CN103874242B - 一种大型电力变压器低频加热的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种大型电力变压器低频加热装置和实现方法，该装置包括依次连接的移相变压器、交流-交流变频装置和被加热变压器，被加热变压器的另一侧端口短接；所述交流-交流变频装置包括两个反向并联连接的三相整流桥。依据被加热变压器的参数计算出移相变的功率和变比，变频装置的输出电压、功率和频率，通过调节频率值控制变压器的加热效果。本发明直接将两个整流桥反向并联，采用晶闸管自然换流方式实现变频，工作稳定、可靠，没有直流环节、主回路简单，变频效率高。利用两组整流桥直接反向并联的变频电源，在大型电力变压器现场短路加热中具有更显著的优势。

Description

一种大型电力变压器低频加热的实现方法

技术领域

本发明涉及大型电力变压器的试验方法，具体说是一种大型电力变压器低频加热的实现方法。本发明中提到的大型变压器是指电压等级为500kV及以上的电力变压器，包括换流变压器。

背景技术

大型电力变压器体积大、重量重，成品运输十分不易。因此，电力工程中倾向于采用拆分运输、现场组装的建设模式。变压器现场组装的过程中，绝缘件可能因暴露在空气中受潮，因此在安装完成之后投运之前，需对变压器进行加热处理，使内部的水分排出，提高绝缘件的干燥强度，进而提高电气强度，保证安全运行。变压器在解体大修之后，同样需进行加热干燥处理。在气候条件严寒的情况下，大型电力变压器投运，也需将变压器加热到规定的温度下方能投运。

现有的变压器加热干燥处理的方法有：热油循环或喷淋、热风循环、真空干燥、“短路法”等等。

热油循环、热风循环、真空干燥法属于外部加热法，现场应用时加热效率低、耗时长、在外部环境温度较低的情况下难以达到较好的加热效果。如公告号为CN101692402A的专利中提到用真空罐进行变压器干燥加热，但此方法只适用于变压器制造厂房内，难以现场应用。

“短路法”是使变压器绕组内部流过短路电流，从器身内部加热，能大大提高效率，缩短加热时间。如公告号CN103151720A的专利中公布了利用短路法从内部加热变压器油。但目前“短路法”主要采用工频，电源不仅要提供用于绕组发热的有功功率，还要提供变压器消耗的无功，需要的电源容量大，现场使用困难；若采用电容补偿，会使得加热装置庞大，不便移动，难以现场应用。

因此，基于短路法，研究变压器加热效率更高、装置体积更小的新技术，对缩短变压器的安装工期、提高变压器现场加热干燥效果、改善变压器绝缘状态、保障变压器安全运行具有重要意义，能带来巨大经济效益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决上述问题，提供一种切实可行的大型电力变压器低频加热的实现方法。

所述大型电力变压器低频加热装置，包括移相变压器和交流-交流变频装置，所述移相变压器的输入端连接三相交流电源，移相变压器的输出端连接所述交流-交流变频装置的输入端，交流-交流变频装置的输出端与被加热变压器的一侧端口连接，用于在被加热变压器的另一侧端口短接时对被加热变压器进行低频加热；所述交流-交流变频装置包括两个反向并联连接的三相整流桥。

在所述被加热变压器上设有温度传感器。

所述交流-交流变频装置设有输出电压频率调节装置。

一种利用上述装置的大型电力变压器低频加热的实现方法，其特征在于，按照下述过程实现低频加热：

一、确定低频加热装置的输出电流为被加热变压器的额定电流，所需的低频加热装置的功率S按下式计算：

式(1)；

式中，P_h为额定电流下被加热变压器的直流电阻发热功率，为低频加热装置的功率因数，η为加热效率；

低频加热装置的输出电压U＝0.707R_ZI_N式(2)，

其中，R_Z是折算到网侧的被加热变压器的直流电阻，I_N为被加热变压器的额定电流；

二、确定移相变压器的参数：

确定移相变压器的额定输出电压为U，变比为U₀/其中，U₀为输入的三相交流电源电压值；移相变压器的移相角为30度；

三、确定所述低频加热装置的控制方式，为方波调制方式和正弦波调制方式之一；

四、初始调节低频加热装置中交流-交流变频装置的输出电压频率，按照下列加热电流的有效值和交流-交流变频装置输入电压有效值的关系式计算：

$I_h=\frac{\sqrt{2}U}{R_z}(1-0.17\·f)$ 式(3)；

式中，f为电源频率，R_Z为折算到网侧的被加热变压器直流电阻，I_h为加热电流的有效值，U为交流-交流变频装置的输入电压有效值；

所得到的频率值为低频加热装置的频率上限，调整初始频率使输出电流达到额定电流值，同时监测被加热变压器的温度，在测定的温度达到允许的温度上限时，降低交流-交流变频装置的输出电压频率，控制绕组温度在允许的范围内。

优化方案是，所述低频加热在被加热变压器的热油循环加热的过程中同时进行。

过程三中，优化方案是，以方波调制方式控制变频输出，满足回路的输出效率。

过程四中，优化方案是，监测被加热变压器的温度采用实时测量被加热变压器油温的方式，应用于在变压器内充油运行状态。

本发明利用低频电流加热，与工频加热相比，输出同等加热电流时，所需加热装置的容量会大幅减少；且低频加热无需进行无功补偿。从变压器绕组内部加热，加热快、效率高，且装置体积小、重量轻、便于移动式应用。

所述低频交流电源由“交—交”变换电路构成，采用两组桥式整流电路反向并联而成。两组桥式全控整流电路周期性交换导通的正负方向，实现电压的交变输出。每组整流桥均由6个晶闸管构成，通过控制每个晶闸管的导通角对电路的输出电压进行调节。

所述低频交流电源的控制方式可采用正弦波调制，也可采用方波调制。正弦波调制是通过动态控制每一个晶闸管的导通角，使得负载两端的电压逼近正弦变化。方波调制是使整流桥工作在导通和闭锁两种状态下，输出至负载两端的电压近似为方波。采用正弦波调制时，低频交流电源输出电压为正弦波，电流接近于正弦波，晶闸管开关频率高、工作效率低，功率因数平均为0.6；采用方波调制时，低频交流电源输出电压为准方波，电流接近于方波，晶闸管开关频率低、工作效率高，功率因数接近于1。由于回路功率因数接近于1，加热电源输出功率几乎都是用于绕组发热的有功功率，加热效率更高。

本发明相比现有技术的优势是：

(1)本发明直接将两个整流桥反向并联，采用晶闸管自然换流方式实现变频，工作稳定、可靠，没有直流环节、主回路简单，变频效率高。而“交直交”变频电源虽技术成熟，但用于大型电力变压器现场加热仍存在缺陷，主要表现在以下两个方面：一是“交直交”由整流电路、滤波电容、逆变电路构成，中间存在直流环节，电路复杂，稳定性低；二是“交直交”变频电源为避免出现上下桥臂直通的短路工况，会对开关元件设置死区时间，导致变换效率降低，在同等装置容量下，会降低变压器现场加热效率；三是“交直交”变频电源控制和保护更为复杂，变电站施工现场电磁环境和电源质量较为恶劣，会造成安全隐患，一旦出现问题，就可能带来严重损失。因此，本发明提出的利用两组整流桥直接反向并联的变频电源，在大型电力变压器现场短路加热中具有更显著的优势。

(2)采用低频加热方法，利用变压器绕组短路电流从内部加热，加热效率高、干燥效果好，耗时短。可配合传统的热油循环、真空干燥等方法一起使用，进一步提高加热效率、缩短加热时间。

(3)由于加热电源频率更低，回路阻抗角接近于0度，输出功率中无功含量非常小。因此，输出同等电流的情况下，低频加热电源的输出容量与工频相比大幅降低，加热装置的体积重量大大减小，现场使用便捷、移动方便、应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明加热装置的回路连接示意图。

图中：1—三相交流电源，2—移相变压器，3—交流-交流变频装置，4—被加热变压器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步说明：如图1中所示，所述大型电力变压器低频加热装置，包括移相变压器2和交流-交流变频装置3，所述移相变压器2的输入端连接三相交流电源1，移相变压器2的输出端连接所述交流-交流变频装置3的输入端，交流-交流变频装置3的输出端与被加热变压器4的一侧端口连接，所述被加热变压器4的另一侧端口短接；所述交流-交流变频装置3包括两个反向并联连接的三相整流桥，两个反向并联连接的三相整流桥分别输出正波和负波到被加热变压器。本发明在上述装置的基础上，利用低频电流加热，与工频加热相比，输出同等加热电流时，所需加热装置的容量会大幅减少；且低频加热无需进行无功补偿。低频交流电源作为变压器现场加热电源，其输入端由380V站用电供电；被加热变压器绕组中流过低频短路电流发热，进而加热变压器绝缘介质，达到去潮干燥的效果。进一步的，改变低频交流电源的输出电压和频率，可以调节变压器绕组的发热功率；通过测量变压器绕组温度和变压器顶层油温，可以实时监测被加热变压器的温升。

当被试变压器短路电流较大时，在380V站用电源与低频加热电源输入端中间串接一个移相变压器，一方面用于抬高输入电压，进一步提高低频加热电源的输出电压，另一方面移相变压器还有抑制谐波的作用，保护电网不受变频电源的谐波干扰。

所述低频交流电源由“交—交”变换电路构成，采用两组桥式整流电路反向并联而成。两组桥式全控整流电路周期性交换导通的正负方向，实现电压的交变输出。每组整流桥均由6个晶闸管构成，通过控制每个晶闸管的导通角对电路的输出电压进行调节。

利用该装置的大型电力变压器低频加热的实现方法，结合具体实施例对本发明进一步说明。

选择型号为ZZDFPZ-363400-500-800的换流变压器作为被加热的变压器。其主要参数为：网侧额定电压为535kV，网侧额定电流为1176.5A，负载损耗为1061kW，阻抗电压为18.97％，空载电流为0.089％，网侧直流电阻为0.22579Ω(80℃下)，阀侧直流电阻为0.03757Ω(80℃下)，变比为3.123。

按被试变压器参数可计算得，额定电流下该变压器直阻发热功率P_h为819.7kW，占负载损耗百分比为77.3％。因此，加热电源的功率S可根据式(1)求得：

式(1)

式(1)中，P_h为额定电流下换流变直阻发热功率，为加热电源的功率因数，η为加热效率。取η＝90％，可计算得S＝930kVA。

电力系统施工现场的站用交流电一般为380V，结合加热电源的功率可计算得输入电流为1413A。

加热电流的有效值I_h和输入电压有效值U的关系如式(2)所示。

$I_h=\frac{\sqrt{2}U}{R_z}(1-0.17\·f)$ 式(3)

式(3)中，f为电源频率，R_Z为折算到网侧的被试变压器直流电阻。当频率f足够小时，要使I_h＝I_N，(I_N为被加热变压器额定电流)则输入电压有效值U＝0.707R_ZI_N。可计算得：U＝493V。因此，加热电源输出电压的最大值输出电流有效值为被加热换流变额定电流，最大约为1180A。

站用交流电为380V，加热电源输入电压有效值值为493V，因此可确定移相变压器两端的电压为380V/697V。

交流-交流变频装置的控制方式可采用正弦波调制，也可采用方波调制。正弦波调制是通过动态控制每一个晶闸管的导通角，使得负载两端的电压逼近正弦变化。方波调制是使整流桥工作在导通和闭锁两种状态下，输出至负载两端的电压近似为方波。采用正弦波调制时，低频交流电源输出电压为正弦波，电流接近于正弦波，晶闸管开关频率高、工作效率低，功率因数平均为0.6；采用方波调制时，低频交流电源输出电压为准方波，电流接近于方波，晶闸管开关频率低、工作效率高，功率因数接近于1。由于回路功率因数接近于1，加热电源输出功率几乎都是用于绕组发热的有功功率，加热效率更高。为提高加热效率，本实施例中选择方波调制方式，使整流桥的每个晶闸管交替工作在固定导通角的导通状态和闭锁状态下，输出至被加热变压器绕组两端的电压近似为方波。

按式(3)，可计算输出电流为0时的频率值：f_h＝6Hz。此频率即为低频加热电源输出的频率上限。在加热过程中，可设定低频加热电源的起始输出频率为6Hz。在加热过程中，逐渐减小频率，增大低频加热电源的输出电流。利用电流互感器和波形分析仪监测此输出电流，当输出电流达到被加热变压器额定短路电流时，保持频率不变，可使输出电流稳定为变压器额定短路电流。

加热过程中需监测绕组温度。当被加热变压器中没有充油时，变压器的绕组温度不宜超过95℃。当被加热变压器中有油时，应在加热过程中监测顶层油温；为防止油温过高造成绝缘劣化，顶层油温不宜超过85℃。

绕组平均温度可通过式(4)确定。

$T=\frac{315R}{R_1^{\′}+k^2{R}_2^{\′}}-235$ 式(4)；

式(4)中，R′₁和R′₂分别为被试变压器两侧绕组80℃时的直流电阻。R为当前状态下，变压器直流电阻的测量值。

对于本实施例，加热时间为20小时左右，可达到较好的干燥效果。

本实施例针对具体的被加热变压器，给出了低频加热电源装置的特性参数。此参数下，低频加热电源装置也可应用于其他±800kV及以下的大型电力变压器。对于其他的大型电力变压器，根据仿真分析和试验估算，利用低频加热电源进行加热的时间以20h-48h为宜。

Claims (4)

1.一种大型电力变压器低频加热的实现方法，其特征在于，大型电力变压器低频加热装置，包括移相变压器(2)和交流-交流变频装置(3)，所述移相变压器(2)的输入端连接三相交流电源(1)，移相变压器(2)的输出端连接所述交流-交流变频装置(3)的输入端，交流-交流变频装置(3)的输出端与被加热变压器(4)的一侧端口连接，用于在被加热变压器(4)的另一侧端口短接时对被加热变压器进行低频加热；所述交流-交流变频装置(3)包括两个反向并联连接的三相整流桥；在所述被加热变压器(4)上设有温度传感器；所述交流-交流变频装置(3)设有输出电压频率调节装置，按照下述过程实现低频加热：

一、确定低频加热装置的输出电流为被加热变压器(4)的额定电流，所需的低频加热装置的功率S按下式计算：

式(1)；

式中，P_h为额定电流下被加热变压器(4)的直流电阻发热功率，为低频加热装置的功率因数，η为加热效率；

低频加热装置的输出电压U＝0.707R_ZI_N式(2)，

其中，R_Z是折算到网侧的被加热变压器(4)的直流电阻，I_N为被加热变压器(4)的额定电流；

二、确定移相变压器(2)的参数：

确定移相变压器的额定输出电压为U，变比为其中，U₀为输入的三相交流电源(1)电压值；移相变压器的移相角为30度；

三、确定所述低频加热装置的控制方式，为方波调制方式和正弦波调制方式之一；

四、初始调节低频加热装置中交流-交流变频装置(3)的输出电压频率，按照下列加热电流的有效值和交流-交流变频装置(3)输入电压有效值的关系式计算：

$I_h=\frac{\sqrt{2}U}{R_z}(1-0.17\·f)$ 式(3)；

式中，f为电源频率，R_Z为折算到网侧的被加热变压器直流电阻，I_h为加热电流的有效值，U为交流-交流变频装置(3)的输入电压有效值；

所得到的频率值为低频加热装置的频率上限，调整初始频率使输出电流达到额定电流值，同时监测被加热变压器(4)的温度，在测定的温度达到允许的温度上限时，降低交流-交流变频装置(3)的输出电压频率，控制绕组温度在允许的范围内。

2.根据权利要求1所述的大型电力变压器低频加热的实现方法，其特征是：所述低频加热在被加热变压器(4)的热油循环加热的过程中同时进行。

3.根据权利要求1所述的大型电力变压器低频加热的实现方法，其特征是：过程三中，以方波调制方式控制变频输出，满足回路的输出效率。

4.根据权利要求1所述的大型电力变压器低频加热的实现方法，其特征是：过程四中，监测被加热变压器(4)的温度采用实时测量被加热变压器(4)油温的方式，应用于在变压器内充油运行状态。