CN110568330A - 三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法 - Google Patents

三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法 Download PDF

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段昕
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Abstract

本发明涉及一种三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，其包括步骤1、联立方程组，求解分布电容值；步骤2、根据分布电容值，折算到三相绕组端部集中电容；步骤3、利用得到的集中电容计算得到高压侧试验容性无功功率；步骤4、考虑纵向电容分量，计算得到总无功功率；步骤5、根据总无功功率，计算得到三相三绕组变压器在试验时等效入口电容值；步骤6、根据并联谐振原理，利用得到的等效入口电容值求得需要匹配的电抗值；在步骤1‑步骤6运行的同时，计算得到三相同时加压时三相绕组的有功功率及有功电流

Description

三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法
技术领域
本发明属于智能运检技术领域，具体涉及一种三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法。
背景技术
随着电网规模的不断扩大，设备装用量的高速增长，设备质量问题频出，因此对现场试验提出了更高的要求，其中变压器感应电压带局部放电试验作为一种灵敏的验收性试验得以在现场交接试验及诊断性试验中广泛开展。由于变压器感应电压带局部放电试验一般采用低压励磁、对称或单边加压接线方式，需使用变频电源、中间励磁变压器、补偿电抗器等大型试验设备。而变压器由于容量不同、变比不同等因素影响，未进行参数估算而盲目进行现场试验，易出现试验设备无法满足试验要求的情况出现，甚至现场配置试验设备远超出试验需求造成人力及时间浪费情况。
为此，试验时使用补偿电抗器调整被试变压器电容型电流的情况下，必须估算出试验情况下被试变压器的有功功率和无功功率，尤其是无功功率，以便准备适量的补偿电抗器。但目前由于新国标1094.3-2017《电力变压器第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙》对三相变压器感应电压带局部放电试验提出了三相同时加压考核相间绝缘的要求，估算算法应考虑三相均为试验相时的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，其包括如下步骤：
步骤1、联立方程组如下式(1)所示，求解分布电容值：设定三相三绕组变压器高压绕组对低压绕组的电容量C13，求解得到高压绕组对地的电容量C1、中压绕组对地的电容量C2和低压绕组对地的电容量C3；
其中，C13表示高压绕组对低压绕组的电容量；C12表示高压绕组对中压绕组的电容量；C23表示中压绕组对低压绕组的电容量；Ch表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；Cm表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；Cl表示低压绕组对其余绕组及地的电容量；Chml表示高压绕组、中压绕组、低压绕组对地的电容量；Chm表示高压绕组、中压绕组对低压绕组及地的电容量；Cml表示中压绕组、低压绕组对高压绕组及地的电容量；Chl表示高压绕组、低压绕组对中压绕组及地的电容量；
步骤2、折算到三相绕组端部集中电容分别为C1/3、C2/3、C3/3；
步骤3、根据新国标的试验要求，根据公式(2)计算得到高压侧试验容性无功功率Q∑’：
其中，U表示试验电压；ω表示角动量，等于2πf，f为试验频率；K1表示高压绕组对中压绕组的变比；K2表示高压绕组对低压绕组的变比；
步骤4、考虑纵向电容分量，对公式(2)进行修正得到公式(3)，根据公式(3)计算得到总无功功率Q∑；
其中，Ch表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；Cm表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；α表示绕组单位长度的对地电容及对相邻绕组电容之和与单位长度纵向电容比值的平方根；ι表示绕组长度；
步骤5、根据总无功功率Q∑计算得到三相三绕组变压器在试验时等效入口电容值C∑，其计算公式(4)如下：
即
步骤6、根据并联谐振原理求得需要匹配的电抗值L，其计算公式(5)如下：
根据变压器感应电压带局部放电试验设备变频柜工作频率范围为30Hz-300Hz，变压器感应电压带局部放电试验频率选择在100Hz-200Hz范围内时变频柜工作在最佳状态，选择试验频率f为150Hz，计算补偿电抗器参数L。
进一步的，在步骤1-步骤6运行的同时，根据新国标的试验要求，根据公式(6)和公式(7)分别计算得到三相同时加压时三相绕组的有功功率P及有功电流I：
其中，f表示局放试验时的试验频率；fn表示变压器的额定频率；Bm表示额定条件下的磁通密度；B'm表示试验时的磁通密度；P0表示额定条件下的空载损耗；k表示试验电压的倍数；m、n均为系数，其取值依据所采用的硅钢片为冷轧或热轧而不同；
进一步的，Bm表示额定条件下的磁通密度，目前市面上采用的硅钢片磁通密度为1.2-1.7特斯拉。优选的，Bm为1.7T。
进一步的，m、n均为系数，采用热轧硅钢片时取值为1.3和1.8，采用冷轧硅钢片时取值为1.6和1.9，目前的一变压器基本上都采用冷轧硅钢片。优选的，m、n取值为1.6和1.9。
进一步的，步骤1中设定的三相三绕组变压器高压绕组对低压绕组间的电容量C13的取值为600pF-900pF。优选的，C13的取值为800pF。
进一步的，因目前没有现成给出的内屏蔽连续式绕组取值，且目前大多数变压器采用内屏蔽连续式绕组，参考纠结式绕组取值范围，给出步骤4中αι对于内屏蔽连续式绕组取值范围为1.3-3.5。
优选的，αι对于内屏蔽连续式绕组取值为2.5；
进一步的，所述新国标为1094.3-2017《电力变压器第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙》中对三相三绕组变压器感应电压试验的要求，三相同时加压进行测试，变压器试验时无功功率为三相绕组无功功率的和。
本发明的有益效果如下：
本发明是对三相三绕组变压器在感应电压带局部放电测量试验时试验参数的估算方法，本发明估算方法简单明了，可依据低电压等级绝缘试验及相关部件出厂试验数据即可进行变压器局部放电试验参数估算，而且具备普遍适应性，可适用于各电压等级变压器的局部放电试验参数估算。本方法一方面提高了试验效率，减少了盲目配置试验设备带来的人力浪费及时间损耗，另一方面通过准确估算试验参数，可与试验时实测参数进行比对，掌握试验状况。
由于变压器感应电压带局部放电试验一般需使用变频电源、中间励磁变压器、补偿电抗器等大型试验设备，质量大，运行难。而被试变压器由于电压等级、额定容量、结构型式等因素影响，入口电容值会有所差别，若未进行参数估算而盲目进行试验，易出现试验设备无法满足试验要求的情况，再进行设备更换，往往会影响试验时间，造成设备不能在规定的检修时间内完成试验，无法按时投运，造成电网被迫调整运行方式，进而影响电网安全稳定运行，甚至出现现场配置试验设备远超出试验需求从而造成人力及时间浪费的情况。
本发明可以有效利用变压器出厂试验或交接试验参数，估算变压器感应电压带局部放电试验参数，分别为入口电容值、无功功率、补偿电抗器参数、有功功率、有功电流。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
根据新国标1094.3-2017《电力变压器第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙》中的相关要求，110kV及以上电压等级大中型电力变压器多为分级绝缘变压器，绕组连同套管的感应电压带局部放电试验作为变压器的投运前试验项目，不仅能够检查分级绝缘变压器的主绝缘和纵绝缘，还能通过局部放电测量发现设计不当、工艺不良或外界因素等造成的变压器内部缺陷。
本实施例涉及一种三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，目的是实现提高试验效率，减少盲目配置试验设备带来的人力浪费及时间损耗，同时准确估算试验参数，可与试验时实测参数进行比对，掌握试验状况。其包括如下步骤：
步骤1、联立方程组如下式(1)所示，求解分布电容值：设定三相三绕组变压器高压绕组对低压绕组的电容量C13，求解得到高压绕组对地的电容量C1、中压绕组对地的电容量C2和低压绕组对地的电容量C3；
其中，C13表示高压绕组对低压绕组的电容量；C12表示高压绕组对中压绕组的电容量；C23表示中压绕组对低压绕组的电容量；Ch表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；Cm表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；Cl表示低压绕组对其余绕组及地的电容量；Chml表示高压绕组、中压绕组、低压绕组对地的电容量；Chm表示高压绕组、中压绕组对低压绕组及地的电容量；Cml表示中压绕组、低压绕组对高压绕组及地的电容量；Chl表示高压绕组、低压绕组对中压绕组及地的电容量；
步骤2、折算到三相绕组端部集中电容分别为C1/3、C2/3、C3/3；
步骤3、根据新国标的试验要求，根据公式(2)计算得到高压侧试验容性无功功率Q∑’：
其中，U表示试验电压；ω表示角动量，等于2πf，f为试验频率；K1表示高压绕组对中压绕组的变比；K2表示高压绕组对低压绕组的变比；
步骤4、考虑纵向电容分量，对公式(2)进行修正得到公式(3)，根据公式(3)计算得到总无功功率Q∑；
其中，Ch表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；Cm表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；α表示绕组单位长度的对地电容及对相邻绕组电容之和与单位长度纵向电容比值的平方根；ι表示绕组长度；
步骤5、根据总无功功率Q∑计算得到三相三绕组变压器在试验时等效入口电容值C∑，其计算公式(4)如下：
即
步骤6、根据并联谐振原理求得需要匹配的电抗值L，其计算公式(5)如下：
根据变压器感应电压带局部放电试验设备变频柜工作频率范围为30Hz-300Hz，变压器感应电压带局部放电试验频率选择在100Hz-200Hz范围内时变频柜工作在最佳状态，选择试验频率f为150Hz，计算补偿电抗器参数L。
进一步的，在步骤1-步骤6运行的同时，根据新国标的试验要求，根据公式(6)和公式(7)分别计算得到三相同时加压时三相绕组的有功功率P及有功电流I：
其中，f表示局放试验时的试验频率；fn表示变压器的额定频率；Bm表示额定条件下的磁通密度；B'm表示试验时的磁通密度；P0表示额定条件下的空载损耗；k表示试验电压的倍数；m、n均为系数，其取值依据所采用的硅钢片为冷轧或热轧而不同；
进一步的，Bm表示额定条件下的磁通密度，目前市面上采用的硅钢片磁通密度为1.2-1.7特斯拉。优选的，Bm为1.7T。
进一步的，m、n均为系数，采用热轧硅钢片时取值为1.3和1.8，采用冷轧硅钢片时取值为1.6和1.9，目前的一变压器基本上都采用冷轧硅钢片。优选的，m、n取值为1.6和1.9。
进一步的，步骤1中设定的三相三绕组变压器高压绕组对低压绕组间的电容量C13的取值为600pF-900pF。优选的，C13的取值为800pF。
进一步的，因目前没有现成给出的内屏蔽连续式绕组取值，且目前大多数变压器采用内屏蔽连续式绕组，参考纠结式绕组取值范围，给出步骤4中αι对于内屏蔽连续式绕组取值范围为1.3-3.5。
优选的，αι对于内屏蔽连续式绕组取值为2.5；
进一步的，所述新国标为1094.3-2017《电力变压器第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙》中对三相三绕组变压器感应电压试验的要求，三相同时加压进行测试，变压器试验时无功功率为三相绕组无功功率的和。
本发明的主要技术构思如下：
本发明主要考虑三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验中无功功率和有功功率参数、试验谐振频率以及补偿电抗器电感量等试验参数估算方法，试验时流过变压器绕组的电流主要表现为电容电流，且现场试验回路可以通过调整试验***的频率使得试验回路接近于并联谐振状态。
利用变压器出厂试验或交接试验中电容量测试值等关联参数来对试验中容性无功功率和感性无功功率部分参数进行估算。
变压器绕组电容量测试是变压器的常规试验项目，通常在测量绕组介质损耗时得到该绕组对其余绕组及地之间的集中参数电容量。此数值是几个绕组间及绕组对地电容的并联值，为了使测量数据更精确的反应出绕组的真实情况，需要把测试数据联合成方程组进行分布电容值的求解。以三绕组变压器为例，按照不同的接线方式，可列出7个不同的方程，取其中6个方程进行求解即可。
联立方程组如下：
其中，C13表示高压绕组对低压绕组的电容量；C12表示高压绕组对中压绕组的电容量；C23表示中压绕组对低压绕组的电容量；Ch表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；Cm表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；Cl表示低压绕组对其余绕组及地的电容量；Chml表示高压绕组、中压绕组、低压绕组对地的电容量；Chm表示高压绕组、中压绕组对低压绕组及地的电容量；Cml表示中压绕组、低压绕组对高压绕组及地的电容量；Chl表示高压绕组、低压绕组对中压绕组及地的电容量；
考虑精确计算入口电容，本专利中三相变压器高压绕组对低压绕组间的电容量，可取值800pF。
从中可以求得C1、C2、C3，即整个绕组对地分布电容的总和，再折算到绕组端部集中电容为Cn/3，n为1、2、3。
则高压侧试验相无功功率可以计算得到。此处根据新国标1094.3-2017《电力变压器第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙》对三相变压器感应电压带局部放电试验提出了三相同时加压考核相间绝缘的要求，估算算法应考虑三相均为试验相时的情况。
容性无功功率为：
目前，110kV以上电压等级三相三绕组变压器绕组一般为内屏蔽连续式绕组结构形式，不能忽略纵向电容分量的作用。
在考虑纵向电容分量作用的情况下，α为绕组单位长度的对地电容及对相邻绕组电容之和与单位长度纵向电容比值的平方根，ι为绕组长度。αι对于内屏蔽连续式绕组建议取值2.5。
由于低压绕组绕制形式一般为螺旋式结构，与高压绕组及中压绕组绕制形式不同，因此，不考虑纵向电容分量的影响，三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验时总无功功率的计算式如下：
三相三绕组变压器在试验时等效入口电容的计算式如下：
即设补偿电抗器电感量为L，试验时并联谐振状态下谐振频率可按下式进行估算：
可以根据估算得到的变压器等效入口电容量来匹配现有补偿电抗器参数，以避免出现现场设备试验参数无法满足试验要求的情况出现。
同时，依据新国标1094.3-2017《电力变压器第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙》中对三相三绕组变压器感应电压试验的要求，三相同时加压进行测试，变压器试验时有功功率为三相绕组有功功率的和。
同时，根据新国标的试验要求，根据公式(6)和公式(7)分别估算出并联谐振状态下，三相同时加压时三相绕组的有功功率P及有功电流I：
其中，f表示局放试验时的试验频率；fn表示变压器的额定频率；Bm表示额定条件下的磁通密度；B'm表示试验时的磁通密度；P0表示额定条件下的空载损耗；k表示试验电压的倍数；m、n均为系数，其取值依据所采用的硅钢片为冷轧或热轧而不同；依据目前大部分变压器铁芯采用冷轧硅钢片的情况，m和n一般取1.6和1.9。
可以根据试验时变压器低压侧有功电流即为励磁变压器高压侧流过的试验电流，因此可根据此选择励磁变压器变比，以估算出整个试验***中流过变频柜及供电电缆中的电流。
本发明适用于变压器制造、交接、例行等阶段的感应耐压及局部放电试验参数估算，具有对变压器局部放电试验参数估算简单准确的特点。
根据新国标1094.3-2017中对于变压器感应电压带局部放电试验的要求，因被试变压器在试验时呈现容性负载。因此，利用变压器各侧绕组对地分布电容参数，结合变压器本身电压等级、变比、磁通密度、空载损耗等关联参数，对感应耐压带局部放电试验中变压器入口电容进行估算，进一步确定补偿电抗器设备配置参数及感应耐压中并联谐振试验频率等关键试验参数。

Claims (10)

1.一种三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，其特征在于，其包括：
步骤1、联立方程组，求解分布电容值；
步骤2、根据步骤1求解的分布电容值，折算到三相绕组端部集中电容；
步骤3、根据新国标的试验要求，利用步骤2得到的集中电容计算得到高压侧试验容性无功功率；
步骤4、考虑纵向电容分量，修正步骤3中容性无功功率的计算公式，计算得到总无功功率；
步骤5、根据步骤4中得到的总无功功率，计算得到三相三绕组变压器在试验时等效入口电容值；
步骤6、根据并联谐振原理，利用步骤5得到的等效入口电容值求得需要匹配的电抗值；
在步骤1-步骤6运行的同时，根据新国标的试验要求，计算得到三相同时加压时三相绕组的有功功率P及有功电流I。
2.根据权利要求1所述的三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，其特征在于，所述步骤1中的联立方程组如下式(1)所示：
其中，C13表示高压绕组对低压绕组的电容量；C12表示高压绕组对中压绕组的电容量；C23表示中压绕组对低压绕组的电容量；Ch表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；Cm表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；Cl表示低压绕组对其余绕组及地的电容量；Chml表示高压绕组、中压绕组、低压绕组对地的电容量；Chm表示高压绕组、中压绕组对低压绕组及地的电容量；Cml表示中压绕组、低压绕组对高压绕组及地的电容量；Chl表示高压绕组、低压绕组对中压绕组及地的电容量；
通过设定三相三绕组变压器高压绕组对低压绕组的电容量C13，求解得到高压绕组对地的电容量C1、中压绕组对地的电容量C2和低压绕组对地的电容量C3。
3.根据权利要求2所述的三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，其特征在于，所述步骤2中折算到三相绕组端部集中电容的算法如下：将步骤1中求出的高压绕组对地的电容量C1、中压绕组对地的电容量C2和低压绕组对地的电容量C3分别除以3，得到C1/3、C2/3、C3/3。
4.根据权利要求2所述的三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，其特征在于，所述步骤3计算高压侧试验容性无功功率的公式(2)如下：
其中，Q∑’表示高压侧试验容性无功功率；U表示试验电压；ω表示角动量，等于2πf，f为试验频率；K1表示高压绕组对中压绕组的变比；K2表示高压绕组对低压绕组的变比。
5.根据权利要求2所述的三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，其特征在于，所述步骤4中计算总无功功率的公式(3)如下：
其中，Q∑表示总无功功率；Ch表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；Cm表示高压绕组对其余绕组及地的电容量；α表示绕组单位长度的对地电容及对相邻绕组电容之和与单位长度纵向电容比值的平方根；ι表示绕组长度；U表示试验电压；ω表示角动量，等于2πf，f为局放试验时的试验频率；K1表示高压绕组对中压绕组的变比；K2表示高压绕组对低压绕组的变比。
6.根据权利要求5所述的三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，其特征在于，所述步骤5中计算三相三绕组变压器在试验时等效入口电容值的公式(4)如下：
即
其中，C∑为三相三绕组变压器在试验时等效入口电容值。
7.根据权利要求6所述的三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，其特征在于，所述步骤6中根据并联谐振原理求得需要匹配的电抗值的公式(5)如下：
8.根据权利要求1所述的三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，其特征在于，所述三相同时加压时三相绕组的有功功率的计算公式(6)如下：
其中，P表示三相同时加压时三相绕组的有功功率；f表示局放试验时的试验频率；fn表示变压器的额定频率；Bm表示额定条件下的磁通密度；B'm表示试验时的磁通密度；P0表示额定条件下的空载损耗；k表示试验电压的倍数；m、n均为系数，其取值依据所采用的硅钢片为冷轧或热轧而不同。
9.根据权利要求1或8所述的三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，其特征在于，所述三相同时加压时有功电流的计算公式(7)如下：
其中，I表示三相同时加压时有功电流；K2表示高压绕组对低压绕组的变比；U表示试验电压；P表示三相同时加压时三相绕组的有功功率。
10.根据权利要求1所述的三相三绕组变压器感应电压带局部放电试验参数估算方法，其特征在于，所述新国标为GB/T1094.3-2017《电力变压器第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气》。
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