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超高壓換流變壓器現(xiàn)場長時空載和100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)的工程應(yīng)用

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心的研究人員潘志城、鄧軍、陸春玉、張晉寅，在2020年第3期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，針對投運(yùn)12年的缺陷換流變現(xiàn)場長時空載和100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)，對試驗(yàn)原理、試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)、試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)施進(jìn)行了探究。

空載損耗測量結(jié)果與出廠值的偏差為+1.24%，無明顯變化，換流變鐵心無明顯缺陷。負(fù)載試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)局部熱點(diǎn)溫升異常情況（局部溫度達(dá)到92.2℃），檢查分析熱點(diǎn)原因?yàn)轫敳肯溲芈菟ń^緣套性能下降，在漏磁作用下產(chǎn)生過熱。采用加裝引流線的方式進(jìn)行處理，處理后再次開展12h 100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)，相同位置溫度下降至49.7℃，基本消除了熱點(diǎn)缺陷。

換流變壓器是直流輸電系統(tǒng)中連接直流側(cè)與交流側(cè)的核心設(shè)備。換流變壓器空載損耗和負(fù)載損耗是變壓器性能的重要參數(shù)�？蛰d損耗的測量能檢查發(fā)現(xiàn)變壓器鐵心是否存在缺陷，如局部過熱、局部絕緣不良、鐵心多點(diǎn)接地等。負(fù)載試驗(yàn)是評估換流變繞組缺陷、過熱型故障的重要手段。

100%總損耗電流下的負(fù)載試驗(yàn)，相當(dāng)于溫升試驗(yàn)與負(fù)載試驗(yàn)的二合一，能夠在長時間大電流的試驗(yàn)條件下診斷出換流變的損耗是否會隨著電流的增大產(chǎn)生額外的損耗，如果換流變內(nèi)部有電流致熱型故障，則換流變的損耗會隨著電流的增大而增大，在最大電流下出現(xiàn)損耗的突增或換流變局部溫度的升高。100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)是判斷換流變電流致熱型故障最為有效、考核手段最為嚴(yán)格的試驗(yàn)。

本文針對超高壓換流變開展現(xiàn)場長時空載和100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)，對試驗(yàn)原理、試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)、試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)施進(jìn)行了探究，試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)局部熱點(diǎn)溫升異常情況，檢查分析熱點(diǎn)原因?yàn)轫敳肯溲芈菟ń^緣套性能下降，在漏磁作用下產(chǎn)生過熱。采用加裝引流線的方式進(jìn)行處理，處理后再次開展12h 100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)，相同位置溫度下降至49.7℃，基本消除了熱點(diǎn)缺陷。

1 換流變壓器的缺陷情況

貴廣直流輸電工程±500kV安順換流站極2 Y/ A相換流變參數(shù)見表1。換流變在2004年6月投運(yùn)，2004年7月開始乙炔含量超過規(guī)程注意值（1L/L），并呈現(xiàn)緩慢增長趨勢。2006年穩(wěn)定在峰值21L/L后開始下降，2009—2015年穩(wěn)定在1～4L/L，2016年5月10—15日，乙炔從4.5L/L上升到6.2L/L，增長速度過快。由換流變油色譜數(shù)據(jù)和負(fù)載數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，油色譜異常程度與換流變負(fù)載情況存在關(guān)聯(lián)性。

表1 換流變參數(shù)

2016年5月16日，運(yùn)行單位對缺陷換流變進(jìn)行停電更換，隨后開展診斷分析工作。拆解換流變閥側(cè)3.1、3.2套管過程中發(fā)現(xiàn)油中端部銅環(huán)與出線裝置屏蔽筒之間存在摩擦痕跡和黑色油泥（如圖1所示），取樣檢測黑色油泥中含銅、鋅、碳等成分，分析認(rèn)為該套管油中端部銅環(huán)與出線裝置屏蔽筒之間存在長期摩擦產(chǎn)生過熱或放電。

換流變閥側(cè)3.1、3.2套管運(yùn)至套管廠家進(jìn)行了修復(fù)及出廠試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格后運(yùn)回安裝。為評估換流變是否具備投運(yùn)條件，對檢修后的換流變開展感應(yīng)耐壓及局放試驗(yàn)，同時增加12h長時空載試驗(yàn)和12h 100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中密切監(jiān)測油色譜數(shù)據(jù)。

圖1 閥側(cè)3.1套管和出線裝置屏蔽筒故障

在現(xiàn)場開展換流變的感應(yīng)耐壓及局放試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格。

2 長時空載試驗(yàn)和100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)的現(xiàn)場實(shí)施

現(xiàn)場長時空載試驗(yàn)和100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)受制于現(xiàn)場試驗(yàn)環(huán)境惡劣、所需試驗(yàn)容量大、無功補(bǔ)償精度要求高等問題，在國內(nèi)外尚沒有任何開展超高壓換流變現(xiàn)場長時空載試驗(yàn)和100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)記錄，國內(nèi)外可見報(bào)道中僅有在±800kV普洱換流站檢修大廳開展過額定工況下?lián)Q流變現(xiàn)場負(fù)載試驗(yàn)。

2.1 長時空載試驗(yàn)

換流變長時空載試驗(yàn)一般從電壓較低的繞組（該換流變采用在閥側(cè)繞組加壓的形式）施加額定電壓、額定頻率的正弦波，其他繞組（網(wǎng)側(cè)繞組）開路，試驗(yàn)接線圖如圖2所示。在此條件下測量換流變的空載損耗和空載電流。長時空載試驗(yàn)的主要目的是精確測量換流變的空載損耗，將測量結(jié)果與出廠值進(jìn)行比較，從而檢查換流變磁路上是否存在缺陷。

圖2 長時空載試驗(yàn)的接線圖

三相交流10kV電壓輸入變頻電源柜，變頻電源柜輸出0～12kV電壓，經(jīng)過中間變壓器，再通過閥側(cè)3.1、3.2套管端子對稱加壓，1.1套管端子懸空，1.2套管接地。將換流變分接開關(guān)檔位置于額定檔，對應(yīng)的閥側(cè)額定電壓為209.5kV，中間變壓器采用對稱加壓（低壓側(cè)反向并聯(lián)，高壓側(cè)串聯(lián)）的方式，則中間變的高壓側(cè)額定電壓選定為120kV，考慮到變頻電源柜的輸出電壓范圍，低壓側(cè)選定為10kV。

出廠試驗(yàn)的空載損耗值為116.3kW，試驗(yàn)過程中換流變的視在功率為145.5kVA，因此，高壓側(cè)額定電流選定為1A。變頻電源柜容量為200kW。為測量空載電流和電壓，在試驗(yàn)回路中增加了精度為0.01級的電流互感器和0.1級的電壓互感器，設(shè)備接線圖如圖3所示。

圖3 長時空載試驗(yàn)的接線圖

2.2 100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)

500kV換流變100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)電流大，為額定電流的1.15倍。100%總損耗一般在600kW左右，試驗(yàn)所需的變頻電源容量大，試驗(yàn)無功補(bǔ)償精度要求高。

100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)一般從電流較小的繞組（該換流變采用在網(wǎng)側(cè)繞組加壓的形式）施加額定頻率的電壓，其他繞組（閥側(cè)繞組）短路，使閥側(cè)繞組達(dá)到要求的電流值。100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)主要目的是精確測量換流變的負(fù)載損耗，將測量值與出廠值比較，以評估換流變是否存在繞組缺陷、過熱型故障等。

換流變采用網(wǎng)側(cè)加壓、閥側(cè)短接方式，網(wǎng)側(cè)有載分接開關(guān)置于最小檔位4檔（備注：4檔為最大電流分接，在此檔位下試驗(yàn)對換流變考核最嚴(yán)格），試驗(yàn)接線如圖4所示。三相交流10kV電壓輸入變頻電源柜，變頻電源柜輸出0～12kV電壓，經(jīng)過中間變壓器，再通過網(wǎng)側(cè)1.1、1.2套管端子并聯(lián)加壓，3.1、3.2套管端子短接。中間變壓器采用并聯(lián)加壓（低壓側(cè)并聯(lián)，高壓側(cè)并聯(lián)）的方式。

試驗(yàn)過程中，閥側(cè)繞組短路電流最大達(dá)到1416A，對應(yīng)網(wǎng)側(cè)繞組電流1032A。根據(jù)該臺換流變出廠試驗(yàn)報(bào)告，在4分接檔位、網(wǎng)側(cè)施加額定電流1032A時，阻抗電壓應(yīng)為45.44kV。因此，中間變高壓側(cè)為80kV，為使變頻電源輸出電壓在10kV左右，選擇中間變低壓檔位為18kV（采用10kV抽頭與8kV抽頭串聯(lián)的形式）。同時，為保證高壓輸出電流盡量小，以減小電容補(bǔ)償?shù)膲毫�，采用兩臺中間變并聯(lián)的方式，現(xiàn)場接線圖如圖5所示。

圖4 100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)的接線圖

圖5 100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)的現(xiàn)場接線

為確定無功補(bǔ)償?shù)碾娙萘�，�?分接開關(guān)檔位對應(yīng)的額定電流為計(jì)算依據(jù)，此時網(wǎng)側(cè)電流為1032A，損耗為585.3kW，電壓約為45.44kV，有功電流約為12.4A，無功電流為1031.92A，因此總電流中以無功電流為主。在45.44kV電壓下，要產(chǎn)生1032A電容電流，需要的電容量為72.33F。

采用改造交流濾波場電容塔的形式提供無功補(bǔ)償容量。一個濾波電容器共6組，每組48個，每個電容量為18.05F，額定電壓為8.167kV。因此，每支路選有6個電容器，每組8個支路，每組電容量為24.07F。如果選用3組電容補(bǔ)償支路，此時的補(bǔ)償電容量為72.21F，補(bǔ)償電流為1030.16A，補(bǔ)償后無功剩余電流為1.76A，為欠補(bǔ)償。

所以中間變需要輸出1.76A的感性無功電流，加上有功電流12.4A，此時中間變輸出總電流約為12.52A，折算至低壓側(cè)為55.66A，此電流亦為變頻電源柜的輸出電流。具體濾波場電容塔改造的接線圖如圖6所示。補(bǔ)償電容塔的連接方式如圖7所示。

圖6 交流濾波場電容塔改造接線圖

圖7 補(bǔ)償電容塔的連接線方式

2.3 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

為減少現(xiàn)場所需設(shè)備的數(shù)量，將長時空載試驗(yàn)和100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)的變頻電源柜和中間變壓器使用同一套設(shè)備，同一套設(shè)備同時滿足長時空載試驗(yàn)和100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)的需求，設(shè)備參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

1）長時空載試驗(yàn)

長時空載試驗(yàn)的空載電流結(jié)果如圖8所示，長時空載試驗(yàn)的空載損耗結(jié)果如圖9所示。空載損耗在12h試驗(yàn)時間內(nèi)，最大達(dá)到117.74kW，與出廠試驗(yàn)的空載損耗值116.3kW比較，變化率為+1.24%，換流變空載損耗無明顯變化。試驗(yàn)過程每2h取油監(jiān)測絕緣油色譜變化，乙炔含量穩(wěn)定在0.1L/L、總烴穩(wěn)定在0.5～0.7L/L，滿足規(guī)程要求。

圖8 空載電流測試結(jié)果

圖9 空載損耗測試結(jié)果

2）100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)

100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)的負(fù)載損耗結(jié)果如圖10所示。負(fù)載損耗在12h試驗(yàn)時間內(nèi)，最大達(dá)到623.3kW，與出廠試驗(yàn)的負(fù)載損耗值629.8kW比較，變化率為1.03%，換流變負(fù)載損耗與出廠值相比無明顯變化。試驗(yàn)過程每2h取油監(jiān)測絕緣油色譜變化，乙炔含量略有增長并穩(wěn)定在0.15L/L、總烴含量略有增長并穩(wěn)定在0.8L/L以下范圍。

乙炔和總烴含量略有增長的原因是：換流變在12年的運(yùn)行過程中，絕緣油中的溶解氣體隨著絕緣油滲透到絕緣紙板，換流變檢修后熱油循環(huán)過程將絕緣油中的乙炔、總烴循環(huán)過濾，但絕緣紙板的絕緣油熱油循環(huán)過程難以涉及。在100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)過程中，絕緣紙板中的乙炔和總烴滲透到絕緣油中，并在潛油泵的油循環(huán)作用下擴(kuò)散到整個箱體絕緣油中。

圖10 負(fù)載損耗測試結(jié)果

3 過熱型缺陷

100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)過程中，對換流變開展紅外溫度檢測，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)1.1套管升高座附近油箱箱蓋與箱壁連接處存在嚴(yán)重發(fā)熱情況（如圖11所示），達(dá)到92.2℃，明顯高于換流變其他位置的溫度以及正在運(yùn)行的同類型換流變相同位置的溫度。

檢查發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生熱點(diǎn)的原因?yàn)椋喉敳肯溲芈菟ń^緣套性能下降，在漏磁作用下產(chǎn)生過熱。采用加裝引流線的方式進(jìn)行處理（如圖12所示），處理后再次開展12h 100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)，相同位置溫度下降至49.7℃（如圖13所示），基本消除了熱點(diǎn)缺陷，處理措施非常有效。

圖11 換流變熱點(diǎn)的溫度分布

圖12 缺陷處理措施-加裝引流線

圖13 處理后的熱點(diǎn)位置溫度分布

4 結(jié)論

本文針對超高壓換流變開展現(xiàn)場長時空載和100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)，對試驗(yàn)原理、試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)、試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)施進(jìn)行了探究。

長時空載試驗(yàn)中間變壓器采用對稱加壓（低壓側(cè)反向并聯(lián)，高壓側(cè)串聯(lián)）的方式，100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)采用并聯(lián)加壓（低壓側(cè)并聯(lián)，高壓側(cè)并聯(lián)）的方式，整合兩項(xiàng)試驗(yàn)中間變壓器的功能需求，減少了中間變壓器的數(shù)量和容量。創(chuàng)造性的采用改造濾波器電容塔的形式，解決了無功補(bǔ)償容量大和補(bǔ)償精度要求高的難題，有效減小了試驗(yàn)用電源的容量。

空載損耗測量結(jié)果與出廠值的偏差為+1.24%，無明顯變化，表明換流變鐵心無明顯缺陷。100%總損耗負(fù)載試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)局部熱點(diǎn)溫升異常情況，檢查分析熱點(diǎn)原因?yàn)轫敳肯溲芈菟ń^緣套性能下降，在漏磁作用下產(chǎn)生過熱。采用加裝引流線的方式進(jìn)行處理，相同位置溫度從92.2℃下降至49.7℃，熱點(diǎn)缺陷得到有效消除。