2022, Vol. 40
2. 内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，呼和浩特 010020
2. Inner Mongolia Enterprise Key Laboratory of High Voltage and Insulation Technology, Hohhot 010020, China
变压器是电力系统的重要电气设备，若发生故障会造成电网大面积断电。开展变压器的空载试验和负载试验，通过测量磁路损耗、绕组损耗以及附加损耗的变化，能有效发现变压器中的磁路缺陷、电路缺陷。
受现场试验条件和试验设备的限制，大型变压器空载和负载试验仅在出厂时进行，现场交接试验项目不包括空载和负载试验。2019年发布的《内蒙古电力（集团）有限责任公司十八项电网重大反事故措施》要求，对66~220 kV电压等级变压器，新安装时应抽样进行空载和负载损耗试验。因此，需要研制一种新型的试验装置，填补大型变压器现场空载和负载试验技术的空白。
1 大型变压器空载和负载试验现状变压器制造厂的空载和负载试验设备采用发电机组和高压调压器并配合补偿电容塔的结构形式，其优点是电压输出稳定、容量大、波形畸变小，但由于发电机组是固定安装且维护难度大，不适用于试验地点不固定的变电站现场。
采用电网电源经调压器进行大型变压器空载试验时，根据《高压电气设备试验方法》[1]，试验电源容量应取5~10倍的试验视在容量。以某220 kV变压器为例，额定容量240 MVA，1.1倍额定电压下的空载损耗120 kW、空载电流百分比0.186%，根据计算视在功率公式（1）、无功功率公式（2），试验视在容量为491 kVA，无功功率479 kvar，而现场试验所需的5倍试验视在容量电源很难解决。
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式中：S为变压器额定容量；S1.1为1.1倍额定电压下的变压器试验视在容量；I1.1为1.1倍额定电压下的变压器空载电流百分比；Q1.1为1.1倍额定电压下的变压器无功功率；P1.1为1.1倍额定电压下的变压器空载损耗。
采用电网电源并联电容器组的方式进行大型变压器负载试验时，由于受现场电容器容量限制，试验补偿无功功率难以与变压器参数匹配[2]，负载试验电流难以满足GB 1094.1—2013《电力变压器第1部分：总则》中“不应低于50%变压器额定电流”的要求[3]。
2 大型变压器空载和负载试验时补偿无功进行大型变压器空载和负载现场试验时，试验装置施加的电压能满足试验要求，但电流达不到要求，因此需要补偿容性或感性无功功率，以解决容量不足的问题[4-5]。变压器空载和负载试验等效电路及向量示意图见图 1，可知I = IL + IC。由于IL与IC方向相反，所以I = | IL-IC |，通过补偿感性或容性无功电流，使试验电源的输出电流很小。
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| 图 1 变压器空载和负载试验等效电路及向量图 Figure 1 Equivalent circuit diagram and phasor diagram of transformer no-load and load test 图中：R—试验回路等效电阻；Cx—空载试验时的变压器等效电容，负载试验时的补偿电容；XL—空载试验时的补偿电感，负载试验时的变压器等效电感；I—试验电源的输出电流；IL—试验系统中感性电流；IC—容性电流；U—电压。 |
针对220 kV及以下电压等级、240 MVA及以下容量的大型变压器开展现场空载和负载试验时遇到电源容量不足，无法精确补偿无功功率的问题，本文研制一种适用于现场试验的无功功率自补偿式试验电源装置，主电路开关元件为绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT），采用“交—直—交”的方式，将三相380 V交流电经整流电路整流成直流电，再通过单相逆变电路逆变成正弦波交流电，最后经升压变压器将电压升高至试验所需的电压幅值，内置高精度互感器可自动采集试验中的电压、电流数据，通过功率分析仪计算出变压器损耗值，得到试验结果。试验电源装置结构如图 2所示。
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| 图 2 试验电源装置结构示意图 Figure 2 Basic structure diagram of test power unit |
以IGBT技术为主的功率单元是试验电源的主体，每个功率单元都是一台三相输入、单相输出的脉宽调制型低压变频电源，电源装置采用多个功率单元串联的方式，通过控制IGBT的开断时间以实现电源电压及相角的调节[6-8]。多个功率单元输出电压叠波示意图见图 3。
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| 图 3 多个功率单元输出电压叠波示意图 Figure 3 Schematic diagram of output voltage superposition of multiple power units |
试验电源装置的功率单元可等效视为一个与试验系统相连的同频率、幅值和相角均可控的交流电压源，等效电路及向量关系如图 4所示。
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| 图 4 试验电源装置等效电路图及向量关系图 Figure 4 Equivalent circuit diagram and phasor relationship diagram of test power supply device 图中：UI—试验电源装置输出电压；Us—试验系统的试验电压；UL—系统等效电感阻抗电压；X—系统等效电感阻抗值；I—试验电流；ω—试验角频率（2πf）；L—系统等效电感值。 |
试验系统中注入有功、无功功率计算见公式（3）和公式（4）：
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式中：K—逆变电路输出电压增益，K = U1/Us；
δ—试验电源装置输出电压的相角。
由公式（3）和公式（4）可得如下结论：
（1）当δ > 0时，则对应Ps < 0，此时试验电源装置向试验系统注入有功功率。
（2）当Us < UI时（K > 1），则对应Qs < 0，此时逆变电路发出无功功率（容性）。
（3）当Us > UI时（K < 1），则对应Qs > 0，此时逆变电路吸收无功功率（感性）。
通过以上分析可知，试验电源装置传输能力恒定，将得到| P + Q| = 1的功率圆，改变试验电源装置输出电压的幅值和相角可以使其连续运行在功率圆内的任意一点，即试验电源装置能完全控制有功功率和无功功率的交换。所以，试验电源装置传输有功功率的同时，也能够提供一定量的容性或感性无功功率支持。
4 现场应用分析使用无功功率自补偿式试验电源装置，对内蒙古某220 kV变电站1号主变压器进行了空载损耗和负载损耗现场试验，数据见表 1、表 2。
| 表 1 变压器空载损耗试验测试数据 Table 1 Data of transformer no-load loss test |
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| 表 2 变压器高压（额定）—低压、中压负载损耗试验测试数据 Table 2 Data of transformer high voltage (rated)-low voltage, medium voltage load loss test |
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主变压器空载试验时，试验电源装置最大输出容性无功334.18 kvar，试验电压达到1.1倍主变压器额定电压；主变压器高压对低压负载试验时，试验电源装置最大输出感性无功功率-361.8 kvar，试验电流达到49%主变压器额定电流；主变压器高压对中压负载试验时，试验电源装置最大输出容性无功功率391.2 kvar，试验电流达到47.4%主变压器额定电流。可见，本文研制的无功功率自补偿式试验电源装置，完全满足大型变压器的空载和负载现场试验要求。
5 结束语本文针对大型变压器空载和负载特性现场测试技术要求，研制了新型无功功率自补偿式试验电源装置，解决了大型变压器空载试验现场电源容量不足，以及利用现场电容器组开展负载试验无法精确补偿无功功率的问题，可取代传统的发电机组和高压调压器的大容量调压试验电源方案，具有较高的推广应用价值。
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