特高压变压器零起升压试验电源探讨.doc

1000kV变压器零起升压试验电源探讨(Discussion on power supply for zero up boosting test of 1000kV transformer)摘 要：本文利用特高压示范工程的典型特高压变压器技术参数，结合1000kV浙北站规划要求，开展利用系统电源、调压器电源、变频电源进行1000kV变压器零起升压试验的对比研究。ABSTRACT：This paper presents contrast studies on zero up boosting test of 1000kV transformer by using system power supply, voltage regulator power supply and variable frequency power supply, considering typical transformer parameters of UHV demonstration project and planning scheme of 1000kV Zhebei substation.关键词：1000kV变压器 零起升压 试验电源KEY WORD：1000kV Transformer, Stepping up from Zero Voltage, test power supply0 概述大型电力变压器通过零起升压试验可检查变压器间隔一次、二次回路在升压过程中的正确性，考核设备在最高运行电压时的工作状况，发现变压器铁芯磁路中的局部或整体缺陷，判断绕组是否有匝间短路情况1。因此，开展1000kV变压器的零起升压试验研究对校验设备运行性能，保证电网投运安全和可靠性具有非常重要的意义。西北电网的750kV变电站调试2、1000kV交流输电试验示范工程的启动调试3中均进行了零起升压试验，试验采用电厂发电机作为电源，通过输电线路与被测试变电站建立隔离小系统。采用系统电源试验进行时，需空出发电机组及相应线路，系统调度难度较大，倒闸操作频繁易造成不利的安全影响，同时必须对零起升压试验可能引起的发电机自励磁问题进行计算。浙江电网2003年以后的500kV变电站基建调试项目中，变压器零起升压试验电源均采用调压器组电源4，避免了试验对整个电网系统的影响，解决了用系统电源试验时带来的系统风险和高成本的问题。本文应用浙江电网的500kV变电站调试经验，结合1000kV浙北站的规划要求，比较系统电源、调压器电源和变频电源进行1000kV变压器零起升压试验的差异性，开展1000kV浙北站变压器的零起升压试验电源研究。1 试验系统构成及接线零起升压试验是发电机组、变压器组、线路、母线以及与之连接的相应设备新投或事故后，通过自零电压开始，逐步平稳升压，直至1.051.10倍额定电压的升压策略，用以检查被试设备是否存在故障，防止全电压冲击时设备损坏的试验手段。变压器零起升压试验，包括电源系统、测量系统、被试对象三个部分组成，如图1所示。图1 试验系统框图(1) 电源系统：变压器零起升压试验时，要求电源有较好的调压特性，电压最好能从接近零开始升压，便于及早发现问题和降低操作过电压，另外要求电源三相电压平衡，波形为正弦波形。常用的试验电源包括电网电源、同步发电机组电源和调压器电源三类。随着大功率变频技术的发展，大容量变频电源逐渐成为大型变压器现场试验的电源之一4。(2) 测量系统：对于单相变压器，可采用单瓦特表接线方式进行零起升压试验；对于三相变压器，可采用两瓦特表法或者三瓦特表接线方式进行零起升压试验。(3) 被试设备：变压器零起升压试验时，在被试三相变压器出现问题或没有合适的电源时，可进行三相变压器的单相试验；单相变压器在容量允许的情况下，可联接成三相，进行三相零起升压试验。2 试验电源的影响因素试验电源的容量由两个因素决定，一个是由变压器空载电流决定的电源容量，可以由下式计算：S0=0.01I0Sn (1)式中 S0由空载电流算出的空载试验电源容量，kVA I0变压器的空载电流，% Sn被试变压器额定容量，kVA另外一个因素是波形畸变要符合要求，试验时平均值电压表为准的读数U和以方均根值电压表的读数U之差小于3%，即d=(U-U)/U (2)当变压器任意一侧绕组上施加正弦波形的额定电压时，在变压器铁芯中产生的磁通为正弦波形，但由于铁芯磁化曲线是非线性的，所以空载电流的波形是非正弦的。非正弦波形空载电流的存在造成试验电源输出电压波形的畸变，尤其是当电源输出电压较低或电源容量不足时，电压波形的畸变更为严重。加大试验电源容量可降低空载电流对试验电源输出电压波形的影响程度。根据经验，试验电源的容量取4S0，以保证波形畸变满足要求6。同样，降低试验时容性电流的大小也可减弱非正弦空载电流对试验电源输出电压波形的影响，能以较小容量的试验电源输出很好的电压波形。在试验时，变压器功率因数COS一般都很低，即电流以容性电流为主，阻性电流很小。在试验时如果能够提供一感性电流来补偿空载电流中的容性分量就可大幅降低通过试验电源的电流，从而降低所需试验电源容量。为保证补偿效果，电感电流应尽量接近于变压器空载时容性电流分量，即补偿电感的感性无功等于变压器容性电流产生的容性无功。3 1000kV浙北变电站的基本参数皖电东送淮南-上海1000kV输变电工程是国家电网特高压骨干网架的重要组成部分，工程起于拟建的安徽淮南变电站、经安徽皖南站、浙江浙北站，止于上海沪西站。在全国特高压电网规划中，浙江和福建电网的受电将依靠浙北站同系统的联系，浙北站为重要的枢纽变电站7。浙北变电站主变压器形式选择为单相、油浸、自耦、无载调压变压器，额定容量为3（1000/1000/334）MVA，电压比为10503/520322.5%/110kV，因浙北站处于初步设计阶段，变压器的具体参数未明确，研究涉及空载电流和空载损耗数据参照荆门变与晋东南1000kV变压器2，分别选取0.06%和185kW，变压器结构如图2所示。图2 晋东南变电站1000kV变压器结构图1000kV出线：4回，至皖南站2回、沪西站2回；500kV出线：4回，至杭北变2回、妙西变2回；110kV侧没有出线。4 试验电源研究4.1 电网电源采用电网系统作为零起升压试验电源，可满足试验电源容量及波形畸变率的要求，零升时三相变压器同时进行。试验电源直接来源于电网，需空出相应电压等级的发电机组与一条或数条输电线路，数个变电站，最终形成独立的零起升压试验系统。采用此种方式进行零起升压试验，需要承担较大的代价，具体分析如下。1) 110kV侧电网提供电源根据规划，110kV侧无电源进线，不能作为1000kV变压器零起升压试验的电源。2) 500kV侧电网提供电源根据规划，试验无500kV电厂发电机组可直接作为试验电源，需借助其它500kV变电站接入。(1)利用天荒坪抽水蓄能电站发电机组作为电源利用天荒坪抽水蓄能电站发电机组作为试验电源，升压至500kV经天瓶5405或5406线瓶窑变瓶和5411线仁和（杭北）变杭北变二回线路至1000kV浙北变电站，具体接线如图3所示。试验独立小系统涉及500kV电厂一座、500kV变电站两座、1000kV变电站一座，线路总长约120kM。(2)利用嘉兴发电厂二期发电机组作为电源利用嘉兴电厂二期发电机组作为试验电源，升压至500kV经嘉王5418或5417线王店变含店5436线或王含5435线含山变含山至妙西线路妙西变妙西变二回线路至1000kV浙北变电站，具体接线如图4所示。试验独立小系统涉及500kV电厂一座、500kV变电站三座、1000kV变电站一座，线路总长约120kM。根据上述分析可知，无论采用天荒坪抽水蓄能电站还是采用嘉兴发电厂二期发电机组作为电源，试验工作涉及范围均较广，影响变电站和线路众多，无论从经济及安全角度分析，上述两种方式代价均较大。3) 1000kV侧电网提供电源如采用1000kV作为试验电源，无1000kV电厂发电机组可以直接作为试验电源，需借助其它1000kV变电站接入，涉及范围更广，安全难度更大，经济效益更差。 图3 天荒坪抽水蓄能电站作为电源的接线图 图4 嘉兴电厂二期作为电源的接线图4.2 调压变压器采用调压变压器进行1000kV变压器的零起升压试验，包括站用变电源、调压变压器和升压变压器。为防止单相变压器零起升压试验时易产生的三相电源不平衡，一般进行三相零起升压试验，电源从110kV侧接入，接线如图5所示。图5 调压变压器作为电源的接线图利用式1，估算试验所需的电源容量约为1800kVA，考虑4倍裕度，所需容量为7200kVA，上述容量要求的升压变压器和调压变压器将极难生产。如采用电感补偿法减少容量，所需试验电源容量也将达到2220kVA，设计时即使按2000kVA考虑，调压器及升压变压器的体积及重量均不利于现场调试使用。如减少试验设备的容量，将影响试验波形，导致试验结果出现较大误差。(1) 调压变压器：2000KVA的调压器虽然可以生产，但试验设备的整体体积及重量将极不方便运输及试验现场吊装。(2) 升压变压器：1000kV变压器低压侧额定电压为110kV，对应最高运行电压的低压侧电压为1101.1121kV，取额定电压125/0.4kV的试验变压器能满足试验要求，另外从散热和经济上的因素综合考虑，选择油浸式的试验变压器，整体重量将大于30吨。(3) 补偿电抗器补偿电抗器补偿电流应为：IL=Inc=Ina2-(P0Uab)2 (3)式中 Ina低压侧的空载相电流，A Inc需要补偿的容性电流，A P0被试变压器空载损耗，kW Uab低压侧的额定电压，kV约为5.19A，考虑1.2倍裕量，补偿电抗器的额定电流按8A选取，额定电压参考升压变电压为125kV，则电抗器额定容量为125kV8A=1000kVA。根据以上分析，设备配置如表2所示。表2 主要设备配置参数设备名称参数调压变压器升压变压器补偿电抗器型式油浸接触式油浸式油浸式额定容量2000kVA2000kVA10003kVA额定电压400V/0400V125/0.4kV125kV相数三相三相单相频率50Hz50Hz50Hz总重量20吨以上30吨以上23吨4.3 变频电源采用变频电源进行零起升压试验，一般包括站用变电源、变频电源柜、升压变压器和补偿电抗器。电源从低压侧(110kV)接入，为减少试验电源容量，采用单相零起升压的方式对1000kV变压器进行试验。试验电源的接线如图7所示。ST站用变 G-无局放变频电源 T-升压变压器L-补偿电抗器T1-被试变图7 变频柜作为电源的接线图（以A相为例）利用式1，可以估计所需的试验电源容量约为600kVA，考虑4倍裕度，大约为2400kVA，远小于采用调压器和系统电源所需的容量。利用补偿电感进一步减少电源容量，所需电源容量约为740kVA，设计时按800kVA考虑。(1) 变频电源：根据试验系统对于电源容量的要求，采用800kVA变频电源。电源额定输入电压：380V，三相；输出电压范围：0350V；输出频率：20300Hz；额定容量：400kVA2。(2) 升压变压器：升压变高压侧额定电压选取125kV。低压侧电压考虑变频电源，选取350V。从散热和经济上的因素综合考虑，选择油浸式的试验变压器，升压变压器的容量为配合变频电源选用800kVA。(3) 补偿电抗器因为试验单相进行，选用一台补偿电抗器可满足试验要求，补偿电抗器的容量参考调压变压器电源的方式配置。按照上述方案设计，升压变压器重量及体积可满足运输及吊装需要。设备配置如表3所示。表3 主要设备配置参数 设备名称参数变频电源升压变压器补偿电抗器型式推挽放大式油浸式油浸式额定容量2400kVA800kVA1000kVA额定电压0350V125/0.35kV125kV相数三相/单相单相单相频率50Hz/20300Hz50Hz50Hz总重量3吨5吨2吨4.4 比对分析综上所述，采用上述三种方式作为1000kV变压器零起升压试验的试验电源，各有优劣，具体分析如表4。从表中可以看出，考虑零起升压试验的经济性和安全性，采用变频电源作为1000kV变压器零起升压试验的电源是一个较为合适的选择。表4 零起升压试验方案比较 方案比较项目系统电源调压器电源变频电源涉及系统范围数条输电线路及变电站涉及特高压变电站的站用电源涉及特高压变电站的站用电源系统危险性较大一般一般试验工作量较大一般一般所需电源容量较大次之较小试验电源运输不需要难度较大难度不大被试设备范围三相三相或单相单相补偿不需要补偿需要补偿需要补偿5 结论及建议(1) 本文利用特高压示范工程的典型技术参数，结合1000kV浙北站规划，开展了采用系统电源、调压器电源和变频电源进行特高压变压器零起升压试验的研究，确定了采用上述三类方式进行试验的设备选型和试验要求。(2) 对比分析了上述三类方式进行特高压变压器零起升压试验的优缺点，认为采用变频电源的方式可有效解决试验电源容量的问题，提高变压器零起升压试验的经济性和安全性。(3) 由于1000kV浙北站特高压变压器参数未明确，本文选用技术参数来源于示范工程，相关计算结果在应用时，应根据1000kV浙北站特高压变压器的参数进行校核。参考文献1 吴锦华 谷小博. 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