分準(zhǔn)備，而后進(jìn)行復(fù)雜參數(shù)計(jì)算，最后通過實(shí)踐來加以論證的方法，在此次案例中運(yùn)用是成功的。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算過程，可以為今后更好地開展相同工作提供技術(shù)參照、指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：束秋節(jié)（1982-），男，華潤電力控股有限公司新能源事業(yè)部高級技師，工程師，研究方向：高壓電氣試驗(yàn)技術(shù)。

（責(zé)任編輯：陳 潔）