安义岩，张星宇，刘天奇，王坤涵，尚 鑫

（国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，呼和浩特010010）

0 引言

换流变压器的长时感应耐压带局部放电测量是检测换流变压器绝缘性能的重要试验，也是换流变压器质量管控的重要环节，可以检测换流变压器器身内部是否存在局部放电或绝缘薄弱的缺陷[1-2]。按照换流站整流系统要求将换流变压器接法分为星形接法和三角形接法，三角形接法换流变压器阀侧绕组电压为星形接法的3倍[3-4]。

在现场开展局部放电测量试验（以下简称局放试验）时，加压侧通常为换流变压器电压较小的一侧，即换流变压器阀侧，目前±800 kV换流站使用的换流变压器在现场局放试验的激发电压下，星形接法换流变压器阀侧电压须达到155.4 kV，三角形接法换流变压器阀侧电压须达到269.1 kV[5]。对换流变压器阀侧施加较高的电压主要带来两方面的问题，首先，电压越高要求试验设备自身的绝缘等级越高，试验设备的体积、质量就越大，现场试验时设备运输、吊装的难度增大；其次，局放试验设备要求自身局部放电量越低、电压越高，试验设备的低局部放电量技术难度越大，同时，低压侧电压越高，现场试验时低压侧加压线、低压套管附近悬浮金属和金属尖端等产生干扰局放信号的可能性越大，给局放试验的诊断带来较大的难度[6]。因此，三角形接法换流变压器采用阀侧双端对称加压法，即在换流变压器阀侧绕组两端施加相同频率且极性相反的交流电压，使阀侧两绕组之间的电压差值达到规程要求[7]。换流变压器双端加压主要有三个优点，一是双端加压可使换流变压器阀侧两绕组均耐受电压，更接近实际运行状况，对换流变压器内部绝缘的考核更加合理；二是双端加压可以降低对励磁变压器电压等级的要求，低电压等级励磁变压器更容易运输和吊装，低压侧较低的电压也可降低试验中加压引线、周围悬浮金属产生的局放干扰；三是三角形接法换流变压器阀侧单端加压激发状态下电压为269.1 kV，高于阀侧交流耐压限值264 kV，易造成内部绝缘损坏，双端加压可以降低阀侧对地电压，保护绝缘[8-9]。

三角形接法换流变压器现场双端加压局放试验采用并联谐振方法，阀侧两端利用相同参数补偿电抗器进行无功补偿[10]。在相同试验频率下，对某±800 kV换流站三角形接法换流变压器开展现场局放试验时，发现流过换流变压器阀侧两端补偿电抗器的补偿电流和阀侧两端绕组的电压值不同，在变频电源与两台励磁变压器组成的低压侧回路中，存在约15 A的环流，试验过程中励磁变压器发热严重，存在过热故障的安全隐患。本文针对以上问题进行分析，提出解决办法，并利用仿真分析验证了方法的有效性。

1 某±800 kV换流站三角形接法换流变压器双端加压局放试验

1.1 变压器参数

变压器型号为509300/500-200，额定容量为509.3 MVA，网侧电压为530/3（23，-5）×1.25%kV，阀侧电压为178.2 kV，阀侧绝缘水平为SI-1050 kV、LI-1175 kV、AC-264 kV、DC-342 kV、PR-207 kV。

1.2 试验原理

根据DL/T 274—2012《±800 kV高压直流设备交接试验》要求，换流变压器在现场安装后需进行长时感应耐压带局放试验，局放试验前绝缘油等常规试验均应符合要求[11-12]。为降低阀侧绕组对地电压，三角形接法换流变压器局放试验采用阀侧励磁，即阀侧a端和b端双端加压的方式，同时在网侧和阀侧套管末屏处监测局部放电信号，试验原理如图1所示。

图1 双端加压局放试验原理图

1.3 试验参数

换流变压器阀侧等效入口电容C=29.12 nF，根据现有试验设备参数，阀侧两端均选用电感量为11 H的固定电抗器进行无功补偿，总电感量为22 H。当换流变压器处于完全补偿状态时，谐振频率为198.95 Hz，换流变压器在各阶段试验电压的有功损耗PS、励磁侧有功电流IR及容性电流IC的计算方法见式（1）—（4），计算结果如表1所示。

表1 换流变压器有功损耗、有功电流、容性电流

式中：K—感应电压倍数；US—网侧试验电压；UN—额定电压；fN—额定频率；fS—试验频率；P0—换流变压器空载损耗；C—低压侧入口电容。

试验时，励磁变压器高压侧额定电压200 kV，低压侧采用450 V双绕组并联，变比为444。当励磁变压器高压侧输出电压为269.1 kV、电流为0.97 A时，低压侧电压为302.7 V。励磁变压器及补偿电抗器的总损耗按30 kW计算，此时，变频电源输出电流为962.7 A，输入电流为687.6 A，总容量为450 kW，电压输出0～350 V，频率变化20~300 Hz，最大输出电流1280 A，两台励磁变压器总额定容量为900 kVA，试验设备参数满足试验要求。变频电源额定工作电压为380（1±10%）kV，试验采用两根横截面积为120 mm2的电缆并联，单根单位长度的电阻为0.153 mΩ，按每根电缆长度为100 m计算，电源电缆电阻为7.65×10-3Ω，计算得电缆上的压降为7.36 V，满足变频电源工作要求。

1.4 升压过程

根据DL/T 274—2012的要求，结合该变压器的实际情况，换流变压器现场局放试验网侧对地的试验电压及加压过程见图2。

图2 局放试验网侧对地试验电压及加压过程示意图

当试验频率≤2倍的换流变压器额定频率时，F=60 s；当试验频率＞2倍额定频率时，F=120×fN/fS，但应在15~60 s满围内；在1.3Um/3电压下，网侧高压绕组视在放电量≤300 pC，网侧、阀侧绕组电压变比k=530/3/172.8=1.77。经计算，局放试验各阶段网侧和阀侧绕组电压见表2。

表2 局放试验各阶段网侧和阀侧绕组电压 kV

2 双端电压不平衡原因分析及解决方案

2.1 出现的问题

在某特高压换流站现场开展的三角形接法换流变压器局放试验中，U2=1.3Um/3阶段的实测数据见图3。实测换流变压器输出电流I=777 A，高阀侧a端励磁变压器低压侧电流Ia=397 A，高压侧电压Ua=113.2 kV；b端励磁变压器低压侧电流Ib=410 A，低压侧电压Ub=122.8 kV，变频电源输出电压264.3 V，输出频率198.7 Hz。励磁变压器高压侧额定电压200 kV，低压侧额定电压450 V，变比444。根据实测数据反向推算，a端和b端励磁变压器变比分别为428和465，与原变比不同。变频电源对a端和b端励磁变压器输出的电流存在15 A差值。

图3 局放试验U2阶段实测数据图

2.2 原因分析

为了分析励磁变压器在试验过程中变比变化的原因，对双端加压试验电路进行等效分析，等效电路见图4。

图4 等效电路图

由于换流变压器阀侧a端和b端绕组的位置和结构不同，因此两端入口电容大小不同，在相同电源频率和电抗的情况下，两端的无功补偿不同[13-14]。假设图4中b端为欠补偿运行状态，则Cb和Lb的等效电容CX2为：

因为励磁变压器内部漏电感lb与等效电容CX2串联，因此有：

式中：Xlb为补偿电抗值；XCb为b端绕组入口等效电抗；X1b为b端漏抗；XCX2为b端Cb与Lb的等效感抗；ω为角频率。

U为理想变压器高压侧电压，，所以Ub>U。

因此，在欠补偿状态下，CX2与lb发生了一定程度的串联谐振，抬高了CX2的电压，使b端电压高于理想变压器输出电压（励磁变压器额定变比下输出电压），提高了励磁变压器的变比。一般情况下励磁变压器的漏抗lb较小，因此试验时串联谐振的程度不大，b端电压升高不大[15]。同理，假设a端运行在过补偿状态下，推导得：

式中：XlX1为a端Ca与La的等效感抗；Xla为a端漏抗。

等效感抗与励磁变压器漏抗在电路中为串联关系，励磁变压器漏抗与a端等效电抗产生分压，由于la较小，因此分得电压较小，换流变压器a端电压Ua略低于理想变压器输出电压。

根据现场试验数据和模型计算结果可以推断，阀侧两端电压不平衡主要是由于在相同频率下，a端和b端入口电容不同，在相同电感值的补偿电抗器作用下，两端发生了欠补偿和过补偿现象，进而产生了串联谐振和分压现象，导致欠补偿一端电压偏高，过补偿一端电压偏低。换流变压器两端在局放试验时的不完全补偿，主要带来两个问题。

（1）由于换流变压器两端无法同时达到完全补偿状态，换流变压器阀侧a端和b端的电压极性不可能完全相反，其矢量和必然小于测量装置显示的标量和，导致换流变压器两端实际压差小于规程要求，没有达到绝缘的考核效果。

（2）励磁变压器自身绕组变比未发生变化，但由于两端电压的不平衡，导致励磁变压器低压侧受高压侧影响产生压差，两台励磁变压器低压侧与变频电源组成的电气回路产生15 A环流，降低变压器的有效使用容量和有效输出，在长时间的试验过程中引起绕组异常发热，造成励磁变压器过热。

2.3 解决方案

基于对三角形接法换流变压器双端电压不平衡的分析，提出以下解决方案。

（1）由于阀侧两端入口电容不同，可采用可调补偿电抗器调节补偿电抗值的大小，使阀侧两端在相同频率下实现完全补偿后，阀侧两端为阻性，避免了串联谐振和分压现象的产生。这种方法可以有效消除两端电压不平衡和环流的产生，同时使两端电压极性完全相反，对变压器绝缘考核效果更佳。

（2）调节励磁变压器的变比，欠补偿一端的变比适当减小，过补偿一端的变比适当增大，使两端励磁变压器高压侧电压更加接近，降低环流。

（3）采用两个变频电源对a端和b端分别供电，在两电源输出同频同相条件下，使欠补偿一端输出电压适当降低，过补偿一端输出电压适当增大，降低环流和电压不平衡。

3 仿真分析

搭建与现场试验相同参数的仿真模型，换流变压器入口总电容为29.12 nF，换流变压器a端和b端之间的电压等于电容Ca与Cb的电压之和，即Uab=Ua+Ub，Ua与Ub始终极性相反，因此，等效电容Ca与Cb为串联关系，其大小与谐振频率的平方成反比。根据出厂测试结果，计算得仿真模型中Ca=49.39 nF，Cb=71.13 nF，在U2=1.3Um3时，低压侧回路总损耗25 kW，补偿电抗器电感为11 H，变频电源输出电压为264.3 V，输出频率198.7 Hz。

仿真结果为换流变压器阀侧a端电压Ua=112.5 kV，低压侧电流有效值399 A；阀侧b端电压Ub=124.1 kV，低压侧电流有效值412 A，两端电压差值为11.6 kV，电流差值为13 A。仿真结果与现场实测结果基本相符，说明三角形接法换流变压器现场局放试验时双端电压不平衡，励磁变压器低压侧存在环流。

（1）在变频电源输出频率不变的情况下，保持补偿电抗器的总电感量22 H不变，增大阀侧a端补偿电抗器电感值，减小b端补偿电抗器电感值，使阀侧a端和b端达到完全补偿状态，在198.7 Hz试验频率下发生完全并联谐振，进行仿真。仿真结果为阀侧a端电压Ua=116.7 kV，b端电压Ub=116.7 kV。仿真结果表明，调节两端补偿电抗器电感值，使同一试验频率下阀侧两端电压达到完全补偿，从而消除励磁变压器低压侧环流，使两端电压极性完全相反，达到标准要求的电压考核值。

（2）在变频电源输出频率不变的情况下，不改变阀侧两端补偿电抗器的电感值，将阀侧a端励磁变压器变比调高，b端变比调低，使阀侧两端电压趋于平衡，进行仿真。仿真结果为Ua=116.8 kV，Ub=116.7 kV，仿真模型中a端励磁变压器变比为453，b端励磁变压器变比为424。仿真结果表明，改变励磁变压器变比，可以使阀侧两端电压趋于平衡，但无法实现完全平衡，励磁变压器低压侧依然会存在小的环流。同时，目前国内励磁变压器高压侧电压值固定，低压侧设置几个固定分接，现场很难通过调节变比使电压充分接近，因此调节变比的方法在现场的应用受到限制。

（3）在变频电源输出频率不变的情况下，采用双电源分别给阀侧a端和b端回路供电，保持输出频率和相位相同，增加阀侧a端变频电源输出电压，减小阀侧b端变频电源输出电压，使两端电压趋于平衡，仿真结果为阀侧a端电压Ua=116.7 kV，b端电压Ub=116.8 kV。仿真结果表明，调节变频电源能够实现两端电压趋于平衡，同时励磁变压器低压侧分别与两个变频电源连接，两个励磁变压器低压侧未形成电气连接，因此不存在环流，目前换流变压器局放试验用变频电源可以实现两台电源同频同相输出，但若实现同时输出不同电压困难较大。

4 结束语

本文针对三角形接法的换流变压器局放试验双端时电压不平衡问题，通过现场试验结合仿真得到电压不平衡的原因是使用相同补偿电抗时，欠补偿一端电压发生串联谐振，导致电压升高；过补偿一端发生励磁变压器漏抗分压，电压降低。通过调节补偿电抗器的电感值可以实现换流变压器双端完全补偿，有效解决电压不平衡和产生环流问题，确保双端电压极性相反；改变励磁变压器变比或采用双电源供电也可以使双端电压趋于平衡，消除环流，但双电源供电在现场实现的难度较大。现场试验时可将调节补偿电抗器电感值与调节变压器变比相结合，使双端电压趋于平衡，降低励磁变压器低压侧环流。