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换流变压器变频技术论文

发布日期:2018-07-10 作者: 点击:

  1、热油循环的原理

  热油循环时油箱上部的气体与油之间的水蒸气也存在类似的扩散平衡,通过提高真空度降低空气中的水蒸气分压,可以进一步加快水分的析出。这就是热油循环加真空循环加快干燥的原理。热油循环只是对油进行了加热,变压器绝缘纸板本身的温度是通过热油传递的,对于特高压变压器来说,有大量较厚的绝缘纸板,热油循环很难快速提升纸板本身的温度,而由外向内传热的方式使绝缘纸板的温度梯度由外向内温度逐渐降低,致使绝缘纸板内部水分有向内部扩散的趋势,这种情况不利于绝缘的干燥。因此通过绕组的发热使纸板的温度梯度转向,使绝缘纸板内部水分具有向外扩散的趋势,可以有助于纸板内水分的析出。这就是热油循环中绕组辅助加热干燥的原理。

  2、短路法和低频加热技术

  2.1短路法加热

  由于工频电源的易于获得,工频短路法加热变压器绕组的方法最先被采用[2]。短路法的基本原理是将换流变压器一侧绕组(通常为阀侧绕组)短路,从另一侧绕组(通常为网侧绕组)施加交流电压,使绕组内部流过电流(应控制不超过其额定电流),使绕组内部发热,从内部将变压器器身绝缘均匀加热到指定温度,再经过抽真空和热油循环处理,带出绝缘内的潮气,从而达到干燥的效果。短路法是绕组从器身内部加热,能大大提高效率,缩短加热时间,器身的干燥效果优于普通的热油循环效果。

  其使用的设备及接线完全与变压器负载试验相同。但是工频短路法有诸多缺点难以在现场实施。工频短路法需要用到调压器、升压变、补偿装置等大型设备,设备布置和接线工作量大;试验电压为变压器阻抗电压,高达几十kV,且试验占地面积大,进行短路法加热干燥时需要大量的人员长时间值班看守,现场安全难以把控。因此,工频短路现场加热干燥方法补偿电容器组容量大,使用的调压器、中间变压器均为体积大、重量重的大型设备,不便现场应用。实现整体加热装置的小型化,在保证加热能力的同时满足移动方便的要求,是研制现场短路法加热装置的难点。当换流变压器电压等级升高、容量增大时,利用这种基于调压器的短路法进行变压器现场加热更为困难。

  2.2低频加热的电压及容量

  工频短路加热存在的局限性,可以通过降低频率的方法进行克服,也即低频加热技术。变压器的短路状态下的等效电路如图1所示,其阻抗为Z=R+jωL。在工频状态下,jωLR,因此减小频率ω可以显著减小阻抗电压。当然在频率减小到一定程度后,R的大小不再可以忽略不计,进一步减小ω不会引起阻抗电压的降低。当频率足够低时,jωLR,变压器阻抗电压主要有变压器的直流电阻决定。图2显示了阻抗电压及无功容量与频率的关系。

  阻抗电压总体上与频率成正比,当频率接近零时,阻抗电压趋近于常数,该常数即为变压器直流电阻与短路电流的乘积。无功容量与频率成正比。因此通过降低频率不单降低了阻抗电压,还降低了无功容量,提高了加热电源的功率因数,避免了用大容量的补偿装置。相比于工频短路加热,低频加热技术明显地能够克服其局限性。对于特高压换流变压器,频率低至1Hz以下时,其阻抗电压低于1kV,通过简单的绝缘措施就可以保证安全,避免大量的安全监护人员长时间值守。同时升压装置和补偿装置都可以省略,大大减少了设备占地面积,减少了现场工作量,提高了工作效率。

  2.3低频加热电源干燥效果的仿真

  采用基菲克第二定律描述电力变压器干燥处理的水分扩散模型,建立有限元模型进行模拟对比低频加热和传统的热油循环干燥处理效果。低频加热和热油循环组合使用时会是干燥处理效果得到明显改善。模拟考虑了5mm的绝缘纸片,原始水分含量为5%。模拟干燥时间为7天。干燥方式分为油循环干燥方式及加低频加热,热油循环温度为60℃和80℃两种油温条件,有低频加热时将油温度分别加热到80℃,95℃和110℃等三种情况。

  热油循环在60℃时(没有低频加热)的干燥过程,以及同样的油温下采用低频加热温度为80℃,95℃和110℃的情况。当热油加热没有低频加热时,曲线的坡度是平的,因此干燥过程非常慢。这是因为在60℃时,绝缘材料的水分扩散系数很低,绝缘纸中的水分迁移速度很慢。根据模拟,在这种情况下,干燥7天之后,水分含量降低到2.4%。而降到2%的水分含量(按照IEEEStd62-1995的规定)需要的处理时间则长达255h。如果采用低频加热的方式,完成干燥处理会更快。使含水量降低到2%所需要的干燥时间会随着绝缘材料温度的增加而减少,低频加热80℃所需时间为64.5h,95℃为25.5h,110℃为10.7h。低频加热7天,三个加热温度下最终的纸板含水量将分别达到1.4%,1.3%和1.2%.当在热油循环80℃的油温下采用低频加热,获得的模拟结果。在这种情况下,不同温度的最终含水量彼此很接近。

  然而当采用低频加热时,在开始处理的几个小时之内就可以达到最终含水量。这种方式的干燥处理节约大量的处理时间和电力,是非常经济的。然而以上模拟结果以及讨论均是基于模型的Foss扩散系数进行推论的,然而实际的试验数据则显示该模型的扩散系数太过乐观了,实际的干燥时间会比这个模型估计的干燥时间要长。即使如此,以上的讨论和研究也是很有价值的,例如通过模拟推论的结论在趋势上是正确的。

  3、低频加热电源的研制

  3.1电源容量

  按照现场应用经验,发热电源的发热功率(有功)达到换流变负载损耗的60%左右即可满足现场加热的需要。(6)式中:cosφ是功率因数,采用基于方波调制的交交变频技术方案功率因数接近1,此处取0.98;η是电源效率,该方案电源自身损耗较小,效率是较高的,可以取90%。最大加热容量为819.7kW,因此根据上式加热电源功率应为P=930kV•A,则能满足大部分场合需求。

  3.2电压与电流

  考虑到施工现场电源接线的方便和安全性,加热电源输入电压选择380V,输入电流1413A。由于直接由380V整流后的直流电压最高仅537V,对于部分变压器该电压即使在直流情况下也无法达到额定电流相当的加热电流,因此需要配备升压变压器提高整流桥电压。设升压后线电压为U,则直流电压近似为槡2U。

  3.3整流桥与驱动电路

  3.3.1晶闸管的选型变频技术电源工作电压为700V,工作电流为1200A。晶闸管的最大电流与电源的工作额定电流相等,最大电压为相间电压的一半。为了整个系统的安全可靠,根据晶闸管选用惯例,晶闸管电压选为大于其最大承受电压的2倍以上,额定电流为工作最大承受电流的3倍以上。因此晶闸管最终选型为南车公司的1000V/46000A晶闸管。

  3.3.2整流桥的控制方式

  不同的被加热换流变压器具有不同等效直流电阻,一定的加热电流情况下,变频电源的工作电压是不同的。为了较好地调节低频加热电源的工作电压,交-交变频技术法的低频加热电源应采用可控整流的方式,通过控制导通角来调节电压。同时,为避免两个反向整流桥同时导通造成电源的短路,应首先将前一个工作整流桥关闭触发脉冲,等全部整流桥中的晶闸管自然关断后再启动另一个整流桥,实现电流的极性发转。

  3.4测量和控制系统

  整流桥工作在全波整流工作状态,可以用电平触发的方式进行控制,为了避免两个反向的整流桥同时导通导致电源短路,开通一整流桥之前必须确认对侧整流桥已经全部关断。检测方法是通过检测负载电流过零比较结果与方波输出相。若需要调节导通角α,则不能采用电平触发,而用脉冲触发。以AC相线电压为参考电压,当线电压正向过零时延时180°-α角度后给晶闸管1发出触发脉冲,其余各晶闸管的触发脉冲依次再延迟60°角触发。

  但是触发脉冲的可靠性不好,因此不建议调节导通角,本方案仍采用电平触发的方式。作为加热电源,需要有调节输出电流的机制。根据式(13),输出电流与频率有关,通过控制频率可以比较方便地控制输出电流。式(13)仅是电流波形的近似计算公式,当频率较高时,电感未充电完成即撤去整流桥触发电平,负载电流就会进一步减小,电流波形如图5虚线所示。可见进一步提高调制频率,可以继续减小负载电流,直至减小到接近于零。所以通过控制调制频率完全能够实现加热电流的零起上升。

  4、低频加热电源的现场应用

  4.1加热对象

  加热对象为哈密换流站低端换流变压器极IIYDB相,变压器的主要参数如下:额定容量405.2MV•A;额定电压530/槡3+23-5×1.25%/171.9kV;额定电流1324.2A/2357.2A;阻抗电压19.71%;直流电阻(20℃)网侧0.16131Ω,阀侧0.05492Ω;生产厂家为特变电工沈阳变压器集团有限公司。

  4.2试验接线

  低频加热电源从400V低压配电室获取电源点,单相输出线连接到换流变压器网侧套管和中性点端子上,阀侧两套管短路线连接。连接图如图6所示。

  4.3加热结果

  该换流变油重138t,为其加热的两台滤油机加热功率共为120kW×2=240kW。由于现场环境温度较低,采用传统工艺完全利用滤油机工作,滤油机出口油温保持70℃情况下,经过48h换流变下层油温达到35℃后,随后增长缓慢,安装人员经验时间为3~5d才能到达需要保持的油温60℃。当晚20:33至第二日凌晨6:30,采用湖北电科院设计的低频加热电源,结合滤油机,仅用了10h就将换流变下层提升了近50℃,之后利用滤油机使油温达到安装要求。

  5、结论

  低频加热电源技术可行,其工况与工频负载工况相比,电流、电压等参数均相对较低,有更高的安全性;低频加热电源的关键技术参量可测可控,具有较高的现场实用性;低频加热电源对电源侧有一定影响,但是电压畸变率可控制在标准范围内。

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