变频串联谐振在变压器交流耐压试验中的应用(期刊.10.30)

收稿日期:2009-10-01,修回日期:2009-10-30作者简介：林梅芬（1975-），女，讲师，工程硕士，从事电力系统的教学、研究工作。Email:[e-mail]：0598-3869991。变频串联谐振在变压器交流耐压试验中的应用林梅芬1许晶2（1福建水利电力职业技术学院，福建永安3660002绍兴电力局浙江绍兴312000）摘要：通过利用变频串联谐振对几个大中型变压器进行交流耐压试验实例将其与常规的交流耐压试验方法在各个不同方面进行比较，得出变频串联谐振耐压试验技术可以完成常规试验变压器不能解决的试验，具有所需电源容量小、试验设备体积小、不会对试验品造成损伤等显著优点。关键词：变频；串联谐振；大中型变压器；耐压试验；容量中图分类号：TM406文献标志码：A1引言在电力系统交接预防性试验中,交流耐压试验是鉴定电力设备绝缘强度的最严格、最有效和最直接的试验方法之一,它对判断电力设备能否继续运行具有决定性的意义,也是保证设备绝缘水平,避免发生绝缘事故的重要手段[1]。交流耐压试验虽对发现绝缘缺陷有效，但受试验条件限制,要进行35kV及8000kVA以上变压器耐压试验,由于电容电流较大,要求高电压试验变压器的额定电流须在l00mA以上，目前这样的高电压试验变压器及调压器尚不够普遍[2]，经常是试验电压达到要求了，试验电流又不能满足要求，且试验变压器容量要求非常大,试验设备笨重，不便搬运，给现场试验带来了困难。如果能创造条件对高电压、大容量电力变压器进行交流耐压试验，对保证变压器安全运行是有很大意义的[2]。本文介绍的变频串联谐振法即可实现利用电压及容量小得多的设备产生所需的试验电压，满足试验要求。2原理在图1所示的串联谐振基本原理图中，串联回路电流：22)1(CLRUI对于串联回路，流过各元件的电流大小相等。当CL1时，回路即处于串联谐振状态[3]，此时的频率称为谐振频率f0，f0＝LC21，流过整个串联回路的电流RUI最大[3]。RLUCRUCIUC1max。令RLCRQ1，Q称为谐振回路的品质因数，则UCmax＝QU。一般回路中的R比较小，使得回路的品质因数Q很大。在大多数正常情况下，Q值可达50左右[4]。图1串联谐振基本原理图IRLCFig.1BasicprincipldiagramofseriesresonanceUS根据调节方式的不同，串联谐振装置分为工频串联谐振装置（带可调电抗器，或带固定电抗器和调谐用电容器组，工作频率50HZ）和变频串联谐振装置（带固定电抗器，工作频率一般10Hz～300Hz）两大类[4]。本文采用变频串联谐振装置，其原理图如图2所示，装置组成为：变频电源；励磁变；高压电抗器(Ⅰ组：每台额定电压55kV、额定电流1A、额定电感量200H，共4台；Ⅱ组：每台额定电压60kV、额定电流2.5A、额定电感量120H，共4台)；测量用分压器（电容量为1000pF)；高压补偿电容器若干等。图中CX即为被试品电容。图2变频串联谐振成套试验装置原理图接地试品CX补偿电容C分压器电抗器励磁变变频电源峰值测量Fig.2DiagramofexperimentsequipmentusingSeriesResonancewithvariationalfrequency3应用实例下面是根据浙江某电力局现有设备对变压器进行交流耐压试验的实例。（1）一台220kV、180MVA的大型电力变压器，型号为SFS9-180000/220，出厂编号为002190，接线组别为YN，yn0d11，额定电压为220/117/37kV，广州维奥伊林变压器厂2003年出厂（表中简称变压器1），其交接试验的绝缘试验数据如下表1：tgδ/%R60S/MΩR15S/MΩR600S/MΩ被试绕组吸收比极化指数I/μACX/pF220kV110kV35kV铁芯夹件950013500245001.421.8112.50.1581369463008700145001.381.6715.00.14723569800010750206001.341.923.20.17825359/10500///////10000//////表1变压器1交接试验绝缘试验数据Tab.1Dataoftransformer1ACvoltagewithstandtestwhilehandover根据GB50150-91，该变压器220kV绕组中性点出厂耐压为200kV，交接试验电压为170kV；110kV绕组中性点出厂耐压为95kV，交接试验电压为81kV；35kV绕组出厂耐压为85kV，交接试验电压为72kV。该电力局现有最大试验变压器为：额定容量50kVA，额定电压100kV，额定电流0.5A。若用常规试验变压器法进行交流耐压试验，根据被试变压器绝缘试验数据中的电容量数据可知：①对220kV绕组中性点进行交流耐压：试验电压为170kV,大于试验变压器100kV的额定电压，不能满足试验的要求；试验时高压侧电流IC高压＝ωCU＝314×13694×10-12×170×103＝0.73A，大于试验变压器0.5A的额定电流，不能满足试验的要求；②对110kV绕组中性点进行交流耐压：试验电压为81kV，小于试验变压器100kV的额定电压，能满足试验的要求；试验时高压侧电流IC中压＝ωCU＝314×23569×10-12×81×103＝0.60A，大于试验变压器0.5A的额定电流，不能满足试验的要求；③对35kV绕组进行交流耐压：试验电压为72kV，小于试验变压器100kV的额定电压，能满足试验的要求；试验时电流IC低压＝ωCU＝314×25359×10-12×72×103＝0.57A，大于试验变压器0.5A的额定电流，不能满足试验的要求。由此可见，该变压器高、中、低压三侧都无法用现有常规的试验变压器进行交流耐压试验。下面用变频串联谐振的方法对变压器进行交流耐压试验。（为使谐振频率接近工频，试验中将其控制在45Hz～65Hz范围内）对220kV绕组，由f0＝LC21，必须满足45LC2165，即451/21210)100013694(L65，计算可得408HL851H，也就是说电抗器电感量应在此范围内。选用Ⅱ组电抗器4台串联，4台电抗器串联后，电压为60kV×4＝240kV，电流为2.5A，则：f0＝1/2LC＝1/21210)100013694(480＝59.9HzIL＝US/ωL＝170×103（2×59.9×480）＝0.94A估算值满足要求。同理，对110kV绕组选用Ⅱ组电抗器3台串联，3台电抗器串联后，电压为60kV×3＝180kV，电流为2.5A，则：f0＝1/2LC＝1/21210)100023569(360＝53.5HzIL＝US/ωL＝81×103（2×53.5×360）＝0.67A估算值满足要求。对35kV绕组选用Ⅱ组电抗器2台串联，2台电抗器串联后，电压为60kV×2＝120kV，电流为2.5A，则：f0＝1/2LC＝1/21210)100025359(240＝63.3HzIL＝US/ωL＝72×103（2×63.3×240）＝0.75A估算值满足要求。经以上分析计算，对该变压器进行交流耐压试验，实测数据如下表2：f0/HZIL/ATab.2Dataoftransformer1testviaseriesresonancewithvariationalfrequency表2变压器1采用变频串联谐振方法实测数据0.67/0.58/0.80/Ⅱ组4台串联35kV110kV220kV试验电压/kV电抗器接法补偿电容被试绕组CX/pF253592356913694170＜240Ⅱ组3台串联Ⅱ组2台串联81＜18072＜12055.650.461.1所测数据均满足试验要求。（实测数据中，各绕组试验电流和试验谐振频率与估算值相比都偏小，是因为电抗器串联后，电抗器之间产生的互感引起的。）（2）一台110kV、50MVA的电力变压器，型号为SSZ9-50000/110，编号为2002-117，接线组别为Yyn0d11，江苏华鹏变压器厂2002年9月出厂（表中简称变压器2），其交接试验的绝缘试验数据如下表3：被试绕组R15S/MΩ吸收比I/μAtgδ/%R60S/MΩCX/pF110kV35kV10kV铁芯夹件11900159001.346.20.3571962012000158001.321.80.281300207700108001.400.60.32024110/14000/////6000////表3变压器2交接试验绝缘试验数据Tab.3Dataoftransformer2ACvoltagewithstandtestwhilehandover根据GB50150-91，该变压器110kV绕组中性点出厂耐压为95kV，交接试验电压为81kV；35kV绕组中性点出厂耐压为85kV，交接试验电压为72kV；10kV绕组出厂耐压为35kV，交接试验电压为30kV。同理，若用常规试验变压器法进行交流耐压试验，按照上例进行分析，该变压器绝缘试验估算数据如下表4所示：表4变压器2采用常规试验方法估算数据Tab.4Reckondataoftransformers2usedtraditionalexperimentaltechnique30＜10072＜10081＜100196203002024110CX/pF被试绕组IL/A试验电压/kV110kV35kV10kV0.499＜0.50.679＞0.50.227＜0.5由上可知，试验变压器的额定电压均能满足要求，但额定电流不能全部满足要求。该变压器仍无法用现有常规的试验变压器进行交流耐压试验。下面仍采用串联谐振的方法进行变压器交流耐压试验。(将“我们”二字改为了“下面”)同理进行分析计算，电抗器组合方式如下：被试绕组分别为110kV、35kV、10kV，对应的电抗器接法分别为Ⅰ组2台串联、Ⅰ组2并2串联、Ⅰ组2台串联，对应的额定电流分别1A、2A、1A，额定电压均为110kV。合理选择电抗器后按图2接线，实测数据如下表5：Tab.5Dataoftransformers2testviaseriesresonancewithvariationalfrequency表5变压器2采用变频串联谐振方法实测数据0.180＜1/0.805＜2/0.510＜1/10kV35kV110kV试验电压/kVf0/HZIL/A补偿电容被试绕组CX/pF24110300201962081＜11072＜11030＜11052.159.647.3所测数据均满足试验要求。试验中，通过励磁变压器将变频电源的输出电压升到合适的电压值U来激发整个试验回路，调节变频电源的输出频率，使回路中的高压电抗器电感L和电容发生串联谐振，此时变频电源的输出频率即为谐振频率，试品电容Cx上所加的电压就等于谐振电压QU。由串联谐振原理可知，该试验方法利用高压电抗器和电容谐振产生高电压和大电流，在整个系统中，电源只需提供系统中有功消耗的部分，试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q，所需电源容量大大减小，试验设备的体积和重量也大大减小；在串联谐振状态，当试品的绝缘弱点被击穿时，电路立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q，因此该方法既能有效地找到绝缘弱点，又不存在大的短路电流烧伤故障点的隐患；试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧即刻熄灭，不会出现任何恢复过电压；回路参数是按接近工频匹配的，所以此方法对高次谐波有明显的抑制作用[5]。4结语a.采用变频串联谐振耐压试验技术可以完成常规试验变压器不能解决的试验。b.变频串联谐振方法的试验容量大大减小，设备重量和体积也大大减小，更适用于现场试验。c.变频串联谐振的原理决定了此方法具有能防止大的短路电流烧伤故障点、不会出现任何恢复过电压还能抑制高次谐波的显著优点。d.由于变频串联谐振装置的