第1章交流高电压试验设备 1.1概述 第1章 交流高电压试验设备 1.1概述 交流高电压试验设备主要是指高电压试验变压器。本章除介绍高电压试验变压器外，还介绍了高电压串联谐振试验设备。 电力系统中的电气设备，其绝缘不仅经常受到工作电压的作用，而且还会受到例如大气过电压和内部过电压的侵袭。高电压试验变压器的功用在于产生工频高电压，使之作用于被试电气设备的绝缘上，以考验其在长时的工作电压及瞬时的内过电压下是否能可靠工作。另外，它也是试验研究高压输电线路的气体绝缘间隙、电晕损耗、静电感应、长串绝缘子的闪络电压以及带电作业等项目的必需的高压电源设备。近年来，由于超高电压及特高电压输电的发展，必须研究内绝缘或外绝缘在操作冲击波作用下的击穿规律及击穿数值。利用高压试验变压器还可以产生“长波前”类型的操作波。因此工频试验变压器除了产生工频试验电压，以及作为直流高压和冲击高压设备的电源变压器的固有的功用外，还可以用来产生操作波试验电压。所以，工频试验变压器是高电压实验室内不可缺少的主要设备之一。由于它的电压值需要满足内过电压的要求，故试验变压器的工频输出电压将大大超过电力变压器的标称电压值，常达几百千伏甚至几千千伏的数值。目前我国和世界上多数工业发达国家都具有2250kV的试验变压器。 试验变压器在原理上与电力变压器并无区别，只是前者电压较高，变比较大。由于电压值高，所以要采用较厚的绝缘及较宽的间隙距离，也因此试验变压器的漏磁通较大，短路电抗值也较大，而电压高的串级试验变压器的总短路电抗值则更大。由于在大的电容负载下，试验变压器一、二次侧的电压关系与线圈匝数比有一些差异，因此试验变压器常常有特殊的测量电压用的线圈。当变压器的额定电压升高时，它的体积和重量的增加趋势超过按额定电压的三次方(U3)的上升速度。为了限制单台试验变压器的体积和重量，有必要在接线上和结构上采取一些特殊措施，例如目前所采用的串级装置等。这样，试验变压器在某些情况下，具有特殊形式。 试验变压器的运行条件与电力变压器是不同的，例如： (1) 试验变压器在大多数情况下，工作在电容性负荷下； 而电力变压器一般工作在电感性负荷下。 (2) 试验变压器所需试验功率不大，所以变压器的容量不很大； 而高压电力变压器的容量都很大。 (3) 试验变压器在工作时，经常要放电； 电力变压器在正常运行时，发生事故短路的机会是不多的，而且即使发生，继电保护装置会立即断开电源。 (4) 电力变压器在运行中可能受到大气过电压及操作过电压的侵袭； 而试验变压器并不受到大气过电压的作用，但由于试品放电的缘故，它在工作时，也可能在绕组上产生梯度过电压。 (5) 试验变压器工作时间短，在额定电压下满载运行的时间更短。譬如进行电气设备的耐压试验常常是1min工频耐压，而电力变压器则几乎终年或多年在额定电压下满载运行。 (6) 由于上述原因，试验变压器工作温度低，而电力变压器温升较高。因此电力变压器都带有散热管、风冷甚至强迫油循环冷却装置，而试验变压器则没有各种附加的散热装置或只有简单的散热装置。 上述情况表明，试验变压器在运行条件方面比电力变压器有利，而在重要性方面则不如电力变压器，所以设计时采用较小的安全系数。如50kV~250kV试验变压器本身的试验电压比其额定电压仅高25kV； 更高电压(≥300kV)的试验变压器的试验电压比额定电压仅高10%。例如，500kV试验变压器的5min 100Hz自感应试验电压为550kV，国产YDC—1500/1500(额定电压为1500kV，额定容量为1500kVA)二级串级试验变压器，单台750kV变压器的5min 100Hz自感应试验电压为额定电压的110%； 两台串级时所取的感应试验电压仅为额定电压的105%。而电力变压器的试验电压常比额定电压高得多，例如220kV电力变压器的1min工频试验电压为325kV~400kV； 330kV变压器的出厂1min相对地工频试验电压为510kV(注： 均为有效值)。正因为高压试验变压器的试验电压较低，设计温升较低，故在额定功率下只能作短时运行。例如上述500kV试验变压器，在额定电压下只能连续工作30min，在330kV电压及330kVA容量下才能持续运行。有的特高电压的试验变压器，在额定电压及额定容量下，只能运行5min。 试验变压器在进行供电试验时的接线如图11所示。 图11试验变压器试验接线 T1—调压器； T2—试验变压器； R—保护电阻； C0—试品 一般情况下试品C0的一端是接地的，所以试验变压器的高压绕组一端接地，另一端用高压套管引出，经过保护电阻R接到试品之高压端。电阻R用来防止试品放电时所发生的电压截波对变压器绕组纵绝缘的损伤，同时它也起着抑制试品闪络时所造成的恢复过电压的作用(见1.5.2节)和限制过电流的作用。保护电阻R的阻值理应由试验变压器厂供给，它的保守的数值可按0.1Ω/V选取，但不超过100kΩ。它由金属电阻丝绕成。在环境温度可保证高于0℃时，也可以采用水电阻。 行业标准对试验变压器绝缘中的局部放电量Q的大小有所规定。对铁壳式变压器规定在0.7倍额定电压下，Q≤10pC。 试验变压器所提供的电压波形应为正弦波(详见1.5.3小节的规定)。试验电压的测量值在整个试验过程中，在加压时间不超过1min时，应维持在规定水平的±1%以内。 1.2高电压试验变压器的结构型式及主要参数 1.2.1高电压试验变压器的结构型式 1.2高电压试验变压器的结构型式及主要参数 高电压试验变压器大多采用油浸式变压器，油浸式变压器有金属壳及绝缘壳两类。 金属壳变压器可分为单套管和双套管两种。单套管变压器的高压绕组一端可与外壳相连，但为了测量上的方便常把此端不直接与外壳相连，而经一几千伏的小套管引到外面来再与外壳一起接地，如有必要时可经过仪表再与外壳一起接地，油浸式单套管铁壳试验变压器外形如图12所示。双套管式的变压器外壳对地绝缘。其中的高压绕组分成匝数相等的两部分，分别绕在铁心的左右两柱上，高压绕组的中点与铁心和外壳相连，低压绕组绕在具有X出线端的高压绕组的外面(作为单台变压器应用时，高压绕组的X点接地)，这样高压绕组与铁心及外壳之间的最大电位差为最高输出电压的一半，即承受U/2的电压(U为高压的输出电压额定值)。由于铁心及外壳也带有U/2的电位，所以外壳需用支柱绝缘子对地绝缘。图13为其结构示意图。采用这种结构使高压绕组与铁心、外壳间以及高低压绕组间的电位差降低，绝缘利用比较合理，因此能减小尺寸，减轻重量。 图12油浸式单套管铁壳试验变压器外形 图13外铁壳需对地绝缘的双套管试验变压器 1—低压绕组； 2—高压绕组 绝缘壳式的高压变压器如图14所示，它是以绝缘壳(通常为酚醛纸筒、环氧玻璃布筒或瓷套)作为容器，同时又用它作为外绝缘，以省去引出套管，其铁心与绕组和双套管金属壳变压器相同，只是铁心的两柱常常是上下排列的(也有左右排列的)，铁心需要用绝缘支持，使之悬空。高压绕组的高压端A与金属上盖连在一起，接地端X以及低压绕组的a，x两端从底座引出。这种结构体积小，重量轻，优点显著。以酚醛纸筒作外壳的变压器比瓷外壳的重量较轻，不会碰碎，但怕水，易受潮。此种变压器的内部结构如图15所示。 关于更高电压下所使用的串级变压器的结构，在后面另作叙述。 图14绝缘壳式油浸式试验变压器 图15绝缘筒式试验变压器的内部概貌图 1—绕组； 2—铁心； 3—绝缘支架； 4—绝缘筒； 5—屏蔽罩 1.2.2试验变压器的主要参数 试验变压器的主要参数为电压及容量。由于试验变压器的体积和重量随其额定电压值的增加而急剧增加，故单个变压器的电压都限制在1000kV以下，部分国产试验变压器的额定电压和额定容量如表11和附录A中的表A2所示。单台式和串级式分别叫做YD型和YDC型，型号中带W者为绝缘筒式。 因为试品大多为电容性的，当知道试品的电容量(参见表12)及所加的试验电压值时，便可计算出试验电流及试验所需的变压器容量： 试验电流Is=ωCU×10-9A(有效值)(11) 所需变压器容量Ps=ωCU2×10-9kVA(12) 式中，U——所加的试验电压，kV(有效值)； C——试品的电容量，pF； ω——所加电压的角频率。 表11国产试验变压器的额定电压和额定容量 额定电压/kV 5 10 25 35 50 100 150 250 300 500 750 1000 1500 2250 额定容量/kVA 3 3 3 3 5 10 25 250 300 300 750 1000 750 2250 5 5 5 5 10 25 50 500 1200 500 1500 2000 1500 9000 10 10 10 10 25 50 100 1000 1000 3000 25 25 25 50 100 150 1500 50 50 100 200 300 100 200 250 400 500 表12常见的试品电容量 试 品 名 称 电容值/pF 线路绝缘子 <50 高压套管 50~600 高压断路器，电流互感器，电磁式电压互感器 100~1000 电容式电压互感器 3000~5000 电力变压器 1000~15000 电力电缆(每米) 150~400 除了一般试品外，有时也有电容量较大的试品。在有试验线路的高压实验室中，往往需要考虑供应较大的电容电流及电晕电流。当然试验线路的电容值与线路的长短有关。架设试验线路的目的之一是研究电晕损耗，为了测量准确起见，线路较长是有利的，但又由于经济上的考虑，有时超高压试验线路选取500m左右。根据运行经验，330kV的试验线路选取1A制的试验变压器是有可能满足试验要求的； 而对于≥500kV的试验线路，1A制的试验变压器就难以满足要求了。例如，为了研究750kV线路的电晕损耗，需要变压器供给3A左右的电流。 对于特大的电容性试品，如电缆厂中的成卷高压电缆的耐压试验，以及特大容量发电机的耐压试验等，往往要特制试验变压器来适应试验功率的要求，目前常用串联谐振装置(见1.6节)来满足试验的要求。此外也正在发展采用低频(2Hz)和超低频(0.1Hz)的耐压试验方法。 有时在试验大电容值的试品时，可采用补偿的方法来减小流经变压器高压绕组中的电流。假如在高压侧进行补偿，可和电容性试品并联一电感线圈，如不计负荷中的有效电流分量，则所要求的试验变压器的容量可按下式计算： Ps=ωC×10-12-1 ωLU2×103kVA (13) 式中，U——试验电压值，kV； C——试品电容，pF； L——补偿线圈电感，H； ω——试验电压的角频率。 从式(13)可看出，采用补偿的方法后可使试验变压器的容量大大减小。不过采用补偿时要考虑到经济和技术两方面因素，首先是高压补偿线圈比较贵，其次采用补偿后可能使输出电压波形畸变。因此在对波形要求较高的试验中，例如在测介质损耗及测电晕损耗时，一般宁愿采用大容量试验变压器而不愿采用补偿法。 试验变压器有时也可碰到电导性负载，例如做绝缘子湿闪试验及污染放电试验，由于沿介质表面的湿放电及污染放电都属于电弧放电过程，如试验电流不够大，不能形成电弧，此试验便将失去意义。而且在容量较小阻抗较大时，试验电流的增加将引起压降的增加，而真正作用在试品上的电压并未增加，在试验时根本无法判断何时发生闪络。试验回路的电压应足够稳定，不致受泄漏电流变化的影响。试品上非破坏性放电不应使试验电压降低过多及维持时间过长，以致明显影响试品上破坏性放电电压的测量值。为了使试验电压实际上不受泄漏电流的影响，当在试验电压下试品短路时，变压器输送的短路电流和电源频率下的泄漏电流相比要足够大，并且应满足下列数值的要求： (1) 对固体、液体或两者组合绝缘的小样品上的干试验，短路电流约为0.1A(有效值)。 (2) 对自恢复外绝缘(绝缘子、隔离开关等)的干试验，短路电流不小于0.1A(有效值)； 对于湿试验短路电流不小于0.5A(有效值)； 对于可能产生大泄漏电流的大尺寸试品的湿试验，短路电流可能需达到1A。 (3) 对于人工污秽试验，一般需15A或以上的较大的短路电流值。 为使测量的放电电压不受试品的非破坏性局部放电和预放电的影响，试品及附加电容器的电容量总和应足够大，一般为0.5nF~1.0nF。如果试验变压器的外部保护电阻不超过10kΩ，则可将试验变压器端的有效电容看成与试品相并联。 1.3串级高压试验变压器 1.3.1串级变压器的基本原理 1.3串级高压试验变压器 单个变压器的电压超过500kV时，费用随电压的上升而迅速增加，同时在机械结构上和绝缘上都有困难，此外运输与安装亦有困难。所以目前单个变压器的额定电压很少超过750kV。一般在需要500kV~750kV以上的电压时，常采用几个变压器串接的方法。所谓几台试验变压器串接，就是使几台变压器绕组的电压相叠加，从而使单台变压器的绝缘结构大为简化。 图16由单(高压)套管变压器元件组成的串级变压器示意图 自耦式串级变压器是目前最常用的串级方式。在此法中高一级的变压器的激磁电流由前面一级的变压器来供给。图16为由3个变压器所组成的串级装置，图中绕组1为低压绕组，2为高压绕组，3为供给下一级激磁用的串级激磁绕组。设该装置输出的额定试验容量为3U2I2（kVA），则最高一级变压器T3的高压侧绕组额定电压为U2（kV），额定电流为I2，装置的额定容量为U2I2（kVA）。中间一台变压器T2的装置额定容量为2U2I2（kVA）。这是因为这台变压器除了要直接供应负荷U2I2（kVA）的容量外，还得供给最高一级变压器T3的激磁容量U2I2。同理，最下面一台变压器T1应具有的装置额定容量为3U2I2（kVA）。所以，每级变压器的装置容量是不相同的。令U2I2=W，当串级数为3，则串级变压器之输出额定容量为W试=3U2I2=3W，而串级变压器整套设备的装置总容量应为各变压器装置容量之和，即 W装=U2I2+2U2I2+3U2I2=W(1+2+3)=6W 所以装置总容量W装与可用的试验容量W试之比为 W装 W试=6W 3W=2 如果串级数为n，则W试=nU2I2=nW，而装置总容量 W装=W(1+2+3+…+n)=Wn(n+1) 2 这样，在n级时的串级装置的容量之和等于它的有用输出容量的n+1 2倍，即W装 W试=n+1 2。换言之，试验装置的利用率η=W试 W装=2 n+1。所以随串级级数的增加，装置的利用率显著降低。这是这类串级试验变压器的一个缺点。一般串级的级数n≤3~4。 由图16中可见串级变压器在稳态工作时各级变压器的电位分布情况。各级变压器的铁心和它的外壳接在一起，它们具有同一个电位。如图所示，最终的输出电压为3U2，则第三级变压器的外壳对地有2U2的电位差； 第二级变压器的外壳对地有U2的电位差，所以需分别用相应的支持绝缘子把它们对地绝缘起来。各级变压器的高压绕组2以及激磁绕组3对低压绕组1和外壳、铁心之间的主绝缘，只需要耐受U2水平的电压。同样，每级变压器的套管也只需耐受U2等级的电压。 国产3×250kV的YDC型串级试验变压器就是采用图16所示的结构和接线。它的特点是每级变压器的高压绕组末端接外(铁)壳，每级变压器只有一个高压套管。 图17由双高压套管变压器元件组合的串级变压器 1—低压绕组； 2—高压绕组； 3—串级激磁绕组； 4—屏蔽帽； 5—铁心； 6—外铁壳； 7—高压套管； 8—支持绝缘子 注： 本图未画出平衡绕组。 在试验电压水平较高时，还常采用双高压套管引出的试验变压器，每级变压器的高压绕组的中点接外(铁)壳(见图17)。显然，其优点是可以降低绝缘水平。每个高压套管引出端对铁壳和铁心的压差是高压绕组总电压的一半。因此高压套管以及内部主绝缘的绝缘水平只要能耐受每级电压的一半就可以了。每一级变压器的外壳都带有一定的电位，所以每一级变压器都需有支持绝缘子把它们对地绝缘起来。 图18中所示的串级变压器的额定电压为1000kV，额定试验容量为1000kVA。整个装置由3台333kV变压器组成。每个高压套管的额定工作电压为166kV，每台变压器的外壳(由低到高)的对地电压分别为166kV，500kV及833kV。图中绕组1为一次绕组，2为二次绕组，3为第一级及第二级分别向下一级供电用的串级激磁绕组。为减小变压器的短路电抗，在最贴近铁心处绕有专门的平衡绕组(又称补偿绕组，其作用将在1.3.2节中论述)。每级变压器的平衡绕组c—d接点处可予解开，以备连接改善正弦波形的LC调波回路。高压支持绝缘子上装有固定电位的均压环，以使绝缘子上电压分布均匀。 图181000kV三级串级变压器结构简图 1.3.2降低试验变压器短路电抗的内部结构措施 图19铁心两柱均绕有低压绕组的 第一级串级变压器 为了使试品在闪络下的短路电流不致太小，降低试验变压器的短路电抗是很必要的。 在电压等级相对较低的单高压套管的试验变压器中，为了减小短路电抗，有时采用铁心的左右两柱均绕有低压绕组的方法，两低压绕组相并联，用以加强高低压绕组之间的耦合，如图19中的绕组1。图中2为高压绕组，3为供电给下一级的激磁绕组。 双高压套管的串级变压器为了节省绝缘，二次侧高压绕组并不完全与一次侧低压绕组套装在同一个铁心柱上。如不采取一定的措施的话，变压器的短路电抗会太大。为了减小短路电抗，常在两个铁心柱上套装平衡绕组。关于平衡绕组我们首先说明下述几点。 (1) 左右两柱的平衡绕组的匝数各为NP1及NP2，两者的匝数是相同的，而且与一次侧低压绕组的匝数N1相同，即NP1=NP2=N1。 (2) 左右两柱的平衡绕组以同极性端相连接。若两柱的平衡绕组的绕向不同时，应头与头接，尾与尾接； 若两柱的平衡绕组的绕向相同时，应互相头尾连接，分别如图110及图111所示。 图110两柱上绕组绕向不一样的平衡绕组 图111两柱上绕组绕向一样的平衡绕组 (3) 由于某种原因，在平衡绕组里流过某一电流的话，因为该两绕组在整个铁心回路中的磁势是大小相等而方向适反的，所以整个铁心回路里，不会因此而产生磁通。 (4) 若变压器一次侧绕组接上电源而激磁，在铁心回路中产生主磁通Φm，由Φm感应而产生的左右两平衡绕组的感应电动势，也是大小相等、方向相反，平衡绕组不会因此而产生电流。 (5) 只有在左右两侧平衡绕组所交链到的磁通量不相等时，两者所感应的电动势大小不等，才会流过电流。 平衡绕组的设置，使一、二次绕组之间不相交链的“漏”磁通大为减小，因而显著降低了短路电抗值［1］。 1.3.3自耦式串级变压器的短路电抗计算 试验变压器的短路电抗如果过大，会严重降低试验设备的短路容量，从而会影响绝缘子湿闪或污闪电压的测试结果。另外，试验变压器经常接有电容性负载，当电容性电流流过试验变压器以及调压器的短路电抗时，将使输出电压超过由变压器一、二次侧电压比所确定的数值。因此试验变压器的短路电抗值不宜过大。单台试验变压器的阻抗电压一般为4.5%~9%，但3台串级时则可高达22%~40%。 为了分析串级变压器总的等效短路阻抗与每级变压器的短路阻抗的关系，现计算3台变压器串级的情况。按前述原理可知，前面的两台变压器实际为三绕组变压器，最高电位的一台变压器则为双绕组变压器。以符号L表示低压侧，H表示高压侧，K表示串级激磁侧。根据图112所示三绕组变压器短路试验的方法，可以分别测得每侧的短路阻抗值。忽略电阻效果，认为短路阻抗近似地为短路电抗。 图112三绕组变压器的短路试验 由图112(a)的接线可知 xHK=xH+x′K 由图112(b)的接线可知 xHL=xH+x′L 由图112(c)的接线可知 x′LK=x′L+x′K 上述符号已表明，各短路电抗值是归算到H侧的。于是得 xH=1 2(xHL+xHK-x′KL) x′L=1 2(xHL+x′KL-xHK) x′K=1 2(xHK+x′KL-xHL)(14) 如图113所示，在略去激磁电流的条件下，可把变压器看成理想的三绕组或双绕组变压器与各侧相应的短路电抗的叠加［2］。图中各绕组中的电抗及电流均已归算到各台变压器的高压侧。因串级激磁侧的绕组匝数NK与低压侧绕组的匝数NL相等，故NH/NL=NH/NK。图113可以简化为图114的等效电路图，其中xe为归算到高压侧的总等效短路电抗值。根据等效前后的短路电抗上的无功功率值应相等的关系，可以得到 I2Hxe= I2H(xH1+xH2+xH3)+I′2K1 x′K1+I′2K2x′K2 +I′2L1 x′L1+I′2L2 x′L2+I′2L3 x′L3(15) 图113一个三级自耦串级的变压器等效回路图 图114简化的等效回路 xe—等效短路电抗之总值； NH—高压绕组匝数； NL—低压绕组匝数； U·′1—低压侧电压归算到串级变压器高压侧值 图113中已标出： IH=I以及I′L1=3I，I′K1=I′L2=2I，I′K2=I′L3=I，其中I′K1，I′K2，I′L1，…分别表示流过K1，K2，L1，…绕组电流的高压侧折合值。式(15)整理后可得归算到高压侧的总等效短路电抗值为