超高压换流变压器现场长时空载和100%总损耗负载试验的工程应用
中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心的研究人员潘志城、邓军、陆春玉、张晋寅，在2020年第3期《电气技术》杂志上撰文，针对投运12年的缺陷换流变现场长时空载和100%总损耗负载试验，对试验原理、试验设备参数、试验现场实施进行了探究。
空载损耗测量结果与出厂值的偏差为+1.24%，无明显变化，换流变铁心无明显缺陷。负载试验过程发现局部热点温升异常情况（局部温度达到92.2℃），检查分析热点原因为顶部箱沿螺栓绝缘套性能下降，在漏磁作用下产生过热。采用加装引流线的方式进行处理，处理后再次开展12h 100%总损耗负载试验，相同位置温度下降至49.7℃，基本消除了热点缺陷。
换流变压器是直流输电系统中连接直流侧与交流侧的核心设备。换流变压器空载损耗和负载损耗是变压器性能的重要参数。空载损耗的测量能检查发现变压器铁心是否存在缺陷，如局部过热、局部绝缘不良、铁心多点接地等。负载试验是评估换流变绕组缺陷、过热型故障的重要手段。
100%总损耗电流下的负载试验，相当于温升试验与负载试验的二合一，能够在长时间大电流的试验条件下诊断出换流变的损耗是否会随着电流的增大产生额外的损耗，如果换流变内部有电流致热型故障，则换流变的损耗会随着电流的增大而增大，在最大电流下出现损耗的突增或换流变局部温度的升高。100%总损耗负载试验是判断换流变电流致热型故障最为有效、考核手段最为严格的试验。
本文针对超高压换流变开展现场长时空载和100%总损耗负载试验，对试验原理、试验设备参数、试验现场实施进行了探究，试验过程发现局部热点温升异常情况，检查分析热点原因为顶部箱沿螺栓绝缘套性能下降，在漏磁作用下产生过热。采用加装引流线的方式进行处理，处理后再次开展12h 100%总损耗负载试验，相同位置温度下降至49.7℃，基本消除了热点缺陷。
1 换流变压器的缺陷情况
贵广直流输电工程±500kV安顺换流站极2 Y/ A相换流变参数见表1。换流变在2004年6月投运，2004年7月开始乙炔含量超过规程注意值（1L/L），并呈现缓慢增长趋势。2006年稳定在峰值21L/L后开始下降，2009—2015年稳定在1～4L/L，2016年5月10—15日，乙炔从4.5L/L上升到6.2L/L，增长速度过快。由换流变油色谱数据和负载数据分析发现，油色谱异常程度与换流变负载情况存在关联性。
表1 换流变参数
2016年5月16日，运行单位对缺陷换流变进行停电更换，随后开展诊断分析工作。拆解换流变阀侧3.1、3.2套管过程中发现油中端部铜环与出线装置屏蔽筒之间存在摩擦痕迹和黑色油泥（如图1所示），取样检测黑色油泥中含铜、锌、碳等成分，分析认为该套管油中端部铜环与出线装置屏蔽筒之间存在长期摩擦产生过热或放电。
换流变阀侧3.1、3.2套管运至套管厂家进行了修复及出厂试验，试验结果合格后运回安装。为评估换流变是否具备投运条件，对检修后的换流变开展感应耐压及局放试验，同时增加12h长时空载试验和12h 100%总损耗负载试验，试验过程中密切监测油色谱数据。
图1 阀侧3.1套管和出线装置屏蔽筒的故障情况
在现场开展换流变的感应耐压及局放试验，试验结果合格。
2 长时空载试验和100%总损耗负载试验的现场实施
现场长时空载试验和100%总损耗负载试验受制于现场试验环境恶劣、所需试验容量大、无功补偿精度要求高等问题，在国内外尚没有任何开展超高压换流变现场长时空载试验和100%总损耗负载试验记录，国内外可见报道中仅有在±800kV普洱换流站检修大厅开展过额定工况下换流变现场负载试验。
2.1 长时空载试验
换流变长时空载试验一般从电压较低的绕组（该换流变采用在阀侧绕组加压的形式）施加额定电压、额定频率的正弦波，其他绕组（网侧绕组）开路，试验接线图如图2所示。在此条件下测量换流变的空载损耗和空载电流。长时空载试验的主要目的是精确测量换流变的空载损耗，将测量结果与出厂值进行比较，从而检查换流变磁路上是否存在缺陷。
图2 长时空载试验的接线图
三相交流10kV电压输入变频电源柜，变频电源柜输出0～12kV电压，经过中间变压器，再通过阀侧3.1、3.2套管端子对称加压，1.1套管端子悬空，1.2套管接地。将换流变分接开关档位置于额定档，对应的阀侧额定电压为209.5kV，中间变压器采用对称加压（低压侧反向并联，高压侧串联）的方式，则中间变的高压侧额定电压选定为120kV，考虑到变频电源柜的输出电压范围，低压侧选定为10kV。
出厂试验的空载损耗值为116.3kW，试验过程中换流变的视在功率为145.5kVA，因此，高压侧额定电流选定为1A。变频电源柜容量为200kW。为测量空载电流和电压，在试验回路中增加了精度为0.01级的电流互感器和0.1级的电压互感器，设备接线图如图3所示。
图3 长时空载试验的接线图
2.2 100%总损耗负载试验
500kV换流变100%总损耗负载试验电流大，为额定电流的1.15倍。100%总损耗一般在600kW左右，试验所需的变频电源容量大，试验无功补偿精度要求高。
100%总损耗负载试验一般从电流较小的绕组（该换流变采用在网侧绕组加压的形式）施加额定频率的电压，其他绕组（阀侧绕组）短路，使阀侧绕组达到要求的电流值。100%总损耗负载试验主要目的是精确测量换流变的负载损耗，将测量值与出厂值比较，以评估换流变是否存在绕组缺陷、过热型故障等。
换流变采用网侧加压、阀侧短接方式，网侧有载分接开关置于最小档位4档（备注：4档为最大电流分接，在此档位下试验对换流变考核最严格），试验接线如图4所示。三相交流10kV电压输入变频电源柜，变频电源柜输出0～12kV电压，经过中间变压器，再通过网侧1.1、1.2套管端子并联加压，3.1、3.2套管端子短接。中间变压器采用并联加压（低压侧并联，高压侧并联）的方式。
试验过程中，阀侧绕组短路电流最大达到1416A，对应网侧绕组电流1032A。根据该台换流变出厂试验报告，在4分接档位、网侧施加额定电流1032A时，阻抗电压应为45.44kV。因此，中间变高压侧为80kV，为使变频电源输出电压在10kV左右，选择中间变低压档位为18kV（采用10kV抽头与8kV抽头串联的形式）。同时，为保证高压输出电流尽量小，以减小电容补偿的压力，采用两台中间变并联的方式，现场接线图如图5所示。
图4 100%总损耗负载试验的接线图
图5 100%总损耗负载试验的现场接线图
为确定无功补偿的电容量，以4分接开关档位对应的额定电流为计算依据，此时网侧电流为1032A，损耗为585.3kW，电压约为45.44kV，有功电流约为12.4A，无功电流为1031.92A，因此总电流中以无功电流为主。在45.44kV电压下，要产生1032A电容电流，需要的电容量为72.33F。
采用改造交流滤波场电容塔的形式提供无功补偿容量。一个滤波电容器共6组，每组48个，每个电容量为18.05F，额定电压为8.167kV。因此，每支路选有6个电容器，每组8个支路，每组电容量为24.07F。如果选用3组电容补偿支路，此时的补偿电容量为72.21F，补偿电流为1030.16A，补偿后无功剩余电流为1.76A，为欠补偿。
所以中间变需要输出1.76A的感性无功电流，加上有功电流12.4A，此时中间变输出总电流约为12.52A，折算至低压侧为55.66A，此电流亦为变频电源柜的输出电流。具体滤波场电容塔改造的接线图如图6所示。补偿电容塔的连接方式如图7所示。
图6 交流滤波场电容塔改造接线图
图7 补偿电容塔的连接线方式
2.3 试验设备参数
为减少现场所需设备的数量，将长时空载试验和100%总损耗负载试验的变频电源柜和中间变压器使用同一套设备，同一套设备同时满足长时空载试验和100%总损耗负载试验的需求，设备参数见表2。
表2 试验设备参数
2.4 试验结果
1）长时空载试验
长时空载试验的空载电流结果如图8所示，长时空载试验的空载损耗结果如图9所示。空载损耗在12h试验时间内，最大达到117.74kW，与出厂试验的空载损耗值116.3kW比较，变化率为+1.24%，换流变空载损耗无明显变化。试验过程每2h取油监测绝缘油色谱变化，乙炔含量稳定在0.1L/L、总烃稳定在0.5～0.7L/L，满足规程要求。
图8 空载电流测试结果
图9 空载损耗测试结果
2）100%总损耗负载试验
100%总损耗负载试验的负载损耗结果如图10所示。负载损耗在12h试验时间内，最大达到623.3kW，与出厂试验的负载损耗值629.8kW比较，变化率为1.03%，换流变负载损耗与出厂值相比无明显变化。试验过程每2h取油监测绝缘油色谱变化，乙炔含量略有增长并稳定在0.15L/L、总烃含量略有增长并稳定在0.8L/L以下范围。
乙炔和总烃含量略有增长的原因是：换流变在12年的运行过程中，绝缘油中的溶解气体随着绝缘油渗透到绝缘纸板，换流变检修后热油循环过程将绝缘油中的乙炔、总烃循环过滤，但绝缘纸板的绝缘油热油循环过程难以涉及。在100%总损耗负载试验过程中，绝缘纸板中的乙炔和总烃渗透到绝缘油中，并在潜油泵的油循环作用下扩散到整个箱体绝缘油中。
图10 负载损耗测试结果
3 过热型缺陷
100%总损耗负载试验过程中，对换流变开展红外温度检测，发现网侧1.1套管升高座附近油箱箱盖与箱壁连接处存在严重发热情况（如图11所示），达到92.2℃，明显高于换流变其他位置的温度以及正在运行的同类型换流变相同位置的温度。
检查发现产生热点的原因为：顶部箱沿螺栓绝缘套性能下降，在漏磁作用下产生过热。采用加装引流线的方式进行处理（如图12所示），处理后再次开展12h 100%总损耗负载试验，相同位置温度下降至49.7℃（如图13所示），基本消除了热点缺陷，处理措施非常有效。
图11 换流变热点位置和另一侧面相同位置的温度分布
图12 缺陷处理措施-加装引流线
图13 处理后热点位置和另一侧面相同位置的温度分布
4 结论
本文针对超高压换流变开展现场长时空载和100%总损耗负载试验，对试验原理、试验设备参数、试验现场实施进行了探究。
长时空载试验中间变压器采用对称加压（低压侧反向并联，高压侧串联）的方式，100%总损耗负载试验采用并联加压（低压侧并联，高压侧并联）的方式，整合两项试验中间变压器的功能需求，减少了中间变压器的数量和容量。创造性的采用改造滤波器电容塔的形式，解决了无功补偿容量大和补偿精度要求高的难题，有效减小了试验用电源的容量。
空载损耗测量结果与出厂值的偏差为+1.24%，无明显变化，表明换流变铁心无明显缺陷。100%总损耗负载试验过程发现局部热点温升异常情况，检查分析热点原因为顶部箱沿螺栓绝缘套性能下降，在漏磁作用下产生过热。采用加装引流线的方式进行处理，相同位置温度从92.2℃下降至49.7℃，热点缺陷得到有效消除。