呂曉東，阮 煒，司代均，姜杏輝

（1.廣州西門子變壓器有限公司，廣州 510530；2.蘇州華電電氣股份有限公司，江蘇蘇州 215124）

0 引言

近年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求逐漸增大，電網(wǎng)容量提升，特別是國內(nèi)直流輸電工程的飛速升級(jí)，變壓器產(chǎn)品的容量擴(kuò)大，試驗(yàn)要求進(jìn)一步提高和細(xì)化。傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組作為試驗(yàn)電源，存在升級(jí)改進(jìn)困難、占地面積大、運(yùn)行耗能大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。變壓器長期在諧波環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的損耗、發(fā)熱，從而使變壓器絕緣水平下降，降低變壓器的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全造成影響［1-2］。

目前國內(nèi)外大型變壓器試驗(yàn)室基本采用傳統(tǒng)電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組作為試驗(yàn)電源。國內(nèi)大型變壓器制造廠試驗(yàn)室使用的工頻電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組一般為15 000 kVA、30 000 kVA或60 000 kVA，輸出頻率固定為50 Hz或在45～65 Hz范圍內(nèi)可調(diào)，配合中間變壓器和電容器塔組成試驗(yàn)系統(tǒng)，完成電力變壓器／換流變壓器相關(guān)的空、負(fù)載及溫升、有載分接開關(guān)空負(fù)載切換等出廠試驗(yàn)［3］。倍頻發(fā)電機(jī)組較工頻發(fā)電機(jī)組容量要小的多，輸出頻率固定為200 Hz，配合中間變壓器、電抗器組成試驗(yàn)系統(tǒng)，完成換流變壓器相關(guān)的感應(yīng)耐壓及局放、換流變壓器諧波損耗等出廠試驗(yàn)。

大型發(fā)電機(jī)組一般需安裝在戶內(nèi)，且對(duì)基建有很高要求，配套的如起動(dòng)、控制、監(jiān)測、冷卻系統(tǒng)等，占地面積非常大，系統(tǒng)復(fù)雜。因此發(fā)電機(jī)組存在一些限制，當(dāng)有新類型的變壓器產(chǎn)品對(duì)試驗(yàn)?zāi)芰σ蟾?，現(xiàn)有發(fā)電機(jī)電源容量或功能有所限制時(shí)，要進(jìn)行改造或擴(kuò)容極為困難。購置新機(jī)組首先需評(píng)估規(guī)劃大量的場地空間，其土建到機(jī)組安裝調(diào)試的周期長、工作量大，當(dāng)客觀條件有限制時(shí)，通常無法實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有技術(shù)條件下，大型發(fā)電機(jī)類電源設(shè)備幾乎不具備可移動(dòng)、臨時(shí)安裝使用的可能，也使得在故障或應(yīng)急情況下，沒有租借其他機(jī)組的條件，發(fā)電機(jī)組占用的場地空間也無法調(diào)整或改變。由以上原因?qū)е掳l(fā)電機(jī)電源能力不夠或發(fā)生故障受損時(shí)，涉及風(fēng)險(xiǎn)代價(jià)極高，增加相關(guān)問題處理成本和保險(xiǎn)成本。

實(shí)際使用中，發(fā)電機(jī)組還存在以下不足［4］：（1）發(fā)電機(jī)存在自激效應(yīng)，帶較大的容性負(fù)載時(shí)甚至可能出現(xiàn)“飛車”事故，在試驗(yàn)室安全評(píng)估上是典型的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；（2）發(fā)電機(jī)運(yùn)行損耗高，啟動(dòng)、停機(jī)耗時(shí)較長；（3）旋轉(zhuǎn)電機(jī)存在機(jī)械相關(guān)的安全風(fēng)險(xiǎn)，需特別的防護(hù)措施；（4）發(fā)電機(jī)組常規(guī)的監(jiān)控、維護(hù)涉及范圍大，耗費(fèi)人力、時(shí)間較多；（5）發(fā)電機(jī)運(yùn)行帶來的噪聲、振動(dòng)污染對(duì)周圍環(huán)境的影響明顯。

鑒于發(fā)電機(jī)組作為試驗(yàn)電源時(shí)，在出廠試驗(yàn)時(shí)存在上述“瓶頸”問題，變壓器廠家采用了一種基于“整流-逆變”原理的新型的高壓變頻電源系統(tǒng)，用于變壓器出廠試驗(yàn)和現(xiàn)場交接試驗(yàn)，使變壓器試驗(yàn)設(shè)備更安全、高效，操作更簡單，在節(jié)能、空間節(jié)省、靈活性上具有突出的優(yōu)勢，為變壓器試驗(yàn)室電源提供一種新解決方案。

1 主要性能指標(biāo)及組成

換流變壓器是直流輸電系統(tǒng)中聯(lián)系交直流電網(wǎng)不可或缺的電氣設(shè)備，由于電網(wǎng)電壓的波動(dòng)可導(dǎo)致?lián)Q流變壓器運(yùn)行于過電壓工況，其產(chǎn)生的大量的諧波電流流經(jīng)換流變壓器不但會(huì)造成變壓器絕緣的損壞，還會(huì)導(dǎo)致變壓器負(fù)載容量下降，影響其安全穩(wěn)定運(yùn)行［5］，因此換流變壓器的空載試驗(yàn)，特別是空載過電壓試驗(yàn)成為換流變壓器不可或缺的試驗(yàn)項(xiàng)目［6-7］。

相比普通電力變壓器，特高壓換流變壓器空載試驗(yàn)難度更高［8］，具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）特高壓換流變壓器容量大，對(duì)試驗(yàn)電源容量要求更高；（2）特高壓換流變壓器空載電流諧波含量高，對(duì)試驗(yàn)電壓波形的影響更大，空載試驗(yàn)中波形控制難度更大；（3）特高壓換流變壓器除按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行空載損耗和空載電流測量的例行試驗(yàn)項(xiàng)目，還根據(jù)國內(nèi)慣例要求進(jìn)行1.1Ur下長時(shí)間（12 h）空載試驗(yàn)和空載勵(lì)磁特性測量（最大電壓要求達(dá)到1.15Ur甚至是1.2Ur）等特殊試驗(yàn)項(xiàng)目。

針對(duì)換流變壓器空載過電壓的諧波，本文基于大容量的試驗(yàn)的電源，設(shè)計(jì)多個(gè)單調(diào)諧濾波器，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)回路中諧波電流最小化［9］，諧波電壓畸變率滿足變壓器試驗(yàn)導(dǎo)則的要求［10］，從而保證換流變壓器1.1Ur電壓下的空載試驗(yàn)順利完成。

2 核心技術(shù)特點(diǎn)

對(duì)于特高壓換流變壓器，它的空載試驗(yàn)的主要問題在于：被試變壓器容量大，要求試驗(yàn)電源有更高的容量；空載電流諧波含量高，對(duì)試驗(yàn)電壓波形的影響更大，更難控制空載試驗(yàn)中的波形；當(dāng)試驗(yàn)電壓大于Ur時(shí)，空載電流和空載容量都會(huì)發(fā)生急劇增加的現(xiàn)象，使得電壓波形的畸變變得更加嚴(yán)重［11］。這就對(duì)試驗(yàn)電源容量和電壓諧波的抑制提出了更高的要求。

2.1 試驗(yàn)電源容量的估算

空載試驗(yàn)的目的是通過測量空載電流、鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗等變化來發(fā)現(xiàn)磁路缺陷（如硅鋼片間絕緣不良、局部硅鋼片被短路、穿心螺桿或壓板的絕緣損壞造成鐵心的短路等）和電路缺陷（如匝間短路、繞組并聯(lián)支短路以及并聯(lián)支路匝數(shù)不相等）。

通過對(duì)比產(chǎn)品參數(shù)，可知大型單相換流變壓器空載試驗(yàn)容量遠(yuǎn)大于同容量的三相變壓器。國家標(biāo)準(zhǔn)要求［12］，空載試驗(yàn)需施加到110%Ur（額定電壓）。查國內(nèi)最高電壓等級(jí)的昌吉-古泉工程的高端588 MVA／±275～1 100 kV換流變的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，并參考以往類似換流變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，估算110%Ur下的空載試驗(yàn)容量：110%Ur時(shí)的空載電流預(yù)計(jì)為0.7%，則試驗(yàn)容量S＝4520 kVA；考慮因波形畸變導(dǎo)致的有效值電壓和平均值電壓偏差10%，則試驗(yàn)容量S＝4 970 kVA；考慮回路的損耗，和電源輸出的裕度，則電源容量S＝5 960 kVA?？蛰d過勵(lì)磁下的電流基本為非線性電感電流，功率因數(shù)可低至0.1（滯后），因此電源需具有承擔(dān)較低功率因數(shù)下較大無功負(fù)載的能力。

根據(jù)上述估算，換流變壓器空載試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)電源容量需求應(yīng)不小于6 000 kVA。

2.2 空載試驗(yàn)時(shí)實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

根據(jù)試驗(yàn)導(dǎo)則的要求，空載試驗(yàn)在100%Ur時(shí)，電壓波形畸變（有效值電壓相對(duì)于平均值電壓的偏差）不大于3%。大型單相換流變壓器空載試驗(yàn)時(shí)，因鐵心磁密較高，波形畸變比同容量甚至更大容量的三相變壓器還要嚴(yán)重。如表1和圖1所示，空載勵(lì)磁電流是隨電壓非線性變化的感性電流。當(dāng)變壓器鐵心勵(lì)磁進(jìn)入飽和區(qū)后，空載電流急劇增大，諧波增加，也導(dǎo)致電壓波形畸變。其中電流諧波又以3、5、7次諧波最大，如表2所示。

表1 493 MVA／±800 kV換流變壓器空載試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)

表2 空載電流諧波測量（測量頻率：50 Hz）

圖1 493 MVA／±800 kV換流變壓器空載勵(lì)磁特性曲線

由表2可見，空載電流含有以3、5、7次諧波為主的高次諧波電流，這一畸變的高次諧波電流經(jīng)過試品、中間變等試驗(yàn)回路進(jìn)入電源，使電壓波形發(fā)生畸變，并由此導(dǎo)致空載電壓也發(fā)生畸變。

根據(jù)大型換流變空載試驗(yàn)特性，試品所產(chǎn)生高含量諧波電流將作用于試品、中間變壓器和電源的自身阻抗，引起試驗(yàn)電壓波形失真。當(dāng)畸變太大時(shí)，不光影響產(chǎn)品絕緣，其無功功率也可能超過電源的輸出能力而使得試驗(yàn)無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。為此研制相應(yīng)的空載濾波補(bǔ)償裝置，用于抑制該試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的高含量諧波電流［13］。

空載濾波補(bǔ)償裝置由電容器和電抗器組成單調(diào)諧濾波器，一般同時(shí)配置3次和5次濾波裝置。3次濾波裝置的選型方法參照計(jì)算模型如圖2所示，5次濾波裝置選型可參照計(jì)算［14］。具體計(jì)算步驟如下。

圖2 高壓濾波補(bǔ)償裝置的計(jì)算模型

（1）高壓三次濾波裝置的電阻R3、電感L3和電容C3的確定

三次濾波器的電阻、電感、電容部分可由下式確定：

式中：U0為被試變壓器試驗(yàn)電壓的基波分量；ω0為試驗(yàn)電壓基波角頻率；Q為高壓濾波器的品質(zhì)因數(shù)，Q的取值范圍是40～100，一般取值50。

（2）固定電容器和可調(diào)電抗器的額定電流IN的確定

固定電容器和可調(diào)電抗器串聯(lián)使用，其電流包含基波電流分量和三次諧波電流分量。固定電容器和可調(diào)電抗器的額定電流IN由下式確定：

式中：I3為基波電流分量。

（3）固定電容器的額定電壓ULN和電抗的額定電壓UCN的確定

固定電容器和電抗器所承受的電壓包含基波分量和3次諧波分量。固定電容器的額定電壓UCN和電抗器的額定電壓ULN可由下式確定：

式中：UC3.0為固定電容承受的基波電壓分量；UC3.3為固定電容承受的三次諧波電壓分量；UL3.0為可調(diào)電感承受的基波電壓分量；UL3.3為可調(diào)電感承受的三次諧波電壓分量。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)等值諧波阻抗與濾波器參數(shù)的調(diào)整

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)諧波電流等值電路模型

濾波器參數(shù)選擇和系統(tǒng)等值諧波阻抗有關(guān)。在分析中不考慮系統(tǒng)原有諧波恒壓源的作用，將n次單調(diào)諧濾波器以外的支路并聯(lián)，作為系統(tǒng)的等值諧波阻抗ZSn［6］。等值電路如圖3所示?？梢郧蟮媚妇€n次諧波電壓為：

圖3 在諧波電流源作用下的等值電路

Yfn＝1／Zfn，YSn＝1／ZSn

3.2 單調(diào)諧濾波器參數(shù)與諧波分析

如圖3所示，流入系統(tǒng)的n次諧波電流為：

流入濾波器的n次諧波電流為：

將流入系統(tǒng)的n次諧波量ISn與n次諧波量In之比稱為流入系統(tǒng)的n次諧波系數(shù)KSn：

KSn越小，流入系統(tǒng)的n次諧波電流比例就越小。必須指出，KSn的大小不僅決定于Zfn，也決定于ZSn，因?yàn)閆fn+ZSn是向量和，不是簡單的算術(shù)和，Zfn最小時(shí)不一定使KSn最小。

流入濾波器的n次諧波電流Ifn與In之比稱為流入濾波器的n次諧波系數(shù)Kfn：

將n次單調(diào)諧濾波器阻抗Zfn表示為Zfn＝Rfn+j，代入式（13），得：

圖4所示為n次濾波器的KSn、Kfn與δ的關(guān)系曲線。由圖可知，KSn＝1是KSn＝f（δ）在等效頻率偏差δ無限增大時(shí)的漸近線；而Kfn＝0是Kfn＝f（δ）在δ無限增大時(shí)的漸近線。KSn存在最小值（濾波效益最好）和最大值（濾波效益最差），其相應(yīng)的δ值可以從＝0中求得：

圖4 KSn、Kfn與δ的關(guān)系曲線（全諧振參數(shù)的單調(diào)斜濾波器）

當(dāng)δ＝δemax時(shí)，濾波效益最好，KSn值最小。

當(dāng)δ＝δemin時(shí)，濾波效益最差，KSn值最大。

由式（16）、（17）可知，當(dāng)系統(tǒng)n次等值諧波阻抗是感性（XSn＞0），則δemax為正值，δemin為負(fù)值。由圖4（a）可以看出，在δ＜0時(shí)，不僅KSn大，而且Kfn也大，KSn+Kfn＞1，而在δ＞0時(shí)，KSn+Kfn≈1，這是因?yàn)樵讦模?時(shí)感性等值系統(tǒng)阻抗與容性濾波器阻抗會(huì)出現(xiàn)n次諧波電流的放大現(xiàn)象。特別是在δemin處，KSn+Kfn?1，發(fā)生n次諧波電流的嚴(yán)重放大。同理，在XSn＜0時(shí)，δemax為負(fù)值，δemin為正值，將出現(xiàn)前述相反的情況，如圖4（b）所示。

顯然，考慮了系統(tǒng)諧波阻抗影響后單調(diào)諧波濾波器并不是調(diào)諧在全諧振狀態(tài)時(shí)最合理，當(dāng)XSn＞0在-δm時(shí)濾波效益較+δm時(shí)差得多。合理的做法是，使-δm時(shí)和+δm時(shí)濾波效益相等。因此，濾波器中電感值應(yīng)采用偏諧振值，即

式中：ε為電感偏諧振率。

這樣，濾波器在等值頻率偏差為δ時(shí)的阻抗為：

若使+δm和-δm時(shí)KSn相等，則ε值可以從下式求得：

得：

式中：XCn＝1／（ωnC）

從式（20）看出，當(dāng)XSn為感性（XSn＞0）時(shí)，ε為正值，按式（18）求得的電感為過諧振值。反之，當(dāng)XSn為感性（XSn＜0）時(shí)，ε為負(fù)值，求得電感為欠諧振值。

3.3 單調(diào)諧濾波器參數(shù)調(diào)節(jié)與驗(yàn)證

換流變壓器空載時(shí)，1.0Ur及以下試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)等效阻抗為容性，且此時(shí)空載電流及試驗(yàn)容量均較?。怀^1.0Ur后，變壓器鐵心進(jìn)入拐點(diǎn)后飽和，系統(tǒng)等效阻抗呈感性，且此時(shí)空載電流及試驗(yàn)容量均非常大，其電流可達(dá)額定電壓下空載電流的8～10倍，因此該單調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)該為過諧振點(diǎn)設(shè)計(jì)，從而滿足1.1Ur空載電流的濾波需求。圖5～6為針對(duì)某臺(tái)變壓器出廠試驗(yàn)，進(jìn)行諧振點(diǎn)調(diào)偏，來驗(yàn)證單調(diào)諧濾波器諧振點(diǎn)的調(diào)整與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系，圖中K＝Umean-Urms／Umean，表征空載試驗(yàn)電壓的畸變程度，不同電壓下的勵(lì)磁程度不同，K值可能出現(xiàn)正負(fù)變化。由圖可知，三五次7串三并，諧振頻率分別為162.4 Hz和268.8 Hz時(shí)，1.1Ur試驗(yàn)電壓下，試驗(yàn)電壓的有效值和平均值誤差最小，即此時(shí)波形最好，同時(shí)試驗(yàn)電流亦是最小的。因此，結(jié)合式（20）與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，可有以下結(jié)論：

圖5 某換流變壓器1.0倍Ur時(shí)單調(diào)諧濾波器不同諧振點(diǎn)濾波效果比較

（1）當(dāng)Xsn為感性（Xsn＞0），即試驗(yàn)系統(tǒng)等效阻抗為感性時(shí)，濾波器應(yīng)設(shè)置為過諧振值，即該單調(diào)諧濾波器的諧振頻率應(yīng)大于諧波頻率；

（2）當(dāng)Xsn為容性（Xsn＜0），即試驗(yàn)系統(tǒng)等效阻抗為容性時(shí)，濾波器應(yīng)設(shè)置為欠諧振值，即該單調(diào)諧濾波器的諧振頻率應(yīng)小于諧波頻率；

（3）換流變壓器空載試驗(yàn)時(shí)，單調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)應(yīng)該為過諧振點(diǎn)，此時(shí)效果可以達(dá)到最佳。

圖6 某換流變壓器1.1倍Ur時(shí)單調(diào)諧濾波器不同諧振點(diǎn)濾波效果比較

4 在各臺(tái)大容量產(chǎn)品上驗(yàn)證的空載試驗(yàn)

4.1 415 MVA／±800 kV的單相換流變空載試驗(yàn)

首先是415 MVA／±800 kV的換流變壓器的空載試驗(yàn)，表3～4分別展示了在不接入和接入濾波補(bǔ)償裝置兩種不同情況下的試驗(yàn)結(jié)果。

表3 不接入濾波補(bǔ)償裝置

表4 接入濾波補(bǔ)償裝置

以上對(duì)比可以看出，接入濾波補(bǔ)償裝置后，電壓波形畸變程度由6.1%降低至1.2%效果明顯；相同的平均值電壓下，對(duì)應(yīng)的有效值電壓也明顯降低；根據(jù)空載試驗(yàn)的要求，加至要求的平均值電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)的有效值電壓有所降低，相當(dāng)于提高了空載試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

4.2 588 MVA／±1 100 kV的單相換流變空載試驗(yàn)空載試

當(dāng)試驗(yàn)的換流變壓器達(dá)到額定容量588 MVA，特高壓±1 100 kV時(shí)，進(jìn)行不帶濾波器的試驗(yàn)以及帶有不同參數(shù)濾波器的試驗(yàn)，可以得到表5～6所示的試驗(yàn)結(jié)果。

表5 不帶濾波器試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)

表6 帶濾波器試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)

由以上試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，當(dāng)濾波器參數(shù)為3次：7串3并時(shí)，其1.05Ur以下試驗(yàn)電流數(shù)據(jù)與不帶濾波器相差不大，1.05Ur以上試驗(yàn)電流數(shù)據(jù)與不帶濾波器相差比較明顯。

5 結(jié)束語

針對(duì)目前國內(nèi)特高壓大容量換流變壓器生產(chǎn)和現(xiàn)場試驗(yàn)的技術(shù)要求，為滿足變壓器在110%額定電壓下的空載試驗(yàn)，研發(fā)項(xiàng)目通過對(duì)單調(diào)諧濾波器在過諧振和欠諧振頻率下的理論研究，結(jié)合變壓器的實(shí)際試驗(yàn)需要，進(jìn)行修正和優(yōu)化。該電源系統(tǒng)在全世界最高電壓等級(jí)±1 100 kV，588 MVA的換流變壓器出廠試驗(yàn)中，空載試驗(yàn)電壓波形完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議的要求，解決了以往變壓器廠家和現(xiàn)場電源容量不足的難題［15］，同時(shí)對(duì)變壓器廠家的電源設(shè)備改造升級(jí)，提供一種新的解決方案，這對(duì)于變壓器的研發(fā)及應(yīng)用具有十分重要的意義。