特高压换流变压器空载试验用单调谐滤波器电源系统设计

吕晓东，阮 炜，司代均，姜杏辉

（1.广州西门子变压器有限公司，广州 510530；2.苏州华电电气股份有限公司，江苏苏州 215124）

0 引言

近年来，随着世界经济的发展，电力需求逐渐增大，电网容量提升，特别是国内直流输电工程的飞速升级，变压器产品的容量扩大，试验要求进一步提高和细化。传统发电机组作为试验电源，存在升级改进困难、占地面积大、运行耗能大、安全风险高、维护复杂等缺点。变压器长期在谐波环境下运行时，会产生大量的损耗、发热，从而使变压器绝缘水平下降，降低变压器的使用寿命，严重时会对电网安全造成影响［1-2］。

目前国内外大型变压器试验室基本采用传统电动-发电机组作为试验电源。国内大型变压器制造厂试验室使用的工频电动-发电机组一般为15 000 kVA、30 000 kVA或60 000 kVA，输出频率固定为50 Hz或在45～65 Hz范围内可调，配合中间变压器和电容器塔组成试验系统，完成电力变压器／换流变压器相关的空、负载及温升、有载分接开关空负载切换等出厂试验［3］。倍频发电机组较工频发电机组容量要小的多，输出频率固定为200 Hz，配合中间变压器、电抗器组成试验系统，完成换流变压器相关的感应耐压及局放、换流变压器谐波损耗等出厂试验。

大型发电机组一般需安装在户内，且对基建有很高要求，配套的如起动、控制、监测、冷却系统等，占地面积非常大，系统复杂。因此发电机组存在一些限制，当有新类型的变压器产品对试验能力要求更高，现有发电机电源容量或功能有所限制时，要进行改造或扩容极为困难。购置新机组首先需评估规划大量的场地空间，其土建到机组安装调试的周期长、工作量大，当客观条件有限制时，通常无法实现。现有技术条件下，大型发电机类电源设备几乎不具备可移动、临时安装使用的可能，也使得在故障或应急情况下，没有租借其他机组的条件，发电机组占用的场地空间也无法调整或改变。由以上原因导致发电机电源能力不够或发生故障受损时，涉及风险代价极高，增加相关问题处理成本和保险成本。

实际使用中，发电机组还存在以下不足［4］：（1）发电机存在自激效应，带较大的容性负载时甚至可能出现“飞车”事故，在试验室安全评估上是典型的风险点；（2）发电机运行损耗高，启动、停机耗时较长；（3）旋转电机存在机械相关的安全风险，需特别的防护措施；（4）发电机组常规的监控、维护涉及范围大，耗费人力、时间较多；（5）发电机运行带来的噪声、振动污染对周围环境的影响明显。

鉴于发电机组作为试验电源时，在出厂试验时存在上述“瓶颈”问题，变压器厂家采用了一种基于“整流-逆变”原理的新型的高压变频电源系统，用于变压器出厂试验和现场交接试验，使变压器试验设备更安全、高效，操作更简单，在节能、空间节省、灵活性上具有突出的优势，为变压器试验室电源提供一种新解决方案。

1 主要性能指标及组成

换流变压器是直流输电系统中联系交直流电网不可或缺的电气设备，由于电网电压的波动可导致换流变压器运行于过电压工况，其产生的大量的谐波电流流经换流变压器不但会造成变压器绝缘的损坏，还会导致变压器负载容量下降，影响其安全稳定运行［5］，因此换流变压器的空载试验，特别是空载过电压试验成为换流变压器不可或缺的试验项目［6-7］。

相比普通电力变压器，特高压换流变压器空载试验难度更高［8］，具体表现在以下3个方面：（1）特高压换流变压器容量大，对试验电源容量要求更高；（2）特高压换流变压器空载电流谐波含量高，对试验电压波形的影响更大，空载试验中波形控制难度更大；（3）特高压换流变压器除按照标准要求进行空载损耗和空载电流测量的例行试验项目，还根据国内惯例要求进行1.1Ur下长时间（12 h）空载试验和空载励磁特性测量（最大电压要求达到1.15Ur甚至是1.2Ur）等特殊试验项目。

针对换流变压器空载过电压的谐波，本文基于大容量的试验的电源，设计多个单调谐滤波器，实现试验回路中谐波电流最小化［9］，谐波电压畸变率满足变压器试验导则的要求［10］，从而保证换流变压器1.1Ur电压下的空载试验顺利完成。

2 核心技术特点

对于特高压换流变压器，它的空载试验的主要问题在于：被试变压器容量大，要求试验电源有更高的容量；空载电流谐波含量高，对试验电压波形的影响更大，更难控制空载试验中的波形；当试验电压大于Ur时，空载电流和空载容量都会发生急剧增加的现象，使得电压波形的畸变变得更加严重［11］。这就对试验电源容量和电压谐波的抑制提出了更高的要求。

2.1 试验电源容量的估算

空载试验的目的是通过测量空载电流、铁心中的磁滞损耗和涡流损耗等变化来发现磁路缺陷（如硅钢片间绝缘不良、局部硅钢片被短路、穿心螺杆或压板的绝缘损坏造成铁心的短路等）和电路缺陷（如匝间短路、绕组并联支短路以及并联支路匝数不相等）。

通过对比产品参数，可知大型单相换流变压器空载试验容量远大于同容量的三相变压器。国家标准要求［12］，空载试验需施加到110%Ur（额定电压）。查国内最高电压等级的昌吉-古泉工程的高端588 MVA／±275～1 100 kV换流变的设计技术参数，并参考以往类似换流变试验数据，估算110%Ur下的空载试验容量：110%Ur时的空载电流预计为0.7%，则试验容量S＝4520 kVA；考虑因波形畸变导致的有效值电压和平均值电压偏差10%，则试验容量S＝4 970 kVA；考虑回路的损耗，和电源输出的裕度，则电源容量S＝5 960 kVA。空载过励磁下的电流基本为非线性电感电流，功率因数可低至0.1（滞后），因此电源需具有承担较低功率因数下较大无功负载的能力。

根据上述估算，换流变压器空载试验对试验电源容量需求应不小于6 000 kVA。

2.2 空载试验时实测试验数据与分析

根据试验导则的要求，空载试验在100%Ur时，电压波形畸变（有效值电压相对于平均值电压的偏差）不大于3%。大型单相换流变压器空载试验时，因铁心磁密较高，波形畸变比同容量甚至更大容量的三相变压器还要严重。如表1和图1所示，空载励磁电流是随电压非线性变化的感性电流。当变压器铁心励磁进入饱和区后，空载电流急剧增大，谐波增加，也导致电压波形畸变。其中电流谐波又以3、5、7次谐波最大，如表2所示。

表1 493 MVA／±800 kV换流变压器空载试验实测数据

表2 空载电流谐波测量（测量频率：50 Hz）

图1 493 MVA／±800 kV换流变压器空载励磁特性曲线

由表2可见，空载电流含有以3、5、7次谐波为主的高次谐波电流，这一畸变的高次谐波电流经过试品、中间变等试验回路进入电源，使电压波形发生畸变，并由此导致空载电压也发生畸变。

根据大型换流变空载试验特性，试品所产生高含量谐波电流将作用于试品、中间变压器和电源的自身阻抗，引起试验电压波形失真。当畸变太大时，不光影响产品绝缘，其无功功率也可能超过电源的输出能力而使得试验无法达到标准要求。为此研制相应的空载滤波补偿装置，用于抑制该试验时出现的高含量谐波电流［13］。

空载滤波补偿装置由电容器和电抗器组成单调谐滤波器，一般同时配置3次和5次滤波装置。3次滤波装置的选型方法参照计算模型如图2所示，5次滤波装置选型可参照计算［14］。具体计算步骤如下。

图2 高压滤波补偿装置的计算模型

（1）高压三次滤波装置的电阻R3、电感L3和电容C3的确定

三次滤波器的电阻、电感、电容部分可由下式确定：

式中：U0为被试变压器试验电压的基波分量；ω0为试验电压基波角频率；Q为高压滤波器的品质因数，Q的取值范围是40～100，一般取值50。

（2）固定电容器和可调电抗器的额定电流IN的确定

固定电容器和可调电抗器串联使用，其电流包含基波电流分量和三次谐波电流分量。固定电容器和可调电抗器的额定电流IN由下式确定：

式中：I3为基波电流分量。

（3）固定电容器的额定电压ULN和电抗的额定电压UCN的确定

固定电容器和电抗器所承受的电压包含基波分量和3次谐波分量。固定电容器的额定电压UCN和电抗器的额定电压ULN可由下式确定：

式中：UC3.0为固定电容承受的基波电压分量；UC3.3为固定电容承受的三次谐波电压分量；UL3.0为可调电感承受的基波电压分量；UL3.3为可调电感承受的三次谐波电压分量。

3 试验系统等值谐波阻抗与滤波器参数的调整

3.1 试验系统谐波电流等值电路模型

滤波器参数选择和系统等值谐波阻抗有关。在分析中不考虑系统原有谐波恒压源的作用，将n次单调谐滤波器以外的支路并联，作为系统的等值谐波阻抗ZSn［6］。等值电路如图3所示。可以求得母线n次谐波电压为：

图3 在谐波电流源作用下的等值电路

Yfn＝1／Zfn，YSn＝1／ZSn

3.2 单调谐滤波器参数与谐波分析

如图3所示，流入系统的n次谐波电流为：

流入滤波器的n次谐波电流为：

将流入系统的n次谐波量ISn与n次谐波量In之比称为流入系统的n次谐波系数KSn：

KSn越小，流入系统的n次谐波电流比例就越小。必须指出，KSn的大小不仅决定于Zfn，也决定于ZSn，因为Zfn+ZSn是向量和，不是简单的算术和，Zfn最小时不一定使KSn最小。

流入滤波器的n次谐波电流Ifn与In之比称为流入滤波器的n次谐波系数Kfn：

将n次单调谐滤波器阻抗Zfn表示为Zfn＝Rfn+j，代入式（13），得：

图4所示为n次滤波器的KSn、Kfn与δ的关系曲线。由图可知，KSn＝1是KSn＝f（δ）在等效频率偏差δ无限增大时的渐近线；而Kfn＝0是Kfn＝f（δ）在δ无限增大时的渐近线。KSn存在最小值（滤波效益最好）和最大值（滤波效益最差），其相应的δ值可以从＝0中求得：

图4 KSn、Kfn与δ的关系曲线（全谐振参数的单调斜滤波器）

当δ＝δemax时，滤波效益最好，KSn值最小。

当δ＝δemin时，滤波效益最差，KSn值最大。

由式（16）、（17）可知，当系统n次等值谐波阻抗是感性（XSn＞0），则δemax为正值，δemin为负值。由图4（a）可以看出，在δ＜0时，不仅KSn大，而且Kfn也大，KSn+Kfn＞1，而在δ＞0时，KSn+Kfn≈1，这是因为在δ＜0时感性等值系统阻抗与容性滤波器阻抗会出现n次谐波电流的放大现象。特别是在δemin处，KSn+Kfn≫1，发生n次谐波电流的严重放大。同理，在XSn＜0时，δemax为负值，δemin为正值，将出现前述相反的情况，如图4（b）所示。

显然，考虑了系统谐波阻抗影响后单调谐波滤波器并不是调谐在全谐振状态时最合理，当XSn＞0在-δm时滤波效益较+δm时差得多。合理的做法是，使-δm时和+δm时滤波效益相等。因此，滤波器中电感值应采用偏谐振值，即

式中：ε为电感偏谐振率。

这样，滤波器在等值频率偏差为δ时的阻抗为：

若使+δm和-δm时KSn相等，则ε值可以从下式求得：

得：

式中：XCn＝1／（ωnC）

从式（20）看出，当XSn为感性（XSn＞0）时，ε为正值，按式（18）求得的电感为过谐振值。反之，当XSn为感性（XSn＜0）时，ε为负值，求得电感为欠谐振值。

3.3 单调谐滤波器参数调节与验证

换流变压器空载时，1.0Ur及以下试验时，系统等效阻抗为容性，且此时空载电流及试验容量均较小；超过1.0Ur后，变压器铁心进入拐点后饱和，系统等效阻抗呈感性，且此时空载电流及试验容量均非常大，其电流可达额定电压下空载电流的8～10倍，因此该单调谐滤波器的设计应该为过谐振点设计，从而满足1.1Ur空载电流的滤波需求。图5～6为针对某台变压器出厂试验，进行谐振点调偏，来验证单调谐滤波器谐振点的调整与系统参数的关系，图中K＝Umean-Urms／Umean，表征空载试验电压的畸变程度，不同电压下的励磁程度不同，K值可能出现正负变化。由图可知，三五次7串三并，谐振频率分别为162.4 Hz和268.8 Hz时，1.1Ur试验电压下，试验电压的有效值和平均值误差最小，即此时波形最好，同时试验电流亦是最小的。因此，结合式（20）与试验实测数据，可有以下结论：

图5 某换流变压器1.0倍Ur时单调谐滤波器不同谐振点滤波效果比较

（1）当Xsn为感性（Xsn＞0），即试验系统等效阻抗为感性时，滤波器应设置为过谐振值，即该单调谐滤波器的谐振频率应大于谐波频率；

（2）当Xsn为容性（Xsn＜0），即试验系统等效阻抗为容性时，滤波器应设置为欠谐振值，即该单调谐滤波器的谐振频率应小于谐波频率；

（3）换流变压器空载试验时，单调谐滤波器设计应该为过谐振点，此时效果可以达到最佳。

图6 某换流变压器1.1倍Ur时单调谐滤波器不同谐振点滤波效果比较

4 在各台大容量产品上验证的空载试验

4.1 415 MVA／±800 kV的单相换流变空载试验

首先是415 MVA／±800 kV的换流变压器的空载试验，表3～4分别展示了在不接入和接入滤波补偿装置两种不同情况下的试验结果。

表3 不接入滤波补偿装置

表4 接入滤波补偿装置

以上对比可以看出，接入滤波补偿装置后，电压波形畸变程度由6.1%降低至1.2%效果明显；相同的平均值电压下，对应的有效值电压也明显降低；根据空载试验的要求，加至要求的平均值电压时，对应的有效值电压有所降低，相当于提高了空载试验能力。

4.2 588 MVA／±1 100 kV的单相换流变空载试验空载试

当试验的换流变压器达到额定容量588 MVA，特高压±1 100 kV时，进行不带滤波器的试验以及带有不同参数滤波器的试验，可以得到表5～6所示的试验结果。

表5 不带滤波器试验实测数据

表6 带滤波器试验实测数据

由以上试验结果对比可以看出，当滤波器参数为3次：7串3并时，其1.05Ur以下试验电流数据与不带滤波器相差不大，1.05Ur以上试验电流数据与不带滤波器相差比较明显。

5 结束语

针对目前国内特高压大容量换流变压器生产和现场试验的技术要求，为满足变压器在110%额定电压下的空载试验，研发项目通过对单调谐滤波器在过谐振和欠谐振频率下的理论研究，结合变压器的实际试验需要，进行修正和优化。该电源系统在全世界最高电压等级±1 100 kV，588 MVA的换流变压器出厂试验中，空载试验电压波形完全满足国家标准和技术协议的要求，解决了以往变压器厂家和现场电源容量不足的难题［15］，同时对变压器厂家的电源设备改造升级，提供一种新的解决方案，这对于变压器的研发及应用具有十分重要的意义。