特高壓變壓器零起升壓試驗(yàn)電源探討

1、1000kV變壓器零起升壓試驗(yàn)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(kāi)展利用系統(tǒng)電源、調(diào)壓器電源、變頻電源進(jìn)行1000kV變壓器零起升壓試驗(yàn)的對(duì)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(yàn)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(guò)零起升壓試驗(yàn)可檢查變壓器間隔一次、二次回路在升壓過(guò)程中的正確性，考核設(shè)備在最高運(yùn)行電壓時(shí)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(kāi)展1000kV變壓器的零起升壓試驗(yàn)研究對(duì)校驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行性能，保證電網(wǎng)投運(yùn)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(yàn)示范工程的啟動(dòng)調(diào)試3中均進(jìn)行了零起升壓試驗(yàn)，試驗(yàn)采用電廠發(fā)電機(jī)作為電源，通過(guò)輸電線路與被測(cè)試變電站建立隔離小系統(tǒng)。采用系統(tǒng)電源試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，需空出發(fā)電機(jī)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(shí)必須對(duì)零起升壓試驗(yàn)可能引起的發(fā)電

4、機(jī)自勵(lì)磁問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。浙江電網(wǎng)2003年以后的500kV變電站基建調(diào)試項(xiàng)目中，變壓器零起升壓試驗(yàn)電源均采用調(diào)壓器組電源4，避免了試驗(yàn)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響，解決了用系統(tǒng)電源試驗(yàn)時(shí)帶來(lái)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)和高成本的問(wèn)題。本文應(yīng)用浙江電網(wǎng)的500kV變電站調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)行1000kV變壓器零起升壓試驗(yàn)的差異性，開(kāi)展1000kV浙北站變壓器的零起升壓試驗(yàn)電源研究。1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成及接線零起升壓試驗(yàn)是發(fā)電機(jī)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(guò)自零電壓開(kāi)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(shí)設(shè)備損壞的試驗(yàn)手段。變壓器零起升壓試驗(yàn)，包括電源系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、被試對(duì)象三個(gè)部分組成，如圖1所示。圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)框圖(1) 電源系統(tǒng)：變壓器零起升壓試驗(yàn)時(shí)，要求電源有較好的調(diào)壓特性，電壓最好能從接近零開(kāi)始升壓，便于及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和降低操作過(guò)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(yàn)電源包括電網(wǎng)電源、同步發(fā)電機(jī)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(chǎng)試驗(yàn)的電源之一4。(2) 測(cè)量系統(tǒng)：對(duì)于單相變壓器，可采用單瓦特表接線方式進(jìn)行零起升壓試驗(yàn)；對(duì)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(jìn)行零起升

6、壓試驗(yàn)。(3) 被試設(shè)備：變壓器零起升壓試驗(yàn)時(shí)，在被試三相變壓器出現(xiàn)問(wèn)題或沒(méi)有合適的電源時(shí)，可進(jìn)行三相變壓器的單相試驗(yàn)；單相變壓器在容量允許的情況下，可聯(lián)接成三相，進(jìn)行三相零起升壓試驗(yàn)。2 試驗(yàn)電源的影響因素試驗(yàn)電源的容量由兩個(gè)因素決定，一個(gè)是由變壓器空載電流決定的電源容量，可以由下式計(jì)算：S0=0.01×I0×Sn (1)式中 S0由空載電流算出的空載試驗(yàn)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(gè)因素是波形畸變要符合要求，試驗(yàn)時(shí)平均值電壓表為準(zhǔn)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(dāng)變壓器任意一側(cè)繞組上施加正弦波形的額定電壓時(shí)，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(yàn)電源輸出電壓波形的畸變，尤其是當(dāng)電源輸出電壓較低或電源容量不足時(shí)，電壓波形的畸變更為嚴(yán)重。加大試驗(yàn)電源容量可降低空載電流對(duì)試驗(yàn)電源輸出電壓波形的影響程度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)時(shí)容性電流的大小也可減弱非正弦空載電流對(duì)試驗(yàn)電源輸出電壓波形的影響，能以較小容量的試驗(yàn)電源輸出很好的電壓波形。在試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)時(shí)如果能夠提供一感性電流來(lái)補(bǔ)償空載電流中的容性分量就可大幅降低通過(guò)試驗(yàn)電源的電流，從而降低所需試驗(yàn)電源容量。為保證補(bǔ)償效果，電感電流應(yīng)盡量接近于變壓器空載時(shí)容性電流分量，即補(bǔ)償電感的感性無(wú)功等于變壓器容性電流產(chǎn)生的容性無(wú)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(guó)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(guó)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(wú)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(jì)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(méi)有出線。4 試驗(yàn)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(yàn)電源，可滿足試驗(yàn)電源容量及波形畸變率的要求，零升時(shí)三相變壓器同時(shí)進(jìn)行。試驗(yàn)電源直

10、接來(lái)源于電網(wǎng)，需空出相應(yīng)電壓等級(jí)的發(fā)電機(jī)組與一條或數(shù)條輸電線路，數(shù)個(gè)變電站，最終形成獨(dú)立的零起升壓試驗(yàn)系統(tǒng)。采用此種方式進(jìn)行零起升壓試驗(yàn)，需要承擔(dān)較大的代價(jià)，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(wú)電源進(jìn)線，不能作為1000kV變壓器零起升壓試驗(yàn)的電源。2) 500kV側(cè)電網(wǎng)提供電源根據(jù)規(guī)劃，試驗(yàn)無(wú)500kV電廠發(fā)電機(jī)組可直接作為試驗(yàn)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(jī)組作為電源利用天荒坪抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)組作為試驗(yàn)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(yàn)獨(dú)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(zhǎng)約120kM。(2)利用嘉興發(fā)電廠二期發(fā)電機(jī)組作為電源利用嘉興電廠二期發(fā)電機(jī)組作為試驗(yàn)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(yàn)獨(dú)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(zhǎng)約120kM。根據(jù)上述分析可知，無(wú)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(jī)組作為電源，試驗(yàn)工作涉及范圍均較廣，影響變電站和

12、線路眾多，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)及安全角度分析，上述兩種方式代價(jià)均較大。3) 1000kV側(cè)電網(wǎng)提供電源如采用1000kV作為試驗(yàn)電源，無(wú)1000kV電廠發(fā)電機(jī)組可以直接作為試驗(yàn)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(jì)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(jìn)行1000kV變壓器的零起升壓試驗(yàn)，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(yàn)時(shí)易產(chǎn)生的三相電源不平衡，一般進(jìn)行三相零起升壓試驗(yàn)，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(yàn)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(bǔ)償法減少容量，所需試驗(yàn)電源容量也將達(dá)到2220kVA，設(shè)計(jì)時(shí)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(chǎng)調(diào)試使用。如減少試驗(yàn)設(shè)備的容量，將影響試驗(yàn)波形，導(dǎo)致試驗(yàn)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(yàn)設(shè)備的整體體積及重量將極不方便運(yùn)輸及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)吊裝。(2) 升壓變壓器：1000kV變壓器低壓側(cè)額定電壓為110kV，對(duì)應(yīng)最高運(yùn)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(yàn)變壓器能滿足試驗(yàn)要求，另外從散熱和經(jīng)濟(jì)上的因素綜合考慮，選擇油浸式的試驗(yàn)變壓器，整體重量將大于30噸。(3) 補(bǔ)償電抗器補(bǔ)償電抗器補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(jìn)行零起升壓試驗(yàn)，一般包括站用變電源、變頻電源柜、升壓變壓器和補(bǔ)償電抗器。電源從低壓側(cè)(110kV)接入，為減少試驗(yàn)電源容量，采用單相零起升壓的方式對(duì)1000kV變壓器進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)電源的接線如圖7所示。ST站用變 G-無(wú)局放變頻電源 T-升壓變壓器L-補(bǔ)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(jì)所需

16、的試驗(yàn)電源容量約為600kVA，考慮4倍裕度，大約為2400kVA，遠(yuǎn)小于采用調(diào)壓器和系統(tǒng)電源所需的容量。利用補(bǔ)償電感進(jìn)一步減少電源容量，所需電源容量約為740kVA，設(shè)計(jì)時(shí)按800kVA考慮。(1) 變頻電源：根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)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(jì)上的因素綜合考慮，選擇油浸式的試驗(yàn)變壓器，升壓變壓器的容量為配合變頻電源選用800kVA。(3) 補(bǔ)

17、償電抗器因?yàn)樵囼?yàn)單相進(jìn)行，選用一臺(tái)補(bǔ)償電抗器可滿足試驗(yàn)要求，補(bǔ)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(jì)，升壓變壓器重量及體積可滿足運(yùn)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(bǔ)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(duì)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(yàn)的試驗(yàn)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(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，采用變頻電源作為1000kV變壓器零起升壓試驗(yàn)的電源是一個(gè)較為合適的選擇。表4 零起升壓試驗(yàn)方案比較 方案比較項(xiàng)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(xiǎn)性較大一般一般試驗(yàn)工作量較大一般一般所需電源容量較大次之較小試驗(yàn)電源運(yùn)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(bǔ)償不需要補(bǔ)償需要補(bǔ)償需要補(bǔ)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(kāi)展了采用系統(tǒng)電源、調(diào)壓器電源和變頻電源進(jìn)行特高壓變壓器零起升壓試驗(yàn)的研究，確定了采用上述三類方式進(jìn)行試驗(yàn)的設(shè)備選型和試驗(yàn)要求。(2) 對(duì)比分析了上述三類方式進(jìn)行特高壓變壓器零起升壓試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為采用變頻電源的方式可有效解決試驗(yàn)電源容量的問(wèn)題，提高變壓器零起升壓試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)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(lái)源于示范工程，相關(guān)計(jì)算結(jié)果在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)1000kV浙北站特高壓變壓器的參數(shù)進(jìn)行校核。參考文獻(xiàn)1 吳錦華 谷小博. 500kV變電所零起升壓試驗(yàn)方法的研究應(yīng)用J.變壓器. 2005.02.Vol42 No2.pp510.