变压器低频电流短路法加热技术与装置研究报告.docx
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变压器低频电流短路法加热技术与装置研究报告
变压器低频电流短路法加热装置与技术研究报告
1.研究背景
大容量的特高压变压器的体积和运输重量大，制造厂完成组装后运往运行地点难以实现，目前采用现场组装方式。
大型变压器也常常在现场进行检修。
变压器现场安装和检修工作中，油处理和绝缘干燥往往需要花费一周以上时间，在寒冷地区环境温度低的冬季干燥时间更长。
变压器油处理和干燥的目的有①脱去油和固体绝缘中的水分。
②脱去绝缘油的气体。
③滤除绝缘油中的杂质。
其中，脱去变压器油和固体绝缘中的水分是耗时最多的过程。
绝缘干燥的过程是脱去水分的过程，而脱水就必须使水沸腾汽化。
由水的沸点温度和压力、真空度的关系可知，提高器身和变压器油的温度、提高变压器的真空度（降低密闭变压器内部气压）可以使水沸腾汽化，从而脱去绝缘中的水分，完成绝缘的干燥。
循环油的油温越高、真空度越高、油的流量越大，绝缘干燥过程越短。
现场变压器油处理和绝缘干燥过程中通常采用油处理装置进行真空热油循环，为外部加热方式。
干燥过程为外部的绝缘油处理装置将绝缘油加热，再由绝缘油将热量传到固体绝缘，同时将变压器保持较低的内部气压，使绝缘中的水分汽化后排出。
由于变压器的散热作用，会使其出口油温显著低于入口油温，大部分变压器油和固体绝缘的温度也会显著低于进口油温，脱水效率低。
若为了使变压器本体温度提高，必须提高入口油温。
但是，油温太高，会影响变压器油的抗氧化性能，固体绝缘在局部高温下会劣化。
因此，常用的绝缘油处理设备的加热功率仅100kW左右，最大仅270kW左右，其工作温度最高65℃左右。
另一方面，由水的汽化温度与压力的关系可知，变压器热油循环干燥时提高真空度可以在较低的温度下带走水分。
但是，变压器的真空度受其各部分机械强度的限制。
加快油的流量也可加快变压器干燥过程。
但是，油的流量取决于油流通道的面积和流速。
对于变压器而言，其油道面积是一定的，而油循环速度太快会导致变压器油产生静电，危及变压器绝缘。
因此，GB50148-2010《电气装置安装工程电力变压器、油浸电抗器、互感器施工及验收规范》规定了油温、真空度和注油速度。
上层油温不得超过85℃。
抽真空时，油箱变形最大值不得超过壁厚最大值的两倍。
注油速度不宜大于100L/min。
在热油循环过程中，滤油机加热脱水温度不应超过70℃，油箱内温度不应低于40℃。
当日环境平均温度低于15℃时，为了保证干燥效果，应采取保温措施。
因此，由绝缘油处理装置作为单一热源进行变压器干燥时，加热不均匀，加热温度调节不及时，温度控制偏差大，干燥效果差。
若盲目地片面提高绝缘油入口油温，甚至造成绝缘油和固体绝缘劣化。
在严寒地区低温环境下，由于变压器散热快，干燥效果差，需要更长的干燥时间，影响施工周期。
因此，应采用多热源加热的方式，使变压器干燥过程中温度分布合理、温度损失小、干燥效果好、缩短变压器施工周期。
2.国内变压器施工中绝缘干燥技术现状
目前，国内变压器施工中绝缘干燥采用电加热真空热油循环、煤油气相干燥、油喷淋真空干燥、零序电流真空干燥、短路电流真空干燥、涡流加热真空干燥、蒸汽加热真空干燥等。
其中，可用于变压器现场施工的干燥方法是真空热油循环、短路电流真空干燥、零序电流真空干燥、涡流加热真空干燥、蒸汽加热真空干燥等
真空热油循环干燥方法
如前所述，此处不再赘述。
②短路电流真空干燥
对施工中的变压器一侧绕组励磁，选择适当的绕组短路。
目前常采用工频电流加热，对变压器油箱抽真空。
可以在注油前进行短路电流真空干燥。
绕组发热是主要热源。
由于没有绝缘油的循环和散热，在较低的气压下热量损失较小，特别适用于严寒环境。
另一方面，由于没有绝缘油循环，导线温度分布不均匀。
③零序电流真空干燥
适用于有零序平衡回路的3相变压器。
由Y侧三相短路加电流，对变压器油箱抽真空。
可以在注油前进行零序电流真空干燥，在较低的气压下热量损失较小。
油箱是主要热源，温度分布不均匀。
④涡流加热真空干燥
由绕在变压器油箱外的励磁绕组加电流，使油箱发热。
可以在注油前进行涡流加热真空干燥，在较低的气压下热量损失较小。
⑤蒸汽加热真空干燥
在变压器油箱底部及四周布置蒸汽管道，通常仅作为辅助加温和低温环境中的保温。
3.低频短路加热技术分析
3.1被加热变压器参数计算与分析
以某±800kV换流站换流变压器参数为参考，其额定及计算参数如下表1所示：
表1被试品（换流变压器）参数
编号（型号）
额定容量
（MVA）
额定电压（kV）
变比
额定电流
（A）
短路阻抗（80℃）
负载损耗（kW）
直流电阻
（Ω，80℃）
折算直阻RDK（Ω）
等值电阻RK
（Ω）
漏感LK
（mH）
%
Ω
含谐波
无谐波
I2R
1#
405.2
U1=530/
U2=171.9
1.780
I1=1324.2
I2=2357.2
19.71
45.55
1056.82
（80℃）
892.95
（80℃）
599.39
（25℃）
r1:
0.19926
r2:
0.06784
0.41420
（80℃）
0.50924
（80℃）
0.14498
2#
405.2
U1=530/
U2=171.9/
3.083
I1=1324.2
I2=4083
19.69
45.51
1092.16
（80℃）
914.70
（80℃）
599.78
（18.2℃）
r1:
0.19742
r2:
0.024000
0.425537
（80℃）
0.52164
（80℃）
0.14485
3.2变压器漏抗、等值电阻与试验频率的关系分析
以等值电阻及直流折算电阻都相对较大的2#的换流变作分析。
理论分析与实际使用经验均表明，随着电源频率的降低，变压器短路试验时，漏磁（涡流）损耗、杂散损耗等附加损耗均相应降低。
作为工程应用，考虑作简化分析，此处按附加损耗大致与频率成正比处理。
当电源频率降至0.2Hz时，附加损耗估算如下（折算至80℃）：
[914.70-599.78×（235+80）÷（235+18.2）]×（0.2÷50）kW=0.674kW
相对于直流电阻损耗（折算至80℃）：
599.78×（235+80）÷（235+18.2）kW=746.18kW
即使考虑一定的估算误差，附加损耗相对于直阻损耗也几乎可以忽略不计。
因此，实际损耗基本由绕组的直流电阻决定。
故在较低的频率时（此处取1Hz以下），下表中的等值电阻Rk可用折算直阻RkD替代。
低频下换流变阻抗与频率及功率因数的关系见下表2：
表2低频下被试品阻抗与频率的关系
频率（Hz）
50
1
0.6
0.5
0.2
0.1
0.08
漏抗Xk（Ω）
45.506
0.910
0.546
0.455
0.182
0.091
0.0728
等值电阻Rk（Ω）
0.52164
0.425537
阻抗（Ω）
45.510
1.005
0.692
0.623
0.463
0.435
0.432
功率因数
0.011
0.423
0.615
0.683
0.919
0.978
0.986
Xk/Rk
87.24
2.14
1.28
1.07
0.43
0.214
0.171
3.3低频短路加热参数分析
3.3.1试验频率
由表2可知，当试验电源频率降至0.5Hz左右时，被试换流变短路阻抗的感性分量（漏抗）和阻性分量（电阻）趋于相等，此时，试品需求的有功和无功相等。
见下表。
若进一步降低试验电源频率，则感性分量进一步降低，需求的无功也相应降低。
而当电源频率降至0.1Hz时，短路阻抗中的感性分量仅为阻性分量的21.4%（约1/5），而二者系矢量和构成该频率下的短路阻抗，因而对短路阻抗以及试验容量的影响微乎其微（仅约2.3%），所以再进一步降低试验电源频率已无实际意义，选择试验频率为0.5～0.1Hz是合适的，更经济地，取0.2～0.1Hz。
表3试验容量与电源频率的关系（按施加额定电流1324.2A计算）
频率（Hz）
1
0.6
0.5
0.2
0.1
0.08
无功（kvar）
1595.69
957.41
797.85
319.14
159.57
127.66
有功（kW）
746.18
视在（kVA）
1761.5
1213.85
1092.40
811.56
763.05
757.51
3.3.2
试验电流
为加速换流变的绝缘干燥处理过程，在确保试品安全的前提下，可考虑采用额定电流或总损耗等值电流进行试验，甚至，在有效监控被加热变压器油温和/或绕组温度的情况下，可短时间施加更大的电流，以更快地升高被加热变压器内部温度，缩短工作时间。
工程实际中，在外部真空干燥加热滤油机的配合下，为充分保证设备的安全性，避免被加热变压器内部局部过热损坏绝缘，往往采取较低的加热电流（小于额定值）即可取得非常好的加热效果，完全能够满足工程应用要求。
3.3.3试验电压
试验电压取决于试品的短路阻抗、试验电源的频率和施加的试验电流。
以施加1300A（额定值为1324.2A）电流为例，如下表4所示：
表4试验电压与电源频率的关系（计施加电流1300A）
频率（Hz）
1
0.6
0.5
0.2
0.1
0.08
阻抗Zk（Ω）
1.005
0.692
0.623
0.463
0.435
0.432
施加电流（A）
1300
试验电压（V）
1306
900
810
602
566
562
实际使用中，尽可能避免无功补偿，考虑试验电源频率在0.2～0.1Hz范围，则试验电压基本在600V以内（此电压仍系低压，安全性较高）。
此外，工程实际中，考虑施加在换流变的功率一般不超过500kW，这样实际施加电压及容量则进一步降低。
如下表5所示：
表5试验电压、容量与电源频率的关系（计施加功率500kW）
频率（Hz）
1
0.6
0.5
0.2
0.1
0.08
阻抗Zk（Ω）
1.005
0.692
0.623
0.463
0.435
0.432
等值电阻Rk（Ω）
0.425537（80℃）
施加功率（kW）
500
施加电流（A）
1084A
试验容量（kVA）
1181
813
732
544
511
508
试验电压（V）
1089
750
675
502
472
468
3.4试验系统框图
因采用低频电流短路法加热，可通过降低电源频率，使试验电压降至变频电源可直接输出的水平，因而可省去中间变压器；同时，因降低频率，极大程度地减少了试验系统的无功需求，无需无功补偿装置（补偿电容器），因而结构简单清晰，系统可靠性高。
如下图所示：
图1变压器绝缘干燥加热处理控制系统图
4.变压器低频电流短路法加热装置研究
如前所述，成套低频正弦波变频短路加热装置主要由大功率低频正弦变频电源、温度测量及控制装置构成。
4.1装置的构成
表6低频加热装置主要配置
序号
名称
主要规格、参数
单位
数量
备注
1.
变频电源柜
800kVA，单相
输出0～630V、1300A、0.08～10Hz
台
1
2.
移相变压器
850kVA、50Hz
输入：
三相，380V，可Y/Δ切换
输出：
六相，690V，Y、Δ各一组
台
1
3.
控制箱
光纤连接，远程控制
台
1
4.
温度
测量元件
PT100，0～150℃
套
1
5.
380V
配电柜
额定容量：
1000kVA/100kVA
相数：
三相
输入电压：
400V
额定电流：
1500A/160A
台
2
6.
综合控制室
4×2.25×2.59m，集装箱（内装所有电缆）
只
1
图2装置构成示意图
4.2低频正弦变频电源工作原理
如图所示，输入三相380V电源，经移相变压器移相移相升压，输出一组Y接和一组Δ接的三相电源（移相30°，等效为六相电源），分别输入至各自的整流单元，经滤波，变成具有600Hz纹波脉动的较为平滑的直流电压。
DSP发生器输出低频正弦载波信号，经高频调制波调制，通过两组并联的逆变单元逆变（SPWM方式）输出，再经滤波器滤除载波后，即可获得幅值、频率独立可调的良好的低频正弦电压。
移相变压器将电源由三相变为六相，极大地提高了输入侧的功率因数，同时有效的减小了输入侧向电网注入的谐波，不会对同网段其他用户造成谐波干扰。
此外，移相变压器输入侧三相六个端子均引出，可根据逆变输出电压的高低进行星角（Y-Δ）变换连接，使得输出电压较低的时候，系统仍可运行在相对较好的工作状态（PWM占空比相对仍然较高），可靠性更高。
低频正弦变频电源系统图如下图所示：
图3低频正弦变频电源系统图
4.3
低频短路加热装置技术指标
装置技术参数，如下表：
表7低频短路加热装置主要技术指标
定义
技术指标、参数
备注
额定容量
800kVA
最大可输出有功800kW
输出电压范围
0～630V
额定输出频率
0.08～10Hz
调节分辨率0.01Hz
额定输出电流
1300A
输出波形
正弦波
正负半周严格对称
输出电压失真度
THDu≤3%
输出U/f关联性
不关联，均可独立调节
输出相数
单相
主电路方案
12脉波整流，
单相逆变与滤波方案
额定输入电压
380V，50Hz
负载能力
满容量输出，功率因数可低至0.2（感性或容性）
网侧功率因数
≥0.95
满功率输出时
工作制
持续工作制
控制方式
本地、远程
变频电源总效率
≥0.95
在额定负载下
通讯
光纤通讯
保护功能
过流、短路、接地、过压、欠压、超温、通风故障、通讯故障
冷却方式
强迫风冷
工作环境温度
-20～40°C
存贮环境温度
-45～55°C
抗振性能
满足公路运输的常规抗振要求
主要部件技术参数：
1）变频电源
1额定输出容量：
800kVA（视在容量）
2输出相数：
单相
3输出电压：
0～630V
4额定输出电流：
1300A
5输出频率：
0.08～10Hz，调节分辨率0.01Hz
6输出波形：
正弦波，波形失真度THDu≤3%
7调制方式：
SPWM（载波频率2.4kHz）
8负载能力：
视在容量满载，功率因数可低至0.2
9效率：
≥97%（有功满载时）
10输入电源：
六相（Y、Δ各一组）690V，50Hz，构成12脉波整流，提高前级移相变压器输入端功率因数，降低电源电流谐波
11工作制：
满容量（视在）长时间持续输出
12冷却方式：
强迫风冷
13外观尺寸及重量：
约1550×1305×2400，约1.37吨
2）移相变压器柜
1额定容量：
850kVA
2额定频率：
50Hz
3输入：
三相，380V，可Y/Δ切换，实现输出电压的调整，改善系统工况，增强可靠性
4输出：
六相，690V（低压Δ接时），Y、Δ接法各一组
5效率：
≥97%（有功满载时）
6工作制：
长时连续
7外观尺寸及重量：
约1850×1300×2380,约2.7吨
4.4
主要部件实物外观图
变频电源柜内（正面）
变频电源柜内（正面）
变压器柜内
4.5技术性能
1输出频率可低至0.1赫兹以下，使被加热变压器的感抗降至极小，因此，在近似纯电阻负载下对变压器加热的电压和无功功率显著降低。
从而无需中间变压器，且基本无需无功补偿装置；
2加热效果好，且输出正弦波交流电压，对被加热变压器磁路无不利影响；
3构成简单，输出电压低于1000伏，采用远程数字化控制，现场操作安全方便；体积小、重量轻，储运、装卸及安装方便，运行费用低；
4占用场地小，且显著缩短了施工准备时间；
5采用三相输入单相输出，所需电源容量小，且三相负荷对称。
5.
验证试验
5.1试验方案（详见附录）
被加热变压器参数：
5.2试验过程（图片说明）
设备进场不下车试验（正面/背面）
被加热变压器
试验进行中
加热45分钟，顶层油温上升6℃（累计加热90分钟，顶层油温上升12℃）
0.1Hz加热时的原、副边电流和原边电压波形
905A短时过流加热（额定电流866A）
5.3试验数据
电压（V）
301
303
103
频率（Hz）
5
4
1
0.95
0.89
0.8
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.46
0.4
电流（A）
60
76
94
98
103
113
119
125
133
141
148
159
167
180
电压（V）
103
102
频率（Hz）
0.38
0.36
0.35
0.33
0.31
0.3
0.29
0.27
0.26
0.25
0.24
0.23
0.22
0.21
0.20
电流（A）
185
190
192
198
203
205
207
210
215
218
221
223
226
229
231
电压（V）
101
频率（Hz）
0.19
0.18
0.17
0.16
0.15
0.13
0.12
0.11
0.10
0.09
0.08
0.06
0.05
电流（A）
233
235
237
239
242
244
248
250
251
252
253
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