CN203519747U - 采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置 - Google Patents

Abstract

一种采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置，包括依次连接的交流试验电源和次级连接被试变压器的中间变压器，其特征是：在所述中间变压器和被试变压器之间并联连接一组或多组高压滤波器，所述高压滤波器为高次谐波RLC串联滤波器。本实用新型提出了一种基于补偿滤波复合技术的大型变压器试验装置，解决了目前大型变压器试验中对于波形质量要求和电源容量之间的矛盾，既能补偿试验电流基波，也能滤除试验电流中的谐波，显著减小试验电源容量,改善试验电压波形；且滤波器在空载升压过程中一直工作在回路中，不需高压投切，不会产生暂态过电压，试验风险系数大为降低。

Description

采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置

技术领域

本实用新型涉及大型变压器试验技术领域，具体说是一种采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置。

背景技术

大型电力变压器是输变电系统中最重要、最昂贵的设备之一，其可靠性直接关系到电力系统安全稳定运行。变压器出厂或大修投运前，需进行试验，以检查变压器内部是否存在缺陷，能否安全投运。变压器空载试验能发现变压器铁芯和绕组的质量问题，是变压器必做的试验项目之一。

目前，国内外大型变压器的典型空载试验回路由试验电源、中间变、被试变和测量系统构成。试验电源输出电压，经中间变升压之后加在被试变两端，提供试验所需的电压波形。试验电源一般采用同步发电机组或调压器。

变压器空载试验时，由于铁芯的磁化曲线是非线性的，在正弦励磁下，空载电流含大量高次谐波，是非正弦的。尤其是变压器铁芯饱和之后，空载电流中感性无功分量剧增。大型电力变压器容量高，阻抗大，非正弦的空载电流会导致空载试验电压波形发生畸变，影响空载试验参数的准确测量。因此，标准《电力变压器试验导则》（JB/T501-2006）中规定了变压器空载试验中，波形校正因数d（平均值电压表读数U’和有效值电压表读数U的相对偏差，即d=(U'-U)/U'）小于等于3％。

空载电压波形产生畸变的根本原因在于非正弦空载电流流过试验回路中元件阻抗时产生压降；尤其是被试变压器铁芯饱和之后，畸变更为明显。改善电压波形质量可从两方面入手：一是增大电源容量，二是减小回路阻抗。

对于超高压和特高压的电力变压器而言，增大电源容量十分困难，因为根据实际经验，空载试验电源容量取0.1Sn（Sn为被试变额定容量）左右才能满足波形畸变要求，成本太高、投资大、试验装置过于庞大。

因此，大型电力变压器空载试验中，多采取减小回路阻抗的方法来保证试验电压波形畸变满足要强求。目前，国内外常用的是高压投切无功装置（如电容器组等），即在变压器空载试验中铁芯趋于饱和时投切高压无功补偿装置，用以补偿空载电流中的感性分量。例如，中国发明专利CN200810020115.1中公布了利用电容器组进行变压器损耗试验中无功补偿的方法；又如，中国实用新型专利CN200820014071.7中公布了一种利用带抽头的电容器组进行变压器试验补偿的装置。

高压电容对空载电流中感性工频基波分量的补偿有一定效果，但对空载电流中的谐波分量反而有放大作用，引起电压波形的更大畸变。同时，投切并联补偿电容会产生暂态过电压，最高会超过额定电压的1.26倍，可能引起回路振荡，存在一定风险。

因此，研究实际可行、可用的大型变压器试验补偿技术，减小试验电源容量，提高试验波形质量，是亟待解决的问题。尤其是随着特高压交直流的进一步发展，能提供优质试验电压的移动式大型变压器（包括换流变压器）试验装置应用前景日益广阔，研究新型的变压器试验和补偿技术迫在眉睫。

发明内容

本实用新型针对现有技术的存在问题，提出一种采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置，能够较好地解决目前大型变压器试验中对于波形质量要求和电源容量之间的矛盾，为变压器试验技术及成套装置向现场化、小型化方向发展起到积极推动作用。

所述采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置，包括依次连接的交流试验电源、中间变压器、被试变压器，其特征是：包括依次连接的交流试验电源和次级连接被试变压器的中间变压器，其特征是：在所述中间变压器和被试变压器之间并联连接一组或多组高压滤波器，所述高压滤波器为高次谐波RLC串联滤波器，该高次谐波RLC串联滤波器作为并联在被试变压器输入端的唯一滤波形式，其特征频率为被试变压器额定频率的奇数倍，所述高压滤波器的品质因数Q的取值范围为大于等于10，小于等于50。

作为实施例，所述高压滤波器为两组相互并联的高次谐波RLC串联滤波器，其特征频率分别为被试变压器额定频率的3倍、5倍。

作为实施例，所述高压滤波器的额定电压为最高试验电压，由下式计算：U_fN=K×U_m，式中U_fN为高压滤波器的额定电压，K为安全系数，U_m为最高试验电压，取安全系数K为1.15。

作为实施例，所述高压滤波器的容量按下式计算：S_f=U_m×I_fN，其中S_f为高压滤波器的容量，U_m为最高试验电压，I_fN为高压滤波器特征频率所对应的谐波电流分量。

作为一种优化方案，所述高压滤波器的品质因数Q取值40。

作为一种实施特例，所述高次谐波RLC串联滤波器中的电容、电感、电阻元件取值分别为0.38微法±10%、2.99亨±10%、70.65欧姆±10%。

作为实施例，所述交流试验电源是高压变频电源或发电机组连接调压器组成的电源。

本实用新型相比现有技术的优点是：利用高压滤波器作为大型电力变压器试验补偿装置，既能补偿试验电流基波，也能补偿试验电流中的谐波，能有效改善试验电压波形降低畸变率，进而显著减小试验电源容量，从而使试验电源小型化，降低运输成本；且滤波器在空载升压过程中一直工作在回路中，不需高压投切，不会产生暂态过电压，试验风险系数大为降低。

附图说明

图1是大型变压器空载试验主回路示意图，

图2a是空载试验中滤波器工作于基波下的等效回路图，

图2b是空载试验中滤波器工作于谐波下的等效回路图。

图中：1—交流试验电源，2—中间变压器，3—高压滤波器组，4—被试变压器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明：如图1中所示，所述采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置，包括依次连接的交流试验电源1和次级连接被试变压器4的中间变压器2，在所述中间变压器2和被试变压器4之间并联连接一组或多组高压滤波器3，所述高压滤波器3为高次谐波RLC串联滤波器，其特征频率为被试变压器额定频率的奇数倍，所述高压滤波器3的品质因数Q的取值范围为大于等于10，小于等于50。

一种实施例，所述高压滤波器3为两组相互并联的高次谐波RLC串联滤波器，其特征频率分别为被试变压器额定频率的3倍、5倍。

作为实施例，所述高压滤波器3的额定电压为最高试验电压，以下式计算：U_fN=K×U_N，式中U_fN为高压滤波器的额定电压，K为安全系数，U_m为最高试验电压，取安全系数K为1.15。

所述高压滤波器3的容量按下式计算：S_f=U_m×I_fN，其中S_f为高压滤波器的容量，U_m为最高试验电压，I_fN为高压滤波器特征频率所对应的谐波电流分量。

一种优化方案，所述高压滤波器3的品质因数Q取值40。

一个典型应用是，所述高次谐波RLC串联滤波器，以三次谐波的RLC串联滤波器为例，其中的电容、电感、电阻元件取值分别为0.38微法±10%、2.99亨±10%、70.65欧姆±10%。

所述交流试验电源1可以是高压变频电源或发电机组连接调压器组成的电源。

上述实施例特征可以相互应用在不同的实施例中。

所述交流试验电源1可以采用常规的大型变压器试验电源，如大容量发电机组和调压器；也可以采用新型的变压器试验电源，如高压变频电源等。

所述中间变压器2用于提升试验电压，两侧电压由电源输出电压和被试变电压等级决定，容量由试验电源容量和中间变自身的阻抗共同决定。

所述高压滤波器组3的每一组均由滤波器由电容、电感、电阻元件串联构成。下述的滤波器均指单组的高压滤波器。高压滤波器并联在被试变压器两端时，空载电流中频率等于滤波器特征频率的谐波被完全滤除；对于频率低于滤波器特征频率的分量，滤波器呈容性，可补偿铁芯的感性电流；对于频率高于滤波器特征频率的谐波分量，滤波器呈感性，感性电流被分流（抑制）。因此，滤波器可减少流入试验电源的谐波电流，同时降低谐波电压。根据谐波特征，选择合适的滤波器特征频率，可使滤波器在补偿基波的同时分流低频谐波，进而改善被试变压器两端的试验电压波形，降低试验电源容量。

利用等效电路分析滤波器对空载电流基波和谐波的补偿效果，如图2a、2b所示。对空载电流基波而言，由于滤波器特征频率大于工频，因此回路中滤波器可等效为容性负载（如图2a所示），而被试变压器在饱和之后呈现出极大的感性，滤波器可补偿这部分感性电流，从而减小空载电流基波大小。对空载电流谐波而言，由于被试变压器铁芯的非线性磁化效应，可将被试变等效为一个谐波电源进行分析（如图2b所示）。此时，中间变和试验电源部分回路可等效为感性负载；而滤波器特征频率低于或者等于谐波电流频率，也呈感性；因此，滤波器能分流谐波，进而减小流入试验电源的谐波分量。

上述分析表明，大型变压器空载试验中，当铁芯饱和空载电流畸变时，高压滤波器可补偿空载电流基波、滤掉谐波，改善试验电压波形，有效减小交流试验电源容量。

下面结合具体实施例详细说明本实用新型的实施流程。值得说明的是，本实用新型并不局限于此实施例，对其他的各种类型的大型变压器试验均适用。

选择具体实施例为：±800kV单相换流变压器，具体参数如表1所示，对应的中间变压器参数如表2所示。

表1±800kV换流变压器主要参数：

表2升压变参数：

额定容量	10.5MVA	短路阻抗	6%
				低压侧额定电压	12kV	高压侧额定电压	145.5kV
空载损耗	11kW	负载损耗	40kW

具体的计算分析流程为：在仿真分析工具（如PSCAD、Matlab等）中根据被试变压器的励磁曲线建立分析模型。根据图1的电路结构，建立试验回路分析模型。其中，电源可等效为容量可变的理想电源；中间变压器不考虑饱和状态，可等效为带损耗的变压器；滤波器为RLC电路，由电阻、电感、电容构成。

改变试验中理想电源的输出电压值，分析空载电流和被试变压器两端的试验电压，对比加滤波器前后试验电源和中变压器输出功率、试验电压的波形校正系数d和总谐波含量THD。

滤波器的特性参数包括额定电压U_fN、特征频率λ、品质因数Q、额定容量S，通过这些参数可计算对应的电阻、电感、电容元件的取值，特性参数的选取和计算方法如下：

额定电压U_fN：

滤波器的额定电压按照最大试验电压乘以一定的安全裕度选取。本例被试变压器最高试验电压U_m可能达到1.15U_N=113.7kV（式中U_N为额定电压）。考虑空载试验中电压有效值一般比平均值电压表的有效值读数大，取一定的安全系数（1.15），则滤波器额定电压U_fN=130kV。

特征频率λ：

滤波器的特征频率与需滤除的谐波频率相等。被试变压器为单相变压器，空载电流的3次谐波和5次谐波居多，选择滤波器完全滤除3次谐波，此时特征频率λ=150Hz。也可选择加多组滤波器，同时滤除各次谐波分量。

品质因数Q：

在常规的电力系统应用中，根据经验，滤波器的品质因数Q一般取20-40之间。对于变压器空载试验，10≤Q≤50的范围内，滤波器品质因数Q越大，空载试验电压波形畸变率和校正系数越低；而Q≥50之后，随着Q的增加，空载试验波形畸变率和波形校正因数几乎不变。因此，空载试验中滤波器的品质因数选择20-40之间即可，本例中选择Q=40。

容量S_f：

滤波器的容量过小则达不到补偿效果，滤波器容量过大，则回路为过补偿状态，滤波器自身的阻抗会带来波形更大的畸变。因此，为达到合适的波形效果，滤波器的容量选择有一个最佳值。根据实际研究经验，大型变压器空载试验中，滤波器的较佳补偿容量可按式（1）所示的经验公式估算：

S_f=U_m×I_fN                      式（1）

其中S_f为滤波器的容量，U_m为最高试验电压，I_fN为滤波器特征频率所对应的谐波电流分量。

根据式（1）可计算得到，本例中滤波器的最佳容量约为2MVA。

R、L、C值的确定：

滤波器额定电压U_fN、特征频率λ、品质因素Q、容量S_f确定之后，R、L、C各个元件值可由下列公式进行估算：

$C=\frac{S_f}{2\mathrm{\π}{\mathrm{fU}}_{\mathrm{fN}}^2}$                   式（2）

$L=\frac{1}{4{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\λ}}^{2}C}$                      式（3）

$R=\frac{2\mathrm{\π\λL}}{Q}$                 式（4）

结合前述U_fN、λ、Q、S_f，根据上述式（2）-式（4）可计算得到：C=0.38uF，L=2.99H，R=70.65Ω。

通过上述分析方法和流程，计算表1所示的±800kV单相换流变压器空载试验中加滤波器前后的相关参数，结果为：不加滤波器时，试验电压为1.1U_N时，试验电压的波形校正系数d=–4.23%，总谐波含量THD=9.68%，试验电源和中间变输出视在功率为3140kVA；加入U_fN=130kV、λ=150Hz、Q=40、S_f=2MVA的滤波器后，试验电压为1.1U_N时，d=–0.40%，THD=1.30%，试验电源和中间变输出功率784kVA。

由此可见，本实用新型提供基于补偿滤波复合技术的大型变压器试验方法，能有效减小大型变压器空载试验电源的容量，改善空载试验电压波形，解决了现有技术的缺陷，有很好的实际应用价值。

Claims (8)

1.一种采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置，包括依次连接的交流试验电源（1）和次级连接被试变压器（4）的中间变压器（2），其特征是：在所述中间变压器（2）和被试变压器（4）之间并联连接一组或多组高压滤波器（3），所述高压滤波器（3）为高次谐波RLC串联滤波器，该高次谐波RLC串联滤波器作为并联在被试变压器输入端的唯一滤波形式，其特征频率为被试变压器额定频率的奇数倍，所述高压滤波器（3）的品质因数Q的取值范围为大于等于10，小于等于50。

2.根据权利要求1所述的采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置，其特征是：所述高压滤波器（3）为两组相互并联的高次谐波RLC串联滤波器，其特征频率分别为被试变压器额定频率的3倍、5倍。

3.根据权利要求1或2所述的采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置，其特征是：所述高压滤波器（3）的额定电压由最高试验电压确定，由下式计算：U_fN=K×U_m，式中U_fN为高压滤波器的额定电压，K为安全系数，U_m为最高试验电压，取安全系数K为1.15。

4.根据权利要求1或2所述的采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置，其特征是：所述高压滤波器（3）的容量按下式计算：S_f=U_m×I_fN，其中S_f为高压滤波器的容量，U_m为最高试验电压，I_fN为高压滤波器特征频率所对应的谐波电流分量。

5.根据权利要求3所述的采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置，其特征是：所述高压滤波器（3）的容量按下式计算：S_f=U_m×I_fN，其中S_f为高压滤波器的容量，U_m为最高试验电压，I_fN为高压滤波器特征频率所对应的谐波电流分量。

6.根据权利要求1、2、5之一所述的采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置，其特征是：所述高压滤波器（3）的品质因数Q取值40。

7.根据权利要求1或2所述的采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置，其特征是：所述高次谐波RLC串联滤波器中的电容、电感、电阻元件取值分别为0.38微法±10%、2.99亨±10%、70.65欧姆±10%。

8.根据权利要求1所述的采用滤波器补偿技术的大型变压器空载试验装置，其特征是：所述交流试验电源（1）是高压变频电源或发电机组连接调压器组成的电源。

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