大型變壓器空載和負載現(xiàn)場試驗無功功率自補償式電源的應(yīng)用

楊文良，劉 卓，竇冰杰，侯宇嘉

（1.內(nèi)蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020）

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)的重要電氣設(shè)備，若發(fā)生故障會造成電網(wǎng)大面積斷電。開展變壓器的空載試驗和負載試驗，通過測量磁路損耗、繞組損耗以及附加損耗的變化，能有效發(fā)現(xiàn)變壓器中的磁路缺陷、電路缺陷。

受現(xiàn)場試驗條件和試驗設(shè)備的限制，大型變壓器空載和負載試驗僅在出廠時進行，現(xiàn)場交接試驗項目不包括空載和負載試驗。2019年發(fā)布的《內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》要求，對66～220 kV電壓等級變壓器，新安裝時應(yīng)抽樣進行空載和負載損耗試驗。因此，需要研制一種新型的試驗裝置，填補大型變壓器現(xiàn)場空載和負載試驗技術(shù)的空白。

1 大型變壓器空載和負載試驗現(xiàn)狀

變壓器制造廠的空載和負載試驗設(shè)備采用發(fā)電機組和高壓調(diào)壓器并配合補償電容塔的結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)點是電壓輸出穩(wěn)定、容量大、波形畸變小，但由于發(fā)電機組是固定安裝且維護難度大，不適用于試驗地點不固定的變電站現(xiàn)場。

采用電網(wǎng)電源經(jīng)調(diào)壓器進行大型變壓器空載試驗時，根據(jù)《高壓電氣設(shè)備試驗方法》[1]，試驗電源容量應(yīng)取5～10倍的試驗視在容量。以某220 kV變壓器為例，額定容量240MVA，1.1倍額定電壓下的空載損耗120 kW、空載電流百分比0.186%，根據(jù)計算視在功率公式（1）、無功功率公式（2），試驗視在容量為491 kVA，無功功率479 kvar，而現(xiàn)場試驗所需的5倍試驗視在容量電源很難解決。

式中：S為變壓器額定容量；S1.1為1.1倍額定電壓下的變壓器試驗視在容量；I1.1為1.1倍額定電壓下的變壓器空載電流百分比；Q1.1為1.1倍額定電壓下的變壓器無功功率；P1.1為1.1倍額定電壓下的變壓器空載損耗。

采用電網(wǎng)電源并聯(lián)電容器組的方式進行大型變壓器負載試驗時，由于受現(xiàn)場電容器容量限制，試驗補償無功功率難以與變壓器參數(shù)匹配[2]，負載試驗電流難以滿足GB 1094.1—2013《電力變壓器第1部分：總則》中“不應(yīng)低于50%變壓器額定電流”的要求[3]。

2 大型變壓器空載和負載試驗時補償無功功率的作用

進行大型變壓器空載和負載現(xiàn)場試驗時，試驗裝置施加的電壓能滿足試驗要求，但電流達不到要求，因此需要補償容性或感性無功功率，以解決容量不足的問題[4-5]。變壓器空載和負載試驗等效電路及向量示意圖見圖1，可知I=IL+IC。由于IL與IC方向相反，所以I= ||IL-IC，通過補償感性或容性無功電流，使試驗電源的輸出電流很小。

圖1 變壓器空載和負載試驗等效電路及向量圖Fig.1 Equivalent circuit diagram and phasor diagram of transformer no-load and load test

3 無功功率自補償式試驗電源裝置的研制

針對220 kV及以下電壓等級、240MVA及以下容量的大型變壓器開展現(xiàn)場空載和負載試驗時遇到電源容量不足，無法精確補償無功功率的問題，本文研制一種適用于現(xiàn)場試驗的無功功率自補償式試驗電源裝置，主電路開關(guān)元件為絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT），采用“交—直—交”的方式，將三相380 V交流電經(jīng)整流電路整流成直流電，再通過單相逆變電路逆變成正弦波交流電，最后經(jīng)升壓變壓器將電壓升高至試驗所需的電壓幅值，內(nèi)置高精度互感器可自動采集試驗中的電壓、電流數(shù)據(jù)，通過功率分析儀計算出變壓器損耗值，得到試驗結(jié)果。試驗電源裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗電源裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Basic structure diagram of test power unit

3.1 電源裝置輸出電壓及相角的調(diào)節(jié)原理

以IGBT技術(shù)為主的功率單元是試驗電源的主體，每個功率單元都是一臺三相輸入、單相輸出的脈寬調(diào)制型低壓變頻電源，電源裝置采用多個功率單元串聯(lián)的方式，通過控制IGBT的開斷時間以實現(xiàn)電源電壓及相角的調(diào)節(jié)[6-8]。多個功率單元輸出電壓疊波示意圖見圖3。

圖3 多個功率單元輸出電壓疊波示意圖Fig.3 Schematic diagram of output voltage superposition of multiple power units

3.2 試驗電源裝置無功功率自補償工作原理

試驗電源裝置的功率單元可等效視為一個與試驗系統(tǒng)相連的同頻率、幅值和相角均可控的交流電壓源，等效電路及向量關(guān)系如圖4所示。

圖4 試驗電源裝置等效電路圖及向量關(guān)系圖Fig.4 Equivalent circuit diagram and phasor relationship diagram of test power supply device

試驗系統(tǒng)中注入有功、無功功率計算見公式（3）和公式（4）：

式中：K—逆變電路輸出電壓增益，K=U1/Us；

δ—試驗電源裝置輸出電壓的相角。

由公式（3）和公式（4）可得如下結(jié)論：

（1）當δ＞0時，則對應(yīng)Ps＜0，此時試驗電源裝置向試驗系統(tǒng)注入有功功率。

（2）當Us＜UI時（K＞1），則對應(yīng)Qs＜0，此時逆變電路發(fā)出無功功率（容性）。

（3）當Us＞UI時（K＜1），則對應(yīng)Qs＞0，此時逆變電路吸收無功功率（感性）。

通過以上分析可知，試驗電源裝置傳輸能力恒定，將得到 ||P+Q=1的功率圓，改變試驗電源裝置輸出電壓的幅值和相角可以使其連續(xù)運行在功率圓內(nèi)的任意一點，即試驗電源裝置能完全控制有功功率和無功功率的交換。所以，試驗電源裝置傳輸有功功率的同時，也能夠提供一定量的容性或感性無功功率支持。

4 現(xiàn)場應(yīng)用分析

使用無功功率自補償式試驗電源裝置，對內(nèi)蒙古某220 kV變電站1號主變壓器進行了空載損耗和負載損耗現(xiàn)場試驗，數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 變壓器空載損耗試驗測試數(shù)據(jù)Tab.1 Data of transformer no?load loss test

表2 變壓器高壓（額定）—低壓、中壓負載損耗試驗測試數(shù)據(jù)Tab.2 Data of transformer high voltage(rated)?low voltage,medium voltage load loss test

主變壓器空載試驗時，試驗電源裝置最大輸出容性無功334.18 kvar，試驗電壓達到1.1倍主變壓器額定電壓；主變壓器高壓對低壓負載試驗時，試驗電源裝置最大輸出感性無功功率-361.8 kvar，試驗電流達到49%主變壓器額定電流；主變壓器高壓對中壓負載試驗時，試驗電源裝置最大輸出容性無功功率391.2 kvar，試驗電流達到47.4%主變壓器額定電流?？梢姡疚难兄频臒o功功率自補償式試驗電源裝置，完全滿足大型變壓器的空載和負載現(xiàn)場試驗要求。

5 結(jié)束語

本文針對大型變壓器空載和負載特性現(xiàn)場測試技術(shù)要求，研制了新型無功功率自補償式試驗電源裝置，解決了大型變壓器空載試驗現(xiàn)場電源容量不足，以及利用現(xiàn)場電容器組開展負載試驗無法精確補償無功功率的問題，可取代傳統(tǒng)的發(fā)電機組和高壓調(diào)壓器的大容量調(diào)壓試驗電源方案，具有較高的推廣應(yīng)用價值。