基于无功补偿技术在牵引变压器负载试验的失效分析及算法修正

湖南润伟智能机器有限公司 李旭雅 刘 颂 左汉权

1 牵引变压器负载试验介绍

牵引变压器负载试验实现方式：根据国家标准要求，试验时使被试变压器一侧短路，从另一侧绕组外加额定频率50Hz 的电压，测量各绕组通过额定电流时的损耗以及短路阻抗电压。当试验品额定电流较大，难以通过额定电流时，可测量通过额定电流50%以上的低电流，短路阻抗与电流成比例，负载损耗与电流的平方成比例，从而分别换算出额定电流下的值[1]。

进行负载试验时，所需试验容量是滞后无功，在中间变压器的高压侧投入电容补偿装置进行无功补偿，此时通过中间变压器的电流是被试变压器的落后无功和电容器的超前无功的相量之和，需要的中间变压器容量最小，可以减少试验占地空间和成本预算。试品参数、负载试验参数分别见表1、见表2。

表2 负载试验参数

2 试验过补偿失效分析及修正

短接所有副边，试验时先投入需要的电容器组，再接通被试品回路，调节前端调压器，使电压从零位开始以一定的速度均匀上升。当被试品原边电流达到额定电流的50%，停止升压，记录此时的电压值，原理如图1所示。

图1 负载试验原理

投入任何单路电容器或其并联组合均显示异常，或是无法正常升压，或是调压器发出极大噪声。

投入3组240kVar 电容器，调节调压器升压，升压速度明显偏低，调压电机显得负荷较大，需要给定较高频率才能够正常运转。电压从0V 升至600V过程中，调压器无明显噪声，电流随着电压升高逐渐增大[2]。电压从600V 继续往上升，噪声明显变大，当电压升至2100V，电流至50A 时，调压器噪声极大，停止试验。关键部件参数见表3。

表3 关键部件参数

经分析，出现该现象原因为过补偿，需要对电容器容量及容值进行重新计算。

3 算法修正

无功由被试变压器的电感引起的电流滞后电压产生，因此需要电容器的电流超前电压的特性进行补偿，补偿的容性无功功率的大小由感性无功的大小决定[3]。

被试变压器产生的无功功率Q1，内阻产生的有功功率确定补偿前的功率因数cosθ1，然后根据预设补偿后的功率因数和计算出的补偿前的功率因数cosθ2，算出需要补偿的容性无功功率Q2，进而可以计算出电容值C 和补偿电流I。

当负载试验分为多个项点时，对每一个试验项点进行如下计算。

确定被试变压器短路后等效电感L，通过该值计算出被试变压器在试验电压条件下产生的无功功率：

确定出被试变压器短路后纯阻性或接近阻性部分等效阻值R，通过该值计算出被试变压器在试验电压条件下产生的有功功率：

补偿前的功率因数：

设定补偿后的功率因数，需补偿的无功功率：

所需电容容值：

电容补偿电流：

值得注意的是，根据试验经验，试验时电压从低压上升到额定测试电压，这个过程中的无功和有功都在变化，并且考虑到电容器通常存在±10%误差，为避免调压过程中出现过补偿现象(容性无功的危害高于感性无功)，预设目标功率因数宜取0.85～0.95。

4 电容器选型

选择电容器时，建议选择市面上的常规型号，可缩短采购周期，节约成本。当负载试验分为多个项点时，不同项点的需求容量不同，则需要选择多组并联，每组可单独投切的方案。选型时还应考虑理论与实际的偏差，预留一定调整空间，因此建议将容量进行细分，选取多组小容量电容器并联，在调试过程中根据实际补偿效果调整投入数量[4]。

通过最高的试验电压选择电容器的额定电压，高出试验电压1.2～1.5倍为宜。负载试验过程采用调压器从零位升至目标电压的方法，若电容器额定电压刚好等于试验电压，一旦调压器升压程序不完善，电容器将面临过压的风险；若额定电压过高，将导致所需容量增大，造成不必要的成本浪费；若额定电压低于试验值，试验时电容器将面临击穿危险。

利用所需电容值C 与额定电压，计算出额定容量，不同试验项点均计算一次。

合理选取n 台常规容量的小电容器进行并联，每个试验项点都能在其中找到一个接近需求的组合容量，并且可以适度减少容量为宜。确定额定电压以及额定容量，则电容器型号被确定。将选型后的参数代入公式，计算升压变压器电流：

当升压变压器电流值小于升压变压器额定电流时，则证明选型正确。

5 试验效果

经修正计算后，重新选定3台60kVar（C1/C2/C3）和4台200kVar（C4/C5/C6/C7）的电容器，其连接原理如图2所示。

图2 修正计算后电容器原理

实际连接被试变压器测试时，试验电压从0V 升至5274.2V 后，试验电流为126.1A，功率为52330.9W，整个试验过程中均未出现明显的异常噪声，该试验数据均满足试验标准要求，试验工艺界面如图3所示。

图3 试验工艺界面

6 结语

电容器在电路中属于被动元件，电容值是其固有特性，不随外界电源状态的变化而发生改变。故而计算选型时，首要目标是算出需求电容值。容性无功的危害高于感性无功，补偿时不宜多。所以选择电容器组合方案时，最好使每种试验项点都能实现10%～20% 容量的删减，如此，可以大幅提升方案可靠性。一般采用电动开关实现电容器自动投切，例如本文所选取的高压真空接触器。设计时应综合考虑成本、布局空间等因素，不宜给每路电容器设置单独的投切开关。