當(dāng)今電子電力技術(shù)飛躍發(fā)展，高壓諧振技術(shù)已被廣泛用于發(fā)電機(jī)、交聯(lián)電纜以及 GIS 等大容量電力設(shè)備的交流耐壓試驗(yàn)。20 世紀(jì) 70 年代后期，隨著天生橋、漫灣、陽(yáng)泉等電站大型水力發(fā)電機(jī)組的不斷投運(yùn)發(fā)電，刺激著高壓諧振變壓器耐壓技術(shù)在發(fā)電機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域逐步成熟、普及。本文借助于一套 1 000 kVA 工頻并聯(lián)諧振試驗(yàn)變壓器耐壓裝置，針對(duì)某大型水輪發(fā)電機(jī)增容改造時(shí)定子現(xiàn)場(chǎng)裝配絕緣實(shí)況，重點(diǎn)闡述了突破工頻諧振試驗(yàn)變壓器應(yīng)用調(diào)諧能力的方法。
1 工頻諧振變壓器耐壓裝置
1． 1 裝置原理
所謂工頻諧振變壓器耐壓裝置，是指裝置試驗(yàn)回路的工作頻率被指定為 50 Hz 時(shí)，被試品對(duì)地分布電容與試驗(yàn)變壓器高壓線圈自感之間的工作處于諧振狀態(tài)的一種交流耐壓試驗(yàn)裝置。其特點(diǎn)是，在保持串聯(lián)或并聯(lián)諧振原理及其優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，該裝置能將調(diào)諧電抗器與試驗(yàn)變壓器合二為一; 通過調(diào)節(jié)諧振變壓器本體磁路中的氣隙長(zhǎng)度，得到連續(xù)可變的電感量，使勵(lì)磁感抗恰好能夠補(bǔ)償負(fù)載支路容抗，從而滿足電路諧振條件［1 － 2］。其原理接線如圖 1 所示。
圖 1 中，TＲ 為感應(yīng)調(diào)壓器，TX 為諧振試驗(yàn)變壓器
( 高壓線圈為可調(diào)電感) ，C 為被試品對(duì)地分布電容。
1． 2 電路原理
發(fā)電機(jī)定子工頻耐壓試驗(yàn)多選用并聯(lián)諧振變壓器。并聯(lián)諧振變壓器原理及等效電路如圖 2 所示。
圖 2 中，ＲL 表示電感的等效電阻，Ω; ＲC 表示電容的等效電阻，Ω; L 表示調(diào)諧電抗器等效電感，H; C 表示被試品對(duì)地等效電容，F(xiàn)。
當(dāng) ＲL ωL，ＲC 1C 時(shí)，并聯(lián)諧振的諧振頻率為f = 12π 槡LCL /C － Ｒ2LL /C － Ｒ 槡 2C≈ 12π 槡LC ( 1)
并聯(lián)諧振的品質(zhì)因數(shù)為
Q = ωL /( ＲL + ＲC ) = 1 /( ＲL + ＲC ) ωC ( 2)
當(dāng)并聯(lián)諧振變壓器通入 380 V 工頻電源時(shí)，回路將產(chǎn)生與外電源同頻率的強(qiáng)迫振蕩; 當(dāng)外電路頻率等于回路振蕩頻率時(shí)，回路阻抗*大，且呈純電阻性，此時(shí)回路電流 I *小，但 L 和 C 上的電流 IL、IC 都是 I 的 Q倍，即為典型的電流諧振。
IL = IC = QI ( 3)
從而可得出電源容量為被試品容量的 1 /QP = UI = UIC /Q = PC /Q ( 4)
1． 3 諧振變壓器的特點(diǎn)
1． 3． 1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
諧振變壓器高壓線圈電感量可以連續(xù)調(diào)節(jié)，其鐵芯中間芯柱采用可動(dòng)式芯柱結(jié)構(gòu)，氣隙的調(diào)節(jié)是通過主軸和軸套連接的絲杠來牽引鐵芯移動(dòng)，這樣能夠均
勻平滑地調(diào)節(jié)電感量。這種設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且重要的是，在試驗(yàn)過程中能使感抗特性調(diào)整平穩(wěn)，在額定電容參數(shù)的有效范圍內(nèi)，很容易實(shí)現(xiàn)與被試容抗的諧振。然而，也正是這種特殊的設(shè)計(jì)，使在試驗(yàn)負(fù)荷下，諧振變壓器的鐵芯和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在氣隙的調(diào)節(jié)中不可避免地將承受強(qiáng)電磁力的作用; 同時(shí)該過程產(chǎn)生的噪音大、振動(dòng)大，在重負(fù)荷下有可能損壞諧振變壓器的部件( 本文提出的擴(kuò)大諧振試驗(yàn)變壓器應(yīng)用調(diào)諧能力的方法，亦旨在降低諧振裝置的重負(fù)荷，改善其條件) 。
1． 3． 2 品質(zhì)因數(shù) Q 與電容參數(shù)范圍
品質(zhì)因數(shù)的大小是衡量諧振變壓器質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。試驗(yàn)時(shí)，電源容量?jī)H為電路消耗的有功損耗，占被試品*大無功容量的 1 /Q，與常規(guī)試驗(yàn)變壓器相比，諧振變壓器的試驗(yàn)容量減少 Q 倍，體積重量自然會(huì)得到優(yōu)化控制。盡管現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)會(huì)受到空氣濕度、諧振變壓器自身漏磁以及附加損耗的影響，使實(shí)際 Q 值要比設(shè)計(jì)值低很多，但一般而言，只需 10 倍左右的品質(zhì)因數(shù)保證，基本上就能夠滿足工程需要。
諧振變壓器的制造工藝、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及鐵芯硅鋼片質(zhì)量等多樣因素會(huì)致使其本身產(chǎn)生一些附加損耗，尤其是對(duì)鐵芯氣隙開合而形成的漏磁不可忽略。在這
些因素的共同作用下，諧振變壓器的實(shí)際負(fù)載電容范圍總是比額定設(shè)計(jì)范圍狹窄，比如漫灣電站 XYDJ －800 /40 型諧振變壓器銘牌負(fù)載電容量顯示范圍為 0． 1～ 1． 6 μF，然而經(jīng)實(shí)測(cè)，其負(fù)載電容量在 0． 5 ～ 1． 6 μF之間; 龔咀電站 XYDJ － 1000 /40 型諧振變壓器銘牌負(fù)載電容量顯示范圍為 0． 21 ～ 2． 5 μF，經(jīng)實(shí)測(cè)，其負(fù)載電容量介于 0． 35 ～ 2． 3 μF 之間。
由于實(shí)際電容參數(shù)范圍達(dá)不到設(shè)計(jì)值，使諧振變壓器在現(xiàn)場(chǎng)使用中往往處于銘牌負(fù)載電容范圍的兩端，導(dǎo)致其應(yīng)用能力明顯下降。即被試品分布電容越
靠近諧振變壓器額定*小、*大兩處極限值時(shí)，越容易失去調(diào)諧能力。
2 提高調(diào)諧能力的措施
2． 1 主要技術(shù)參數(shù)
BXYDJ － 1000 /40 型工頻并聯(lián)諧振試驗(yàn)變壓器的主要技術(shù)參數(shù)如下。
高壓側(cè)額定容量 1 000 kVA
低壓側(cè)額定容量 100 kVA
高壓側(cè)額定電壓 40 kV
高壓側(cè)額定電流 25 A
低壓側(cè)額定電壓 0． 40 kV
低壓側(cè)額定電流 250 A
負(fù)載電容量 0． 21( 下限值) ～ 2． 5( 上限值)
μF
品質(zhì)因數(shù) Q ≥20 ～ 25
感應(yīng)調(diào)壓器 選用 100 kVA
生產(chǎn)日期 1993 年
2． 2 超過負(fù)載電容量上限值的調(diào)諧應(yīng)用
銅街子水電站位于四川省大渡河下游河段，總裝機(jī)容量為 600 MW( 4 × 150 MW) ，部分機(jī)組運(yùn)行已達(dá)20 a，為了提高發(fā)電效率、根除設(shè)備隱患，2012 年，利用電站的檢修期對(duì) 12 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)施了增容改造。增容改造后，12 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)的單相定子分布電容超過 2． 7 μF，該值已經(jīng)超出 BXYDJ － 1000 /40 型諧振試驗(yàn)變壓器耐壓裝置的應(yīng)用調(diào)諧范圍，因而成為*現(xiàn)實(shí)且需亟待解決的難題。
為此，經(jīng)研究，計(jì)劃利用外接高壓電抗器并聯(lián)補(bǔ)償來減小試品側(cè)容性電流，以直接降低被試品的分布電容量，通過人為操作，將銅街子水電站 12 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)單相定子分布電容限制在諧振變壓器負(fù)載調(diào)諧較為理想的段落范圍。其原理接線如圖 3 所示。銅街子電站 12 號(hào)機(jī)組定子分相以后，交流耐壓外接高壓電抗器試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)列于表 1。
銅街子電站 12 號(hào)機(jī)組定子分相后，形成的外接高壓電抗器并聯(lián)補(bǔ)償方案參數(shù)計(jì)算如下。
( 1) 主選設(shè)備。主選設(shè)備為 BXYDJ － 1000 /40 型工頻并聯(lián)諧振試驗(yàn)變壓器耐壓裝置。單相定子分布電容 Cx ( 預(yù)測(cè)值) ≈2． 7 μF，單相定子電容電流 Ic = 2πf× Cx × Us = 2 × 3． 14 × 50 × 2． 7 × 30． 6 ≈ 26 A，1 臺(tái)YKDTK － 396 /33 真空環(huán)氧澆注電抗器并聯(lián)使用; YKDTK － 396 /33 真空環(huán)氧澆注電抗器技術(shù)參數(shù)為: 額定*高工作電壓 33 kV，額定*大工作電流 12 A，額定容量 396 kVA，額定電感量 9． 12 H。
( 2) 參數(shù)計(jì)算。試驗(yàn)電壓 Us = 2． 0Un + 3 = 2． 0× 13． 8 + 3 = 30． 6 kV ＜ 33kV，補(bǔ)償電感電流 IL =Us /ωLe = 30． 6 × 1 000 /( 314 × 9． 12) ≈ 11 A，補(bǔ)償分布電容 C補(bǔ)償 = 1 /ω2Le = 1 /( 3142 × 9． 12) ≈ 1． 1 μF，剩余電容電流 I剩余 = Ic － IL = 26 － 11 = 15 A，剩余分布電容 C剩余 = Cx － C補(bǔ)償 = 2． 7 － 1． 1 = 1． 6 μF。理論計(jì)算結(jié)果表明，使用 YKDTK － 396 /33 真空環(huán)氧澆注電抗器并聯(lián)補(bǔ)償后，12 號(hào)機(jī)組的單相定子電容量為 1． 6 μF，該值恰處于 BXYDJ － 1000 /40 諧振變壓器中段調(diào)諧負(fù)荷段落。
實(shí)測(cè)數(shù) 據(jù) 顯 示，當(dāng)試驗(yàn)電壓達(dá)到耐壓要求時(shí)，BXYDJ － 1000 /40 諧振變壓器副邊電流約為 14 A，小于額定值 25 A，與方案理論計(jì)算值較為吻合; 諧振變壓器原邊電流約 155 A，小于額定值 250 A。在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，整個(gè)方案在實(shí)施過程中數(shù)據(jù)平穩(wěn)，無異常放電現(xiàn)象。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子電容量較大，且超過諧振變壓器耐壓裝置額定極限負(fù)荷時(shí)，可以利用外接高壓電抗器在試驗(yàn)回路高壓側(cè)或者試品側(cè)進(jìn)行并聯(lián)補(bǔ)償，此舉能夠顯著提升諧振變壓器應(yīng)用補(bǔ)償能力。
2． 3 低于負(fù)載電容量下限值的調(diào)諧應(yīng)用
就發(fā)電機(jī)領(lǐng)域而言，汽輪發(fā)電機(jī)的定子分布電容值只有相同容量下水輪發(fā)電機(jī)的 1 /10 左右，很多臥式中小型水輪發(fā)電機(jī)定子分布電容也不足 0． 2 μF。顯然，一套大型諧振變壓器耐壓裝置無法滿足更多小電容量被試品的耐壓需求。另外，在對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)施增容改造時(shí)，在定子線棒下線階段的隨機(jī)檢驗(yàn)過程中，難免也會(huì)碰到定子線棒數(shù)量不多的情況。針對(duì)該應(yīng)用瓶頸，可采用輸出端或試品側(cè)外接高壓電容器的并聯(lián)補(bǔ)償方式，來提高被試品的對(duì)地等效電容量，以使其靠近諧振變壓器負(fù)載調(diào)諧較為理想的段落范圍。其原理接線如圖 4 所示。
圖 4 中，外接高壓電容器 C外 與發(fā)電機(jī)定子等效電容值 C 并聯(lián)，亦即增大了被試品總的等效對(duì)地電容量。以銅街子水電站 12 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組增容改造的
定子上層線棒下線后交流耐壓檢驗(yàn)為例，由于 543 ～565 槽部分區(qū)段的槽電位偏高，經(jīng)局部絕緣處理，槽電位得到了有效控制，隨后必須對(duì) 543 ～ 565 槽上下層線棒進(jìn)行絕緣耐壓檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，22 槽共計(jì) 44根定子線棒的電容量?jī)H為 0． 2 μF 左右，低于 BXYDJ－ 1000 /40 諧振變壓器額定負(fù)載的下限值，在試驗(yàn)過程中反復(fù)調(diào)諧仍無法找到諧振點(diǎn)。后來利用一只 FC－ 40 kV /0． 3 μF 電容器與試品的高壓側(cè)并聯(lián)，在被試品等效對(duì)地電容整體抬高的情況下，諧振變壓器順利地找到了諧振范圍，而且在整個(gè)升壓過程中，升壓表顯示的電壓值穩(wěn)定，只是標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電壓下的高低壓電流值略偏高于計(jì)算值。
3 結(jié) 語(yǔ)
( 1) 利用工頻諧振變壓器耐壓裝置對(duì)電力設(shè)備實(shí)施交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，不能教條地、完全以銘牌給定的負(fù)載電容范圍作為參考，而應(yīng)預(yù)先估計(jì)到諧振變壓器在*大和*小 2 個(gè)極限負(fù)荷段落內(nèi)，會(huì)存在喪失應(yīng)用調(diào)諧能力的可能性。
( 2) 采用并聯(lián)外接高壓電抗器和并聯(lián)外接高壓電容器，是突破工頻諧振試驗(yàn)變壓器應(yīng)用調(diào)諧能力的可靠方法，具有現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。
