1、熱油循環(huán)的原理
熱油循環(huán)時(shí)油箱上部的氣體與油之間的水蒸氣也存在類似的擴(kuò)散平衡，通過提高真空度降低空氣中的水蒸氣分壓，可以進(jìn)一步加快水分的析出。這就是熱油循環(huán)加真空循環(huán)加快干燥的原理。熱油循環(huán)只是對(duì)油進(jìn)行了加熱，變壓器絕緣紙板本身的溫度是通過熱油傳遞的，對(duì)于特高壓變壓器來說，有大量較厚的絕緣紙板，熱油循環(huán)很難快速提升紙板本身的溫度，而由外向內(nèi)傳熱的方式使絕緣紙板的溫度梯度由外向內(nèi)溫度逐漸降低，致使絕緣紙板內(nèi)部水分有向內(nèi)部擴(kuò)散的趨勢，這種情況不利于絕緣的干燥。因此通過繞組的發(fā)熱使紙板的溫度梯度轉(zhuǎn)向，使絕緣紙板內(nèi)部水分具有向外擴(kuò)散的趨勢，可以有助于紙板內(nèi)水分的析出。這就是熱油循環(huán)中繞組輔助加熱干燥的原理。
2、短路法和低頻加熱技術(shù)
2.1短路法加熱
由于工頻電源的易于獲得，工頻短路法加熱變壓器繞組的方法最先被采用[2]。短路法的基本原理是將換流變壓器一側(cè)繞組(通常為閥側(cè)繞組)短路，從另一側(cè)繞組(通常為網(wǎng)側(cè)繞組)施加交流電壓，使繞組內(nèi)部流過電流(應(yīng)控制不超過其額定電流)，使繞組內(nèi)部發(fā)熱，從內(nèi)部將變壓器器身絕緣均勻加熱到指定溫度，再經(jīng)過抽真空和熱油循環(huán)處理，帶出絕緣內(nèi)的潮氣，從而達(dá)到干燥的效果。短路法是繞組從器身內(nèi)部加熱，能大大提高效率，縮短加熱時(shí)間，器身的干燥效果優(yōu)于普通的熱油循環(huán)效果。
其使用的設(shè)備及接線完全與變壓器負(fù)載試驗(yàn)相同。但是工頻短路法有諸多缺點(diǎn)難以在現(xiàn)場實(shí)施。工頻短路法需要用到調(diào)壓器、升壓變、補(bǔ)償裝置等大型設(shè)備，設(shè)備布置和接線工作量大;試驗(yàn)電壓為變壓器阻抗電壓，高達(dá)幾十kV，且試驗(yàn)占地面積大，進(jìn)行短路法加熱干燥時(shí)需要大量的人員長時(shí)間值班看守，現(xiàn)場安全難以把控。因此，工頻短路現(xiàn)場加熱干燥方法補(bǔ)償電容器組容量大，使用的調(diào)壓器、中間變壓器均為體積大、重量重的大型設(shè)備，不便現(xiàn)場應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)整體加熱裝置的小型化，在保證加熱能力的同時(shí)滿足移動(dòng)方便的要求，是研制現(xiàn)場短路法加熱裝置的難點(diǎn)。當(dāng)換流變壓器電壓等級(jí)升高、容量增大時(shí)，利用這種基于調(diào)壓器的短路法進(jìn)行變壓器現(xiàn)場加熱更為困難。
2.2低頻加熱的電壓及容量
工頻短路加熱存在的局限性，可以通過降低頻率的方法進(jìn)行克服，也即低頻加熱技術(shù)。變壓器的短路狀態(tài)下的等效電路如圖1所示，其阻抗為Z=R+jωL。在工頻狀態(tài)下，jωLR，因此減小頻率ω可以顯著減小阻抗電壓。當(dāng)然在頻率減小到一定程度后，R的大小不再可以忽略不計(jì)，進(jìn)一步減小ω不會(huì)引起阻抗電壓的降低。當(dāng)頻率足夠低時(shí)，jωLR，變壓器阻抗電壓主要有變壓器的直流電阻決定。圖2顯示了阻抗電壓及無功容量與頻率的關(guān)系。
阻抗電壓總體上與頻率成正比，當(dāng)頻率接近零時(shí)，阻抗電壓趨近于常數(shù)，該常數(shù)即為變壓器直流電阻與短路電流的乘積。無功容量與頻率成正比。因此通過降低頻率不單降低了阻抗電壓，還降低了無功容量，提高了加熱電源的功率因數(shù)，避免了用大容量的補(bǔ)償裝置。相比于工頻短路加熱，低頻加熱技術(shù)明顯地能夠克服其局限性。對(duì)于特高壓換流變壓器，頻率低至1Hz以下時(shí)，其阻抗電壓低于1kV，通過簡單的絕緣措施就可以保證安全，避免大量的安全監(jiān)護(hù)人員長時(shí)間值守。同時(shí)升壓裝置和補(bǔ)償裝置都可以省略，大大減少了設(shè)備占地面積，減少了現(xiàn)場工作量，提高了工作效率。
2.3低頻加熱電源干燥效果的仿真
采用基菲克第二定律描述電力變壓器干燥處理的水分?jǐn)U散模型，建立有限元模型進(jìn)行模擬對(duì)比低頻加熱和傳統(tǒng)的熱油循環(huán)干燥處理效果。低頻加熱和熱油循環(huán)組合使用時(shí)會(huì)是干燥處理效果得到明顯改善。模擬考慮了5mm的絕緣紙片，原始水分含量為5%。模擬干燥時(shí)間為7天。干燥方式分為油循環(huán)干燥方式及加低頻加熱，熱油循環(huán)溫度為60℃和80℃兩種油溫條件，有低頻加熱時(shí)將油溫度分別加熱到80℃，95℃和110℃等三種情況。
熱油循環(huán)在60℃時(shí)(沒有低頻加熱)的干燥過程，以及同樣的油溫下采用低頻加熱溫度為80℃，95℃和110℃的情況。當(dāng)熱油加熱沒有低頻加熱時(shí)，曲線的坡度是平的，因此干燥過程非常慢。這是因?yàn)樵?0℃時(shí)，絕緣材料的水分?jǐn)U散系數(shù)很低，絕緣紙中的水分遷移速度很慢。根據(jù)模擬，在這種情況下，干燥7天之后，水分含量降低到2.4%。而降到2%的水分含量(按照IEEEStd62-1995的規(guī)定)需要的處理時(shí)間則長達(dá)255h。如果采用低頻加熱的方式，完成干燥處理會(huì)更快。使含水量降低到2%所需要的干燥時(shí)間會(huì)隨著絕緣材料溫度的增加而減少，低頻加熱80℃所需時(shí)間為64.5h，95℃為25.5h，110℃為10.7h。低頻加熱7天，三個(gè)加熱溫度下最終的紙板含水量將分別達(dá)到1.4%，1.3%和1.2%.當(dāng)在熱油循環(huán)80℃的油溫下采用低頻加熱，獲得的模擬結(jié)果。在這種情況下，不同溫度的最終含水量彼此很接近。
然而當(dāng)采用低頻加熱時(shí)，在開始處理的幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)就可以達(dá)到最終含水量。這種方式的干燥處理節(jié)約大量的處理時(shí)間和電力，是非常經(jīng)濟(jì)的。然而以上模擬結(jié)果以及討論均是基于模型的Foss擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行推論的，然而實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)則顯示該模型的擴(kuò)散系數(shù)太過樂觀了，實(shí)際的干燥時(shí)間會(huì)比這個(gè)模型估計(jì)的干燥時(shí)間要長。即使如此，以上的討論和研究也是很有價(jià)值的，例如通過模擬推論的結(jié)論在趨勢上是正確的。
3、低頻加熱電源的研制
3.1電源容量
按照現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，發(fā)熱電源的發(fā)熱功率(有功)達(dá)到換流變負(fù)載損耗的60%左右即可滿足現(xiàn)場加熱的需要。(6)式中：cosφ是功率因數(shù)，采用基于方波調(diào)制的交交變頻技術(shù)方案功率因數(shù)接近1，此處取0.98;η是電源效率，該方案電源自身損耗較小，效率是較高的，可以取90%。最大加熱容量為819.7kW，因此根據(jù)上式加熱電源功率應(yīng)為P=930kV?A，則能滿足大部分場合需求。
3.2電壓與電流
考慮到施工現(xiàn)場電源接線的方便和安全性，加熱電源輸入電壓選擇380V，輸入電流1413A。由于直接由380V整流后的直流電壓最高僅537V，對(duì)于部分變壓器該電壓即使在直流情況下也無法達(dá)到額定電流相當(dāng)?shù)募訜犭娏鳎虼诵枰鋫渖龎鹤儔浩魈岣哒鳂螂妷?。設(shè)升壓后線電壓為U，則直流電壓近似為槡2U。
3.3整流橋與驅(qū)動(dòng)電路
3.3.1晶閘管的選型變頻技術(shù)電源工作電壓為700V，工作電流為1200A。晶閘管的最大電流與電源的工作額定電流相等，最大電壓為相間電壓的一半。為了整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠，根據(jù)晶閘管選用慣例，晶閘管電壓選為大于其最大承受電壓的2倍以上，額定電流為工作最大承受電流的3倍以上。因此晶閘管最終選型為南車公司的1000V/46000A晶閘管。
3.3.2整流橋的控制方式
不同的被加熱換流變壓器具有不同等效直流電阻，一定的加熱電流情況下，變頻電源的工作電壓是不同的。為了較好地調(diào)節(jié)低頻加熱電源的工作電壓，交-交變頻技術(shù)法的低頻加熱電源應(yīng)采用可控整流的方式，通過控制導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)電壓。同時(shí)，為避免兩個(gè)反向整流橋同時(shí)導(dǎo)通造成電源的短路，應(yīng)首先將前一個(gè)工作整流橋關(guān)閉觸發(fā)脈沖，等全部整流橋中的晶閘管自然關(guān)斷后再啟動(dòng)另一個(gè)整流橋，實(shí)現(xiàn)電流的極性發(fā)轉(zhuǎn)。
3.4測量和控制系統(tǒng)
整流橋工作在全波整流工作狀態(tài)，可以用電平觸發(fā)的方式進(jìn)行控制，為了避免兩個(gè)反向的整流橋同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致電源短路，開通一整流橋之前必須確認(rèn)對(duì)側(cè)整流橋已經(jīng)全部關(guān)斷。檢測方法是通過檢測負(fù)載電流過零比較結(jié)果與方波輸出相。若需要調(diào)節(jié)導(dǎo)通角α，則不能采用電平觸發(fā)，而用脈沖觸發(fā)。以AC相線電壓為參考電壓，當(dāng)線電壓正向過零時(shí)延時(shí)180°-α角度后給晶閘管1發(fā)出觸發(fā)脈沖，其余各晶閘管的觸發(fā)脈沖依次再延遲60°角觸發(fā)。
但是觸發(fā)脈沖的可靠性不好，因此不建議調(diào)節(jié)導(dǎo)通角，本方案仍采用電平觸發(fā)的方式。作為加熱電源，需要有調(diào)節(jié)輸出電流的機(jī)制。根據(jù)式(13)，輸出電流與頻率有關(guān)，通過控制頻率可以比較方便地控制輸出電流。式(13)僅是電流波形的近似計(jì)算公式，當(dāng)頻率較高時(shí)，電感未充電完成即撤去整流橋觸發(fā)電平，負(fù)載電流就會(huì)進(jìn)一步減小，電流波形如圖5虛線所示?？梢娺M(jìn)一步提高調(diào)制頻率，可以繼續(xù)減小負(fù)載電流，直至減小到接近于零。所以通過控制調(diào)制頻率完全能夠?qū)崿F(xiàn)加熱電流的零起上升。
4、低頻加熱電源的現(xiàn)場應(yīng)用
4.1加熱對(duì)象
加熱對(duì)象為哈密換流站低端換流變壓器極IIYDB相，變壓器的主要參數(shù)如下：額定容量405.2MV?A;額定電壓530/槡3+23-5×1.25%/171.9kV;額定電流1324.2A/2357.2A;阻抗電壓19.71%;直流電阻(20℃)網(wǎng)側(cè)0.16131Ω，閥側(cè)0.05492Ω;生產(chǎn)廠家為特變電工沈陽變壓器集團(tuán)有限公司。
4.2試驗(yàn)接線
低頻加熱電源從400V低壓配電室獲取電源點(diǎn)，單相輸出線連接到換流變壓器網(wǎng)側(cè)套管和中性點(diǎn)端子上，閥側(cè)兩套管短路線連接。連接圖如圖6所示。
4.3加熱結(jié)果
該換流變油重138t，為其加熱的兩臺(tái)濾油機(jī)加熱功率共為120kW×2=240kW。由于現(xiàn)場環(huán)境溫度較低，采用傳統(tǒng)工藝完全利用濾油機(jī)工作，濾油機(jī)出口油溫保持70℃情況下，經(jīng)過48h換流變下層油溫達(dá)到35℃后，隨后增長緩慢，安裝人員經(jīng)驗(yàn)時(shí)間為3～5d才能到達(dá)需要保持的油溫60℃。當(dāng)晚20：33至第二日凌晨6：30，采用湖北電科院設(shè)計(jì)的低頻加熱電源，結(jié)合濾油機(jī)，僅用了10h就將換流變下層提升了近50℃，之后利用濾油機(jī)使油溫達(dá)到安裝要求。
5、結(jié)論
低頻加熱電源技術(shù)可行，其工況與工頻負(fù)載工況相比，電流、電壓等參數(shù)均相對(duì)較低，有更高的安全性;低頻加熱電源的關(guān)鍵技術(shù)參量可測可控，具有較高的現(xiàn)場實(shí)用性;低頻加熱電源對(duì)電源側(cè)有一定影響，但是電壓畸變率可控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。
