1、熱油循環的原理

     熱油循環時油箱上部的氣體與油之間的水蒸氣也存在類似的擴散平衡，通過提高真空度降低空氣中的水蒸氣分壓，可以進一步加快水分的析出。這就是熱油循環加真空循環加快干燥的原理。熱油循環只是對油進行了加熱，變壓器絕緣紙板本身的溫度是通過熱油傳遞的，對于特高壓變壓器來說，有大量較厚的絕緣紙板，熱油循環很難快速提升紙板本身的溫度，而由外向內傳熱的方式使絕緣紙板的溫度梯度由外向內溫度逐漸降低，致使絕緣紙板內部水分有向內部擴散的趨勢，這種情況不利于絕緣的干燥。因此通過繞組的發熱使紙板的溫度梯度轉向，使絕緣紙板內部水分具有向外擴散的趨勢，可以有助于紙板內水分的析出。這就是熱油循環中繞組輔助加熱干燥的原理。

2、短路法和低頻加熱技術

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繞組(通常為閥側繞組)短路，從另一側繞組(通常為網側繞組)施加交流電壓，使繞組內部流過電流(應控制不超過其額定電流)，使繞組內部發熱，從內部將變壓器器身絕緣均勻加熱到指定溫度，再經過抽真空和熱油循環處理，帶出絕緣內的潮氣，從而達到干燥的效果。短路法是繞組從器身內部加熱，能大大提高效率，縮短加熱時間，器身的干燥效果優于普通的熱油循環效果。

     其使用的設備及接線完全與變壓器負載試驗相同。但是工頻短路法有諸多缺點難以在現場實施。工頻短路法需要用到調壓器、升壓變、補償裝置等大型設備，設備布置和接線工作量大;試驗電壓為變壓器阻抗電壓，高達幾十kV，且試驗占地面積大，進行短路法加熱干燥時需要大量的人員長時間值班看守，現場安全難以把控。因此，工頻短路現場加熱干燥方法補償電容器組容量大，使用的調壓器、中間變壓器均為體積大、重量重的大型設備，不便現場應用。實現整體加熱裝置的小型化，在保證加熱能力的同時滿足移動方便的要求，是研制現場短路法加熱裝置的難點。當換流變壓器電壓等級升高、容量增大時，利用這種基于調壓器的短路法進行變壓器現場加熱更為困難。

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行克服，也即低頻加熱技術。變壓器的短路狀態下的等效電路如圖1所示，其阻抗為Z=R+jωL。在工頻狀態下，jωLR，因此減小頻率ω可以顯著減小阻抗電壓。當然在頻率減小到一定程度后，R的大小不再可以忽略不計，進一步減小ω不會引起阻抗電壓的降低。當頻率足夠低時，jωLR，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系。

     阻抗電壓總體上與頻率成正比，當頻率接近零時，阻抗電壓趨近于常數，該常數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，避免了用大容量的補償裝置。相比于工頻短路加熱，低頻加熱技術明顯地能夠克服其局限性。對于特高壓換流變壓器，頻率低至1Hz以下時，其阻抗電壓低于1kV，通過簡單的絕緣措施就可以保證安全，避免大量的安全監護人員長時間值守。同時升壓裝置和補償裝置都可以省略，大大減少了設備占地面積，減少了現場工作量，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擴散模型，建立有限元模型進行模擬對比低頻加熱和傳統的熱油循環干燥處理效果。低頻加熱和熱油循環組合使用時會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%。模擬干燥時間為7天。干燥方式分為油循環干燥方式及加低頻加熱，熱油循環溫度為60℃和80℃兩種油溫條件，有低頻加熱時將油溫度分別加熱到80℃，95℃和110℃等三種情況。

     熱油循環在60℃時(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。當熱油加熱沒有低頻加熱時，曲線的坡度是平的，因此干燥過程非常慢。這是因為在60℃時，絕緣材料的水分擴散系數很低，絕緣紙中的水分遷移速度很慢。根據模擬，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的規定)需要的處理時間則長達255h。如果采用低頻加熱的方式，完成干燥處理會更快。使含水量降低到2%所需要的干燥時間會隨著絕緣材料溫度的增加而減少，低頻加熱80℃所需時間為64.5h，95℃為25.5h，110℃為10.7h。低頻加熱7天，三個加熱溫度下最終的紙板含水量將分別達到1.4%，1.3%和1.2%.當在熱油循環80℃的油溫下采用低頻加熱，獲得的模擬結果。在這種情況下，不同溫度的最終含水量彼此很接近。

     然而當采用低頻加熱時，在開始處理的幾個小時之內就可以達到最終含水量。這種方式的干燥處理節約大量的處理時間和電力，是非常經濟的。然而以上模擬結果以及討論均是基于模型的Foss擴散系數進行推論的，然而實際的試驗數據則顯示該模型的擴散系數太過樂觀了，實際的干燥時間會比這個模型估計的干燥時間要長。即使如此，以上的討論和研究也是很有價值的，例如通過模擬推論的結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

    按照現場應用經驗，發熱電源的發熱功率(有功)達到換流變負載損耗的60%左右即可滿足現場加熱的需要。(6)式中：cosφ是功率因數，采用基于方波調制的交交變頻技術方案功率因數接近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，因此根據上式加熱電源功率應為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，對于部分變壓器該電壓即使在直流情況下也無法達到額定電流相當的加熱電流，因此需要配備升壓變壓器提高整流橋電壓。設升壓后線電壓為U，則直流電壓近似為槡2U。

3.3整流橋與驅動電路

3.3.1晶閘管的選型變頻技術電源工作電壓為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。為了整個系統的安全可靠，根據晶閘管選用慣例，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。為了較好地調節低頻加熱電源的工作電壓，交-交變頻技術法的低頻加熱電源應采用可控整流的方式，通過控制導通角來調節電壓。同時，為避免兩個反向整流橋同時導通造成電源的短路，應首先將前一個工作整流橋關閉觸發脈沖，等全部整流橋中的晶閘管自然關斷后再啟動另一個整流橋，實現電流的極性發轉。

3.4測量和控制系統

整流橋工作在全波整流工作狀態，可以用電平觸發的方式進行控制，為了避免兩個反向的整流橋同時導通導致電源短路，開通一整流橋之前必須確認對側整流橋已經全部關斷。檢測方法是通過檢測負載電流過零比較結果與方波輸出相。若需要調節導通角α，則不能采用電平觸發，而用脈沖觸發。以AC相線電壓為參考電壓，當線電壓正向過零時延時180°-α角度后給晶閘管1發出觸發脈沖，其余各晶閘管的觸發脈沖依次再延遲60°角觸發。

但是觸發脈沖的可靠性不好，因此不建議調節導通角，本方案仍采用電平觸發的方式。作為加熱電源，需要有調節輸出電流的機制。根據式(13)，輸出電流與頻率有關，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算公式，當頻率較高時，電感未充電完成即撤去整流橋觸發電平，負載電流就會進一步減小，電流波形如圖5虛線所示。可見進一步提高調制頻率，可以繼續減小負載電流，直至減小到接近于零。所以通過控制調制頻率完全能夠實現加熱電流的零起上升。

4、低頻加熱電源的現場應用

4.1加熱對象

     加熱對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℃)網側0.16131Ω，閥側0.05492Ω;生產廠家為特變電工沈陽變壓器集團有限公司。

4.2試驗接線

低頻加熱電源從400V低壓配電室獲取電源點，單相輸出線連接到換流變壓器網側套管和中性點端子上，閥側兩套管短路線連接。連接圖如圖6所示。

4.3加熱結果

     該換流變油重138t，為其加熱的兩臺濾油機加熱功率共為120kW×2=240kW。由于現場環境溫度較低，采用傳統工藝完全利用濾油機工作，濾油機出口油溫保持70℃情況下，經過48h換流變下層油溫達到35℃后，隨后增長緩慢，安裝人員經驗時間為3～5d才能到達需要保持的油溫60℃。當晚20：33至第二日凌晨6：30，采用湖北電科院設計的低頻加熱電源，結合濾油機，僅用了10h就將換流變下層提升了近50℃，之后利用濾油機使油溫達到安裝要求。

5、結論

     低頻加熱電源技術可行，其工況與工頻負載工況相比，電流、電壓等參數均相對較低，有更高的安全性;低頻加熱電源的關鍵技術參量可測可控，具有較高的現場實用性;低頻加熱電源對電源側有一定影響，但是電壓畸變率可控制在標準范圍內。