Способ электродинамических испытаний силовых трансформаторов
METHOD OF ELECTRODYNAMIC TESTS OF POWER TRANSFORMERS

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при создании сетевых испытательных стендов для проверки силовых трансформаторов на стойкость к токам короткого замыкания.
Известен способ электродинамических испытаний силового трансформатора, фазный вывод обмотки высокого напряжения которого через высоковольтный тиристорный ключ подключен к шинам электрической сети, а нейтраль и закороченная обмотка низкого напряжения заземлены, заключающийся в том, что формируют задающий сигнал интервала проводимости высоковольтного тиристорного ключа, равного продолжительности опыта короткого замыкания с одинаковым количеством полуволн тока короткого замыкания положительной и отрицательной полярности, синхронизируют задающий сигнал с напряжением на шинах электрической сети и подают на высоковольтный тиристорный ключ [1].
Известный способ позволяет выполнять требования ГОСТ 20243-74 «Трансформаторы силовые. Методы испытаний на стойкость к коротким замыканиям» в части нормирования продолжительности опытов короткого замыкания (0,2с) и обеспечения заданного уровня ударного тока короткого замыкания (ударный коэффициент порядка 1,8÷1,9). Однако только в том случае, если мощность короткого замыкания на шинах электрической сети на порядок и более превышает номинальную мощность испытуемого силового трансформатора. Это объясняется тем, что полная мощность, потребляемая из электрической сети во время опыта короткого замыкания, в 10 и более раз превышает номинальную мощность испытуемого силового трансформатора. При этом соотношение активной и реактивной составляющих полной мощности определяется соотношением активной и индуктивной составляющих сопротивления короткого замыкания испытуемого силового трансформатора. Указанное обстоятельство ограничивает номенклатуру силовых трансформаторов по номинальной мощности, которые могут быть испытаны на стойкость к токам короткого замыкания от шин электрической сети.
Известен способ электродинамических испытаний силового трансформатора, фазный вывод обмотки высокого напряжения которого через последовательно соединенные высоковольтный тиристорный ключ и конденсаторную батарею подключен к шинам электрической сети, а нейтраль и закороченная обмотка низкого напряжения заземлены, заключающийся в том, что емкостное сопротивление конденсаторной батареи устанавливают равным индуктивной составляющей сопротивления короткого замыкания силового трансформатора и осуществляют предварительный заряд конденсаторной батареи до напряжения, соответствующего номинальной величине обмотки высокого напряжения и заданной величине ударного тока короткого замыкания, формируют задающий сигнал интервала проводимости высоковольтного тиристорного ключа, равного продолжительности опыта короткого замыкания с одинаковым количеством положительных и отрицательных полуволн тока короткого замыкания, синхронизируют задающий сигнал с напряжением электрической сети и подают на высоковольтный тиристорный ключ [2].
Известный способ позволяет снизить величину полной мощности, потребляемой от шин электрической сети, до уровня только активной составляющей, компенсирующей потери в сильноточном контуре протекания испытательного тока короткого замыкания. Однако для этого необходимо емкостное сопротивление конденсаторной батареи на частоте напряжения электрической сети установить равным индуктивной составляющей сопротивления короткого замыкания испытуемого силового трансформатора. Для силовых трансформаторов номинальной мощностью (25÷630) МВА и номинальным напряжением (110÷500) кВ индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания может принимать значения от 6,1 Ом до 190 Ом (значения, приведенные к стороне высокого напряжения). Поэтому перед проведением каждого опыта короткого замыкания емкостное сопротивление конденсаторной батареи должно устанавливаться равным одному из дискретных значений указанного диапазона в зависимости от типа испытуемого силового трансформатора. Необходимое емкостное сопротивление может быть установлено только путем изменения состава и схемы соединения используемых секций конденсаторной батареи. Однако при таком способе установки емкостное сопротивление конденсаторной батареи может принимать только ряд дискретных значений, множество которых заведомо меньше номенклатуры выпускаемых силовых трансформаторов. Кроме того, в множестве дискретных значений емкостного сопротивления конденсаторной батареи может отсутствовать значение, равное индуктивной составляющей сопротивления короткого замыкания конкретного испытуемого силового трансформатора. В таком случае нарушается условие резонансной настройки сильноточного контура. Тогда принужденная составляющая испытательного тока короткого замыкания будет изменяться с частотой электрической сети, а свободная составляющая, обусловленная предварительным зарядом конденсаторной батареи, будет изменяться с частотой, определяемой индуктивностью короткого замыкания испытуемого силового трансформатора и установленной емкостью конденсаторной батареи. В результате искажается форма испытательного тока короткого замыкания, исключая возможность проведения зачетных опытов короткого замыкания. Таким образом, ограниченные возможности настройки емкостного сопротивления конденсаторной батареи на резонансное значение ограничивают номенклатуру испытуемых силовых трансформаторов.
Цель изобретения - расширение номенклатуры испытуемых силовых трансформаторов.
0
1
2
N-1
HOM
HOM
Поставленная цель достигается тем, что конденсаторную батарею разделяют на N секций с соотношением емкостей секций 2:2:2:…:2, обеспечивают возможность бестоковой коммутации отдельных секций, осуществляют предварительный заряд конденсаторной батареи от шин электрической сети по высоковольтному контуру, гальванически развязанного от контура протекания тока короткого замыкания, в течении М периодов напряжения электрической сети, количество которых выбирают в зависимости от номинальной мощности S испытуемого силового трансформатора по критерию S/M=const для всей номенклатуры испытуемых силовых трансформаторов, а опыт короткого замыкания начинают в момент максимума напряжения на шинах электрической сети противоположного по знаку направлению напряжения предварительного заряда конденсаторной батареи.
На фиг. 1 представлена схема испытательного стенда, реализующего предлагаемый способ электродинамических испытаний силовых трансформаторов.
Стенд электродинамических испытаний подключен к сборным шинам 1 электрической сети 2. В состав стенда электродинамических испытаний входят сильноточный контур 3 и высоковольтный зарядный контур 4, каждый из которых подключен к сборным шинам 1. Сильноточный контур 3 образован высоковольтным тиристорным ключом 5, секционированной конденсаторной батареей 6 с секционными разъединителями 7.1, 7.2, …, 7.N, одной из фазных обмоток высокого напряжения испытуемого силового трансформатора 8, остальные обмотки которого замкнуты накоротко и подключены к контуру заземления.
Высоковольтный тиристорный ключ 5 одним из выводов подключен к сборным шинам 1 и выполнен из последовательно соединенных тиристорных ячеек, каждая из которых образована встречно-параллельно соединенными силовыми тиристорами 5.1 и 5.2. Силовые тиристоры 5.1 обеспечивают протекание нечетных полуволн, а силовые тиристоры 5.2 обеспечивают протекание четных полуволн испытательного тока во время опытов короткого замыкания.
1
2
N
1
2
N
0
1
2
N-1
Конденсаторная батарея 6 содержит N параллельно соединенных секций 6.1, 6.2, …, 6.N емкости С, C, …, C которых выбирают в соотношении C:C:…:C=2:2:2:…:2. Разъединители 7.1, 7.2, …, 7.N обеспечивают бестоковую коммутацию секций 6.1, 6.2, …, 6.N для установки резонансной величины емкостного сопротивления конденсаторной батареи 6 перед проведением опыта короткого замыкания.
Высоковольтный зарядный контур 4 содержит регулировочный трансформатор 9, повышающий трансформатор 10, обмотка высокого напряжения которого через высоковольтный диодный блок 11 и токоограничивающие резисторы 12, 13 подключена к конденсаторной батарее 6. Первичная обмотка регулировочного трансформатора 9 подключена к сборным шинам 1 электрической сети 2 и контуру заземления стенда электродинамических испытаний.
Трансформатор напряжения 14 стороной высокого напряжения подключен к сборным шинам 1 электрической сети 2, а стороной низкого напряжения подключен к входу «Синхронизация» системы управления 15 высоковольтным тиристорным ключом 5. На вход «Пуск» системы управления 15 подают команду проведения опыта короткого замыкания. Выход системы управления 15 связан с управляющими электродами силовых тиристоров 5.1, 5.2 высоковольтного тиристорного ключа 5. Высоковольтное плечо делителя напряжения 17 соединено с общей точкой высоковольтного тиристорного ключа 5 и конденсаторной батареи 6, а низковольтное плечо подключено к входу «Уровень заряда» системы управления 15.
Предлагаемый способ электродинамических испытаний заключается в следующем.
Перед проведением опыта короткого замыкания устанавливается комбинация положений «замкнут-разомкнут» разъединителей 7.1, 7.2, …, 7.N, при которой емкостное сопротивление конденсаторной батареи 6 становится равным составляющей сопротивления короткого замыкания испытуемого силового трансформатора 8. Необходимая комбинация определяется выражением
T
КБ
O
(7.1)
(7.2)
(7.N)
x - индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания испытуемого силового трансформатора 8; х - суммарное емкостное сопротивление секций 6.1, 6.2, …, 6.N конденсаторной батареи 6, необходимое для проведения опыта короткого замыкания; x - емкостное сопротивление секции 6.1 конденсаторной батареи 6; S, S, …, S - бинарный коэффициент, учитывающий положение разъединителя 7.1, 7.2, …, 7.N соответственно и принимающий значение «1» при замкнутом разъединителе или значение «0» при разомкнутом разъединителе.
Если все разъединители переведены в положение «замкнут», т.е.
то емкостное сопротивление конденсаторной батареи 6 будет принимать минимальное значение
а суммарная емкость будет максимальной
Если в положение «замкнут» установлен только один разъединитель 7.1, т.е.
то емкостное сопротивление конденсаторной батареи 6 будет принимать максимальное значение
а емкость конденсаторной батареи 6 будет минимальной
Для обеспечения электродинамических испытаний силовых трансформаторов номинальной мощностью (25÷630) МВА и номинальным напряжением (110÷500) кВ емкостное сопротивление конденсаторной батареи 6 должно устанавливаться в диапазоне
Погрешность выполнения условия (1) будет определяться количеством N секций конденсаторной батареи 6
КБ
В таблице 1 представлены значения Δх(%) в зависимости от количества N секций 6.1, 6.2, …, 6.N конденсаторной батареи 6.
По данным таблицы 1 выбирается количество секций конденсаторной батареи 6 по необходимой точности задания емкостного сопротивления и выполнения условия (1) резонансной настройки сильноточного контура 3.
В качестве примера в таблице 2 представлены значения кодов регулирования, которые образуются различными комбинациями состояний разъединителей 7.1, 7.2, …, 7.N «замкнут - разомкнут» при N=6, и соответствующие каждому коду параметры конденсаторной батареи 6 для указанной выше номенклатуры испытуемых силовых трансформаторов. При N=6 обеспечивается установка емкостного сопротивления конденсаторной батареи 6 с погрешностью менее 1%.
После установки необходимой величины емкостного сопротивления производится заряд конденсаторной батареи 6 до напряжения
HOM
УД
где U - номинальное напряжение испытуемого силового трансформатора 8; K - ударный коэффициент, определяющий величину ударного тока в опыте короткого замыкания.
Заряд конденсаторной батареи 6 осуществляется от сборных шин 1 электрической сети 2 с помощью высоковольтного зарядного контура 4. Регулировочный трансформатор 9 и повышающий трансформатор 10 обеспечивают необходимый уровень зарядного напряжения, соответствующий номинальному напряжению испытуемого силового трансформатора 8. Кроме того, повышающий трансформатор 10 обеспечивает гальваническую развязку конденсаторной батареи 6 от сборных шин 1 электрической сети 2. К моменту окончания зарядного процесса в конденсаторной батарее 6 накапливается энергия
где ω - угловая частота напряжения электрической сети 2.
Т
КБ
С учетом выражения (3) и предварительно выполненного условия резонансной настройки (х=х) сильноточного контура 3 величина запасенной в конденсаторной батарее 6 может быть выражена через параметры испытуемого силового трансформатора 8
Индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания испытуемого трансформатора 8 определяется известным выражением
K%
HOM
где u - паспортное значение напряжения короткого замыкания испытуемого силового трансформатора 8; S - номинальная мощность испытуемого силового трансформатора 8.
С учетом последнего соотношения величину запасенной в конденсаторной батарее 6 энергии можно численно соотнести с номинальной мощностью испытуемого силового напряжения 8
Токоограничивающие резисторы 12, 13 ограничивают величину зарядного тока и определяют время заряда конденсаторной батареи 6, от продолжительности которого зависит среднезарядная мощность регулировочного трансформатора 9 и повышающего трансформатора 10
3
где t - время заряда конденсаторной батареи 6 до напряжения, определяемого выражением (3).
Если заряд конденсаторной батареи 6 продолжается в течение М периодов напряжения электрической сети 2, т.е.
то среднезарядная мощность регулировочного трансформатора 9 и повышающего трансформатора 10 будет определяться величиной
УД
Напряжение короткого замыкания для указанной выше номенклатуры силовых трансформаторов составляет (10,5÷14)%, ударный коэффициент в зачетных опытах короткого замыкания должен обеспечиваться на уровне K≅1,8. В этих условиях соотношение номинальной мощности испытуемого силового трансформатора 8 и среднезарядной мощности регулировочного трансформатора 9 и повышающего трансформатора 10 будет определяться
количеством периодов напряжения электрической сети 2, в течение которых происходит заряд конденсаторной батареи 6.
Для заданной номенклатуры испытуемых силовых трансформаторов по номинальной мощности
неизменное значение
и соответственно
обеспечит неизменной и величину среднезарядной мощности в процессе заряда конденсаторной батареи 6 при любом установленном резонансном значении емкостного сопротивления. Выбор среднезарядной мощности, определяющей массо-габаритные показатели регулировочного трансформатора 9 и повышающего трансформатора 10, целесообразно проводить для наиболее мощного  испытуемого силового трансформатора 8.
3
max
Если время заряда t=20 с, соответственно M=1000, то суммарная среднезарядная мощность регулировочного трансформатора 9 и повышающего трансформатора 10
cpΣ
ср
на три порядка меньше номинальной мощности испытуемого силового трансформатора 8. Например, при  MBA суммарная среднезарядная мощность P=(1,55÷2,1) MBA, а среднезарядная мощность регулировочного трансформатора 9 и повышающего трансформатора 10 составит Р=(0,78÷1,05) МВА.
min
Тогда для конденсаторной батареи 6, обеспечивающей электродинамические испытания силового трансформатора 8 номинальной мощностью  МВА, количество периодов напряжения электрической сети 2, необходимых для заряда, может быть уменьшено до M=40.
HOM
Выполнение условия S/M=const обеспечивается в процессе экспоненциального заряда конденсаторной батареи 6 при величине сопротивления токоограничивающих резисторов 12, 13
Σ
где R - суммарное сопротивление токоограничивающих резисторов 12, 13.
Σ
min
3(min)
max
3(max)
Для номенклатуры испытуемых силовых трансформаторов (25÷630) МВА величина отношения  обеспечивается выбором R≅17 кОм. В этом случае минимальное время заряда конденсаторной батареи 6 при C=16 мкФ составит t=0.8 с, а максимальное время заряда при C=513 мкФ составит t=20 с.
Σ
(16)
(16)
Σ
Увеличения сопротивления токоограничивающих резисторов 12, 13 сверх указанного выше значения позволит уменьшить среднезарядную мощность регулировочного трансформатора 9 и повышающего трансформатора 10, но приведет к увеличению времени предварительного заряда конденсаторной батареи 6 и соответственно времени подготовки опыта короткого замыкания. Ограничение «сверху» на величину R накладывает омический делитель напряжения 16, сопротивление R которого не окажет влияние на уровень заряда конденсаторной батареи 6 при условии R>>R.
CO
m(2)
До начала опыта короткого замыкания высоковольтный тиристорный ключ 5 должен выдерживать приложение напряжения, равного сумме постоянной составляющей, обусловленной зарядом U конденсаторной батареи 6, и синусоидальной составляющей с амплитудой U, обусловленной электрической сетью 2, т.е.
CO
Окончание процесса заряда конденсаторной батареи 6 до заданного уровня U фиксируется системой управления 15 с помощью омического делителя напряжения 16. С этого момента времени в системе управления 15 формируется сигнал разрешения для проведения опыта короткого замыкания.
2
КБ
КЗ
По команде «Пуск» система управления 15 формирует задающий сигнал интервала проводимости высоковольтного тиристорного ключа 5, начало которого синхронизируется с помощью трансформатора напряжения 14 с напряжением на сборных шинах 1 электрической сети 2, и при наличии сигнала разрешения подает управляющие импульсы на силовые тиристоры 5.1, 5.2. Первый управляющий импульс при указанной на фиг. 1 полярности напряжения предварительного заряда конденсаторной батареи 6 подается на силовые тиристоры 5.1 и определяет момент начала опыта короткого замыкания относительно напряжения электрической сети 2 на сборных шинах 1. Во время опыта короткого замыкания мгновенные значения напряжения u(t) электрической сети 2, напряжения u(t) конденсаторной батареи 6 и испытательного тока i(t) короткого замыкания, протекающего в сильноточном контуре 3, определяются при условии резонансной настройки выражениями
T
T
T
где r - активная составляющая сопротивления короткого замыкания испытуемого силового трансформатора 8; δ=ω⋅r/2x - декремент колебаний напряжения и тока конденсаторной батареи 6; ψ - начальная фаза напряжения электрической сети 2 в момент начала опыта короткого замыкания.
Первые слагаемые выражений (6), (7) определяют принужденные составляющие
напряжения конденсаторной батареи 6 и испытательного тока сильноточного контура 3, обусловленные напряжением электрической сети 2.
Вторые слагаемые выражений (6), (7) определяют свободные составляющие
напряжения конденсаторной батареи 6 и испытательного тока сильноточного контура 3, обусловленные напряжением предварительного заряда конденсаторной батареи 6.
При ψ=π напряжение электрической сети 2 и напряжение предварительного заряда конденсаторной батареи 6 в момент начала опыта короткого замыкания направлены встречно. Поэтому принужденная и свободная составляющие напряжения конденсаторной батареи 6
вычитаются, а принужденная и свободная составляющие испытательного тока сильноточного контура 3
УД
складываются. В результате увеличивается испытательный ток сильноточного контура 3, обеспечивая нормированное значение ударного коэффициента K=1,8 в зачетных опытах короткого замыкания. При этом энергия, предварительно накопленная в конденсаторной батареи 6, расходуется не только на создание свободной составляющей  испытательного тока, но и частично рекуперируется в электрическую сеть 2. В результате к моменту окончания опыта короткого замыкания конденсаторная батарея 6 оказывается практически полностью разряженной.
2
m(2)
Условие ψ=π, когда u(t)=-U является наиболее благоприятной фазой напряжения электрической сети 2 для начала опыта короткого замыкания, при которой обеспечивается максимальная величина испытательного тока и практически полный разряд конденсаторной батареи 6, Во всех других случаях, когда ψ≠π, величина испытательного тока уменьшается, а остаточное напряжение конденсаторной батареи 6 увеличивается.
По окончании задающего сигнала интервала проводимости высоковольтного тиристорного ключа 5 система управления 15 прекращает подачу управляющих импульсов на силовые тиристоры 5.1, 5.2, причем последний управляющий импульс подается на силовые тиристоры 5.2. В результате обеспечивается нормированная продолжительность зачетного опыта короткого замыкания (0,2с) с одинаковым количеством положительных и отрицательных полуволн испытательного тока короткого замыкания.
0
1
2
Таким образом, секционирование конденсаторной батареи с отношением емкостных сопротивлений секций как 2:2:2:…, предварительный заряд конденсаторной батареи в течение М периодов напряжения электрической сети, количество которых пропорционально номинальной мощности испытуемого силового трансформатора, проведение опыта короткого замыкания с момента максимума напряжения электрической сети противоположного направлению напряжения заряда конденсаторной батареи позволяют получить положительный эффект предлагаемого способа электродинамических испытаний, заключающийся в расширении номенклатуры испытуемых силовых трансформаторов.
Источники информации, использованные при экспертизе:
1. Кувшинов А.А., Хренников А.Ю. Высоковольтный тиристорный вентиль для электродинамических испытаний силовых трансформаторов // ЭЛЕКТРО. - 2014. №2. - С. 42-46.
2. Кувшинов А.А., Хренников А.Ю. Электродинамические испытания силовых трансформаторов с компенсацией реактивной мощности // Электротехника. - 2017. - №11. - С. 80-87.