一台特高压换流变压器温升试验的分析与计算

杨在葆，刘永，韩凯，赵永亮，刘同文

(山东电力设备有限公司，山东 济南 250022)

换流变压器作为直流输电系统中主要的电工设备，为保证其质量，每一台换流变压器都要经过严格的试验测试方可出厂，温升试验可以验证变压器冷却系统能否将最大总损耗产生的热量散发出去，确定规定状态下变压器油、绕组的温升参数及油箱、结构件等有无局部过热现象[1]。该试验目前被作为换流变压器出厂试验中的例行试验项目逐台进行，考虑到换流变压器自身运行的特殊性，在具体试验方法上与普通变压器相比，仍有许多不同之处。

根据文献[2]，列举换流变压器与普通电力变压器温升试验的异同，通过阐述一台±1100 kV低端换流变压器温升试验过程及结果，重点对总损耗的施加、绕组温升的计算及热时间常数的确定进行了分析，并提出相关建议。

1 换流变压器与普通电力变压器的区别

由于换流变压器的运行方式与换流器的换相所造成的非线性特质密切关联，所以换流变压器在绝缘、谐波、偏磁、调压等方面与普通变压器相比有着迥然不同的特点。

1.1 绝缘设计的影响

首先，额定工作状态下，阀绕组端部与地之间以及阀绕组与网绕组之间的主绝缘上长期承受直流电压。当系统发生潮流反转时，阀绕组所承受的直流电压也同时发生极性反转。换流变压器中长期持续受到的交直流叠加电场的作用以及以极性反转为代表的直流跃变电压的作用是换流变压器绝缘配合上应考虑的主要问题，因此换流变压器的主绝缘较普通变压器而言要采用更多的纸板，组成油—纸隔板系统。

1.2 直流偏磁问题

换流变压器在运行中由于交直流线路的耦合、换流阀触发角的不平衡、接地极电位的升高等多方面原因会导致换流变压器阀侧及交流网侧线圈的电流中产生直流分量，使换流变压器产生直流偏磁现象，从而导致换流变压器损耗、噪声都有所增加。

1.3 有载调压范围大

为了补偿换流变压器交流侧电压的变化，换流变压器运行时需要有载调压。换流变压器的有载调压开关还参与系统控制以便于让晶闸管的触发角运行于适当的范围内，从而保证系统运行的安全性和经济性。为了满足直流降压运行的模式，有载调压分接范围相对普通的交流电力变压器要大得多。

1.4 高次谐波对损耗和温升的影响

换流变压器绕组负载电流中的谐波分量将引起较高的附加损耗，因为谐波的频率高，故单位谐波的附加损耗比单位基波的高。因此如何确定由谐波引起的损耗是确定换流变压器负载损耗和温升的中心问题[3]。

2 换流变压器温升试验简述

2.1 换流变压器总负载损耗及等效电流的确定

换流变压器实际运行当中，流过阀侧绕组的电流含有一定的谐波分量，该谐波电流的大小与换流阀的参数有关，其在换流变压器绕组中产生的损耗是不可以忽略的，因此，与普通变压器不同， 换流变压器的负载损耗应该是各个谐波频谱下负载损耗之和。由于频率的变化对绕组电阻损耗没有影响，但不同频率下绕组及结构件的附加、杂散损耗不但与外施电流有关，还与施加频率有很大关系，根据文献[2]中的规定，工厂试验时，应分别进行两次不同频率下的负载损耗测量，进而求得总负载损耗，有以下公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:R—电阻损耗的等效电阻，Ω

P1—基波频率下折算到85 ℃时的损耗，kW

I1—基波频率下电流，A

f1—基波频率，Hz

Px—x频率下折算到85 ℃时的损耗，kW

Ix—x频率下电流，A

fx—x频率，Hz

PSE1—杂散损耗，kW

PWE1—涡流损耗，kW

PCU—电阻损耗，kW

u—电压比

U网侧(LW)—网侧额定电压，kV

U阀侧(VW)—阀侧额定电压，kV

IX网侧(LW)—换算到网侧的谐波电流，A

IX阀侧(VW)—用户给定谐波电流，A

根据公式(1)、(2)可确定杂散损耗PSE1及涡流损耗PWE1，再根据用户提供的谐波频谱及公式(3)-(5)，计算所有频率下负载损耗，最后进行求和，即可得出总运行负载损耗[4]。

换流变压器油面温升稳定并保持规定时间后，要降至等效电流，该等效电流是模拟换流变压器额定运行条件下绕组中的电流，其大小由公式(6)确定[4]：

(6)

式中:Ieq—与绕组在运行中负载损耗等效的正弦电流方均根植，A

ILN—所考虑绕组运行时的负载电流方均根植，A

PWE1—基波频率下的绕组涡流损耗，kW

FWE—绕组涡流损耗附加系数;

PSE1—基波频率下的结构件杂散损耗，kW

FSE—结构件杂散损耗附加系数。

2.2 换流变压器与普通变压器温升试验区别分析

与普通电力变压器相比，换流变压器在温升试验开始建立油面温升时，为了模拟其运行状态，所施加的总损耗包括了总运行负载损耗、空载损耗和直流偏磁损耗(由用户及设计提供)，即施加总损耗，而普通变压器的总损耗仅包括负载损耗与空载损耗；在油面温升达到稳定后，普通变压器的温升稳定持续时间为3 h，而换流变压器油面温升的稳定持续时间规定为12 h；在测量绕组温升时，换流变压器应降至等效电流，而非额定电流；在同一批次相同电压等级的换流变压器中，通常挑选一台设备开展超铭牌容量运行下的温升试验，目前技术协议一般规定为1.05倍容量，持续3 h测量其顶层油温升。

3 换流变压器温升试验计算实例

现以一台±1100 kV低端换流变压器为例，进一步介绍该系列换流变压器的温升试验计算，换流变压器型号为ZZDFPZ-607500/750-275，具体参数见表1。

表1 换流变压器技术参数

根据用户技术协议要求，分别测量50 Hz和200 Hz下负载损耗，按照文献[5]中的规定，额定频率下施加的电流值等于额定电流，频率更高时的施加电流值为10%至50%额定电流值，试验数据见表2、表3，其中200 Hz下负载损耗电流施加值为20%额定电流。

表2 50 Hz下负载损耗

表3 200 Hz下负载损耗

以31分接为例，由公式(1)-(2)求得31分接基波频率下的绕组涡流损耗PWE1和结构件杂散损耗PSE1，再根据公式(3)-(5)及用户给定的谐波频谱值计算得绕组涡流损耗附加系数FWE和结构件杂散损耗附加系数FSE，进而求得各谐波频谱下的负载损耗，具体计算见表4。将表4中各频率下Px相加得31分接下1.0倍容量下总负载损耗为1661.63 kW，同理，计算得31分接下1.05倍容量下总负载损耗为1840.11 kW。

温升试验采用短路法，阀侧a、b短路，网侧A、B输入电流，分接位置31，冷却类型ODAF。试验第一阶段试验容量1.0 p.u.，以施加总损耗为准，即总负载损耗加空载损耗加直流偏磁损耗，稳定12 h，测量油平均温升，油顶层温升；试验第二阶段降至1.0 p.u.等效额定电流，持续时间1 h，测量各绕组平均温升、热点温升，利用公式(6)计算得等效额定电流为1543.03A；试验第三阶段升至1.05 p.u.试验容量，持续时间3 h。试验数据见表5。

利用停电后连续测得的热态直流电阻值推导停电瞬间热态直流电阻，见图1、图2。

图1 网侧直流电阻值推导

表4 31分接总负载损耗计算

表5 温升试验数据

图2 阀侧直流电阻值推导

表6为温升试验结果及协议要求值，图3-图8为温升稳定阶段油箱各部位红外成像图片。

表6 温升试验结果及协议要求值

图3 网侧升高座热成像 图4 分接开关对侧热成像

图5 分接开关侧热成像 图6 顶部热成像

图7 阀侧升高座热成像 图8 风扇热成像

4 结 论

(1)根据文献[5]中规定，温升试验可以施加总损耗的80%，试验结束后可以通过换算到100%损耗的方式得到油面温升，但是由于前述换流变压器与普通变压器温升试验的区别，其施加总损耗是基波损耗与谐波损耗的叠加，因此，建议在试验设备满足条件的前提下施加应加的总损耗，只有这样才可以充分验证换流变压器在实际运行状态中的承受能力。

(2)温升试验时，温度升高和持续时间相应的变化为指数函数关系，起始阶段温度上升较快，随后温度的增加愈来愈缓慢，故相应稳定所需要全部时间基本取决于热时间常数的大小，而热时间常数与试品的热容量成正比，与散热有关的热传导系数成反比；此型号换流变压器温升试验时，稳定时间为5 h，这样可以反推热时间常数约为2 h，所以在后续该型号的换流变压器中，可以采用仅开动油泵保持油的强迫循环，当温度升高到预定稳定值后，再启动风扇恢复到额定冷却条件下运行的方法，提前使变压器达到温升稳定状态，稳定时间可以提前到2 h。

(3)通过图3—图8可以观察到该换流变压器油箱表面因漏磁原因产生的最大过热点位于油箱顶部，该位置不易观察，容易纰漏，因此，建议试验人员在温升试验过程中对整个试品进行全方位的红外扫描，确保产品各部位的热点温升始终在协议范围内。