双分裂变压器成套试验装置的研究

甘 鹏 王 生 任 达 嵇雨轩

（国网电科院检测认证技术有限公司）

0 引言

在碳达峰、碳中和的目标和愿景下，新能源风力发电及光伏发电将得到大力发展。风力及光伏发出的电能为690V低压电，无法远距离传输，通常采用双分裂变压器将风电及光伏电压升高至10kV或35kV，然后采用电缆或架空线路将电能送至升压站进行远距离输电。

双分裂变压器有两个低压绕组，两个低压绕组工作时没有电气上的联系，仅有比较弱的磁联系，两个低压分裂绕组可以单独运行，也可以同时运行［1-3］。图1为双分裂变压器的接线原理图。

图1 双分裂变压器接线原理图

配电变压器的高压绕组与低压绕组间短路阻抗较小，而双分裂变压器为了限值短路电流，将两个低压分裂绕组间的短路阻抗做的很大。对于两个低压绕组间的负载损耗及短路阻抗测量，无法采用配电变压器试验装置来进行试验，同时，双分裂变压器的参数与配电变压器也存在一定差异，因此配电变压器试验装置不能直接用于双分裂变压器的试验检测。本文研究适用于双分裂变压器的成套试验装置。

1 试验项目及试品参数

双分裂变压器的试验项目，可以从风力发电用变压器产品标准NB/T 31061—2014与NB/T 31062—2014、光伏发电用变压器产品标准T/CEEIA 251—2016、GB/T 1094系列标准中查询［4-6］。试验项目包括例行试验、型式试验及特殊试验三大类，项目大致与配电变压器基本相同。

从上述标准中查出，试品10kV双分裂变压器最小参数为：容量500kVA，低压0.69kV，空载电流0.80%，空载损耗0.68kW，负载损耗5.68kW，短路阻抗4.0%；35kV双分裂变压器最大参数为：容量3150kVA，低压0.69kV，空载电流0.40%，空载损耗1.52kW，负载损耗29.0kW，短路阻抗7.0%。

本文参考配电变压器试验装置，将双分裂变压器试验装置分为三大项：绝缘试验设备、性能试验设备及仪器仪表。

2 绝缘试验设备

绝缘试验设备包括工频试验变压器及冲击电压发生器。工频试验变压器用于10～35kV双分裂变压器的外施耐压试验，冲击电压发生器用于10～35kV双分裂变压器的雷电全波冲击及雷电截波冲击试验。

（1）工频试验变压器的选型

从GB/T 1094.3—2017中查出，35kV双分裂变压器外施耐压试验最高试验电压为85kV［7］。根据实际测量，35kV双分裂变压器的高压绕组对低压绕组1、低压绕组2及地的电容量约为10000pF，工频试验变压器电容分压器及杂散电容约2000pF，则负载电容约12000pF。试验电流为：

式中，f=50Hz；ω=2πf=314；C=0.12μF；U=85kV。计算得I=0.32A，参考设备生产厂家的选型手册，可选工频试验变压器额定电流为0.5A。

工频试验变压器的额定电压为：

式中，Ut=85kV；k为长期使用系数，取k=0.3。计算得U=121kV，因此工频试验变压器额定电压可选为120kV。

因此选择120kV/60kVA工频试验变压器。

（2）冲击电压发生器

从GB/T 1094.3—2017中查出，35kV双分裂变压器雷电截波冲击试验电压为220kV。35kV双分裂变压器入口电容约2000pF，冲击电压发生器的杂散电容及分压器电容量约500pF，即负载电容约2500pF。

冲击电压发生器设备总电容量：

计算得C=25000pF。

冲击电压发生器额定电压：

式中，Ut=220kV；k1为电压输出效率系数，取k1=0.9；k2=0.3为长期使用系数，取k2=0.3。计算得U=349kV，参考设备生产厂家的选型手册，冲击电压发生器额定电压可取400kV。

冲击电压发生器的额定能量：

将C=0.25μF，Ut=400kV代入式（5），得Q=20kJ。

因此选择400kV/20kJ冲击电压发生器。

3 性能试验设备

双分裂变压器性能试验设备主要用于空载电流及空载损耗测量、短路阻抗及负载损耗测量、感应耐压试验、温升试验、局部放电试验（干式）等试验项目。在配电变压器性能试验装置的基础上，增加升流变压器回路，专用于低压绕组1与低压绕组2间的短路阻抗及负载损耗测量、零序阻抗测量试验。双分裂变压器性能试验装置原理图如图2所示。

图2 双分裂变压器性能试验装置原理图

（1）电源

装置电源为380V工频电源，容量应大于变频电源容量。

（2）变频电源

输入电压为380V，输出电压1.0kV。额定容量：

式中，Pt取试品35kV双分裂变压器最大总损耗=29+1.52=30.52kW；k1为温升试验时变比3.0kV/1.0kV=3；k2为温升试验时功率因数，取k2=0.8；k3为裕度，取k3=1.5。计算得P=171kW，因此取变频电源容量200kVA。

（3）中间变压器

试品双分裂变压器为三相变压器，因此可选择三相双绕组变压器作为中间变压器。中间变压器的低压绕组额定电压为1.0kV，以与变频电源输出相配合。试品（10～35kV双分裂变压器）试验电压范围约为0.45～3.0kV（10kV双分类变压器负载试验电压最低约0.45kV，35kV双分裂变压器温升试验电压约为38.5kV×6.5%×1.2=3.0kV），故中间变压器的额定电压可选择为4.0kV，输出电压档位设置为1.0kV/2.0kV/3.0kV/4.0kV，满足不同试验方式需要。

各电压档位用途为：1.0kV电压档位用于进行10～35kV双分裂变压器的空载试验及感应耐压试验，10kV双分裂变压器的负载试验及温升试验；2.0kV电压档位可用于进20kV双分裂变压器的负载试验及温升试验；3.0kV及4.0kV电压档位可用于进20kV双分裂变压器的负载试验及温升试验。

中间变压器的额定容量与变频电源的容量一致，取200kVA。

（4）补偿电容器

补偿电容器组用于短路阻抗及负载损耗测量及温升试验时无功补偿，以降低试验电源容量要求。温升试验电压为3.0kV，考虑绝缘裕度后电容器额定电压取4.0kV。额定电流为：

式中，I0为补偿电流；可按双分裂变压器高压侧额定电流的1.15倍考虑。

补偿容量：

式中，Uc为电容器额定电压；Um为试验电压。

为满足不同容量试品补偿的需要，补偿电容器组可取：50kvar×1组+100kvar×1组+200kvar×1组+400kvar×1组+800kvar×1组，试验时分组投切。

（5）升流变压器

双分裂变压器的低压绕组1对低压绕组2间的负载损耗及短路阻抗测量，该试验项目特点为试验电压低、试验电流高，如果采用中间变压器来进行，则中间变压器的容量及变频电源的容量都需要取得很大，不经济，因此增加升流变压器，专用于该项目。

升流变压器可选：三相、容量200kVA、输入电压1.0kV、输出电压/电流57.7V/2000A。

（6）测量装置

测量装置由高精度电压互感器、高精度电流互感器、高精度功率分析仪组成，用于对试验电压、试验电流、试验功率进行准确测量。

试验电压范围为0.45～3.0kV，故电压互感器可选额定电压4.0kV，设置1.0kV、2.0kV、4.0kV三个电压档位，满足不同项目试验电压测量需要。

试验电流最大为2000A，故电流互感器可选额定电流2000A，设置10A、50A、100A、200A、1000A、2000A六个电流档位，满足不同项目试验电流测量需要。

功率分析仪应具有对平均值电压、有效值电压、功率因数的测量功能，以及对功率计算的功能。

4 仪器仪表

仪器仪表用于双分裂变压器的一些小型试验项目，单独依靠仪器仪表即可完成，或者用于配合双分裂变压器性能试验装置开展试验。本部分与配电变压器试验系统一致［8］。仪器仪表详如下表所示。

表 双分裂变压器试验用仪器仪表

5 结束语

本文研究的双分裂变压器性能试验装置，适用于10～35kV风力发电用变压器及光伏发电用变压器，主要由绝缘试验设备、性能试验设备、仪器仪表三部分组成。本文对该装置主要试验设备选型进行了介绍，研究结果可为风力及光伏发电用变压器试验检测设备的设备选型提供参考。

需要注意的是，本装置针对的是双分裂变压器，对于多分裂变压器（低压有三个绕组及以上），可参考本装置，根据试品的实际参数进行调整。