现场局部放电试验对称加压方式的补偿电抗器参数研究

    谢齐家，，普子恒，杜志叶，汪涛，张亚东

（1．湖北省电力公司电力科学研究院，胡北武汉  430077;2．武汉大学电气工程学院，湖北武汉  430072）

摘要：特高压换流变压器的现场局部放电试验电压等级高，现场环境复杂，试验要求高。在对称加压方式下．存在被试品端部电位羞大，电抗器补偿调节和电压电流测量不便等问题。为获得合理的电抗器补偿方式，减小对称加压方式下各端部电压差，研究了特高压换流变压器电容网络的等效方法，并根据现场试验的参数进行仿真研究，获得了补偿电抗器参数。

关键词：特高压：换流变压器：局部放电：对称加压；电容等效；电抗器

中图分类号：TM855    文献标志码：A    文章编号：1004-9649(2015)11-0045-04

0引言

    特高压直流输电距离远、容量大、损耗低，能够有效地实现能源资源优化配置。中国已建成超过20个直流输电工程，并在世界上率先建成+800 kV和+660 kV直流示范工程。特高压换流变压器是特高压直流工程巾最重要的设备之一，其稳定性和可靠性对整个直流系统的运行有着至关重要的作用。

    特高压直流工程电压等级高，在强电场的作用下．变压器中一些绝缘较薄弱的地方会发生局部放电。一般局部放电很小，不会引起绝缘的穿透性击穿，但可能导致电介质的局部损坏。若长期存在，可能导致绝缘逐渐劣化，进一步可能导致击穿的发生。为判断特高压直流变压器的绝缘状况．及时发现有关制造和安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度，必须对其进行局部放电试验，考核其绝缘性能。

    由于特高压换流变压器电压等级高，容量大，制造工艺复杂，进行现场局部放电试验的难度远高于常规超高压工程。需要对试验设备参数、选型、试验方式、抗干扰措施、现场电晕控制等多方面问题进行研究。

    现场进行局部放电试验，当换流变压器阀侧绕组为D接线时，由于试验设备容量的限制，采用双边对称加压接线方式。在对称加压情况下，由于绕组对地电容不一致，会导致被试品各端部电压不对称，电压差较大时会导致无法正常试验甚至损坏试验设备。需要对其补偿方式进行研究，得到合理的补偿电抗值，保证被试变压器两端电位的平衡。

    为解决上述问题，本文建立了换流变压器的等效电容模型，分析了被试变压器两端电压不对称的原理，并结合特高压换流变压器测量的等效电容参数以及现场试验设备参数进行仿真研究，得到使两端电压相等的补偿电抗器参数，并在现场试验中得到了验证。

1  对称加压时绕组两端电压差问题

    特高压换流变压器现场试验中常用的加压方式有单边加压方式和对称加压方式2种。

    单边加压方式只需要1台中间变压器，将特高压换流变压器阀侧绕组的一端接地，另一端承受全部试验电压。这种加压方式回路简单，电抗器补偿调节和电压电流测量方便。换流变压器的接线方式有Y-Y接线和Y-△接线2种，以哈郑+800 kV特高压直流输电工程为例，有分接头情况下．Y-Y接线时额定电压比为接线时的额定电压比为,所以，在阀侧绕组加压时Y-△接线比Y-Y接线要高倍。一般出厂试验均采用单边加压方式。但是现场试验时．由于特高压换流变压器电压等级较高．容量大．在Y-A接线时由于所需中间变压器体积和重量太大，采用单边加压方式难以进行。

    对称加压方式需要2台中间变压器，将试验电压对称施加在特高压换流变压器阀侧绕组的两端，2台试验变压器对称接线，中间接地。这种加压方式由于2台中间变压器分担电压．所承担的试验电压低，回路干扰小，单个中间变压器容量和体积较小，方便试验进行。但对称加压方式也有缺点，可能导致被试品各端部电压不对称。

    Y-△接线的特高压换流变压器采用对称加压方式，其设备的接线和各设备具体参数见图1。

    根据特高压换流变压器的等效电容以及试验频率，可以获得所需补偿电抗器总值。试验中如果补偿电抗器La、Lb取相同值，则被试变压器各端部电位差较大，需要研究合理的电抗器补偿方式，保证阀侧绕组两端的电压值基本相同。

    特高压换流变压器阀侧绕组为螺旋绕组．多根导线并联绕制。铁芯外壳等为地电位，其电容网络较为复杂。虽然从电路图上看，整个电路是对称的，但是，由于复杂的电容网络导致实际的电路是不对称的。换流变压器绕组的简化等效电路示意如图2所示，图中Co为匝间电容，Cg为匝对地电容，即绕组对铁芯和变压器外壳的电容．R、L为每匝的电阻和电感，此处主要考虑电容网络，绕组间的互感并没有标出。由于结构差异，换流变压器阀侧绕组两端对地的电容网络结构是不同的，在空载时亦造成绕组两端对地电压不同。需要通过研究提出合理的补偿方法，解决两端电压差过大的问题。

2特高压换流变压器电容的等效方法

    为得到合理的补偿电抗值，首先需要对特高压换流变压器的电容进行等效处理，主要有以下

2种方式。

    (1)集中电容法，把被试电容器一侧绕组对其余绕组以及对地的电容值按集中电容考虑．并引入等效电容系数对计算结果进行修正。

    (2)分布电容法，即将测出的变压器绕组电容按照分布电容等效进行归算，计算出各绕组对地以及绕组间的分布电容值。

    在试验时，换流变压器各绕组的电压不同．每个绕组的匝间电容和对地电容所形成的电流也不相同。如果直接用测量所得绕组端部的对地集中电容来代替对地分布电容，此时由于端部电压为全电压，必然比分布电容中电流大得多．这是不合理的，、而且作为变压器，原副边间通过磁路建立联系，绕组问电容及对地电容上的电流都会通过绕组本身，也会形成磁势从而产生磁通．如果按上述的方法，则会造成计算的磁通比实际磁通大，不能做到等效。同时要考虑绕组对地电容支路起到分流作用，如果都等效到首端．其电流会经过所有的绕组，产生的磁势也不相同．所以需要找到合理的绕组电容等效折算方法。

    特高压换流变压器结构复杂，为便于分析．做了如下简化假设：沿绕组高度的电压、电容和匝数都是均匀分布的。由于换流变压器有均压措施，局部放电试验电源的频率较低，这个简化假设基本符合实际情况。

    特高压换流变压器为单相双绕组，假设绕组高度为H，匝数为W,假设等效按照磁势相同来考虑。首先研究单边加压方式下的绕组对地电容的等效，此时一端绕组接地，取长度为dy的小段，由于假设对地电容分布均匀，则dy段对地电容为dC=C1dy/H，而此处的电压为U／H，则电容上形成的电流为i=wUC1ydy/H2（y是所对应的高度），又假设匝数均匀分布，设总匝数为N,则这个电流所流过的匝数为Ny/H，所形成的总磁势为如果完全按折算到首端的电容．设为C1'，则C1'所产生的磁势为首端电压U，其产生的容性电流亦通过所有的绕组，即经过匝数N，则其总磁势为wC1’UN，对比公式(1)可以得到

    对于网侧绕组和阀侧绕组间的等效电容，可以同上述方法进行分析计算，此时需要考虑到通过等效电容的容性电流不仅流过了阀侧绕组会产生磁势．同时也流过网侧绕组，也会产生磁势，所以需要考虑2个部分磁势相加的等效。如此时将C12等效到阀侧，则其等效公式为

    在对称加压方式下，由于两端对地都有电压，此时绕组的巾性点对地相当于为O电位，则磁链可以看做是上下2个电压为U/2的绕组的对地等效。此时的等效计算公式不同，如果按照阀侧两端电压差U为基准电压，则根据磁链守恒计算出的等效电容公式为

    此时计算网侧和阀侧绕组问的等效电容，同样考虑容性电流通过网侧和阀侧产生的2个部分磁势相加的等效电容，并将此电容等效到阀侧，则等效公式为

    在对称加压方式下，网侧绕组仍然是一端接地．所以网侧的等效电容仍然利用式(2)，然后再等效到阀侧，则需要乘以变比的平方，全部折算到阀侧的等效集中电容为

    采用这个阀侧等效集中电容可以计算出电抗补偿总量，但是用这个集中电容无法研究两端对地电压不同的问题，需要合理地分布各部分的集中等效电容。

    特高压换流变压器的具体结构涉密难以获得，无法通过电磁仿真计算获得各绕组的匝间电容和对地电容．只有通过外部测量绕组电容来进行等效．对+800 kV换流站Y-△接线的换流变压器进行测试，所得的绕组电容为：网侧对阀侧及对地电容为25.13 nF,阀侧对网侧及对地电容为10.36nF,网侧及阀侧对地电容为23.78 nF。则可以计算网侧绕组对地电容C1、阀侧绕组对地电容C2和网侧绕组对阀侧绕组电容C12分别为

由于阀侧是对称加压，两端对地电压幅值是相同的，其对地电容需要分别接在两端，将阀侧

对地电容进行等效后均分为2个部分，每部分电容值为0.98 nF。而网侧是一端接地，直接利用总等效电容值，为6.43 nF的电容。而在网侧和阀侧间的等效电容在通过等效公式(5)计算后，需要通过变比(k-l)换算到原副边之间，为8.12 nF。进一步分析可知，由于是对称加压方式，不仅在图l中的a和A端有电压差，在b和B端也有电压差，如果只将网侧和阀侧间电容C12等效在a、A两端之间．就没有考虑b和B端之间电容电流产生磁链的影响，会对结果造成较大的影响。需要将8.12 nF的网侧阀侧间电容分为2个4.06 nF的电容，分别等效在网侧和阀侧的a、A端和b、B端。

3补偿电抗器参数的计算与验证

    首先，根据式(1)计算出被试变压器等效集中电容折算到阀侧为25.67 nF，电抗器补偿总量为31.22 H。计算a端、b端补偿电抗器的方式如下：建立换流变压器电容等效模型，将31.22 H的电抗器分为2个部分加载在阀侧两端，计算两端电压值：改变不同的组合方式，直到两端电压值相等．即可得到所需的补偿电抗器参数。

    在电磁暂态仿真软件PSCAD中建立仿真模型．变压器采用由感抗、互感电阻和等效电容组成的等效电容模型，其感抗、互感电阻等参数根据换流变压器的参数求取，被试换流变压器的参数如表1所示，试验时其分接开关置于额定档。其他试验设备的模型参数按照图1中进行设置。

仿真时电源按照的电压来设置．即仿真中阀侧电压值为最高的268 kV。计算结果如表2所示，当两端电压完全相等时，得到最佳的电抗器补偿方式是a端补偿17.8 H．b端补偿13.42 H。

    在现场试验中，考虑制造问题，采用了7台35 kV/5 A电抗器串联，其中4台电抗器串联后与套管a并联，3台电抗器串联后与套管b并联，即补偿电抗器值为La=17.84 H,Lb=13.38 H，与仿真中最佳补偿电抗器方式基本相同。在这种补偿方式下进行交流局放试验，通过可调电抗器进行微调即保证了两端电压基本相等，验证了仿真计算的有效性。

4结论

    本文以正式投运的哈郑+800 kV特高压直流输电工程为对象，提出了Y-D连接方式时换流变压器对称加压方式下的电抗器补偿问题．研究了换流变压器的电容等效方法，并结合现场试验进行补偿电抗器参数的仿真研究，得出了以下结论。

    (1)本文中采用的分布电容等效的方法．得到各绕组对地以及绕组间的分布电容值．在对称加压补偿时得到较准确的补偿电抗值，说明了这种等效电容方法的有效性。

    (2)本文提出的仿真模型可以用于对称加压时补偿方式的计算，所计算的结果用于试验时．较好地吻合了试验数据，可用于今后的现场试验中，提高了现场试验的效率和准确性。