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​换流变压器励磁涌流的特殊性分析

2017-11-27 15:13:42
作者: 李晓华 张冬怡等
来源: 万选通资讯
分类: 技术应用
导读

近几年换流变空载合闸产生的励磁涌流影响了直流输电系统的安全稳定性。换流变压器由于漏抗高且运行方式特殊,其励磁涌流较特殊。为分析换流变空充产生的励磁涌流与普通电力变压器产生的励磁涌流的不同,从换流变的基本特性、励磁曲线、绕组结构、运行方式以及有载调压等角度分析了换流变励磁涌流的特殊性,并提出了相应的运行建议。分析表明,相较于普通电力变压器的励磁涌流,换流变励磁涌流的幅值更高,衰减更慢,二次谐波幅值高占比小,且受分接头档位的影响。同时,还分析了特高压直流输电工程换流变投切顺序对励磁涌流的影响,并提出运行建议。

华南理工大学电力学院 李晓华 张冬怡 吴立珠 吴嘉琪 蔡泽祥

中国南方电网有限责任公司电力调度控制中心 丁晓兵 田庆

1 引言

近几年来,南方电网出现了多起因换流变空载合闸而导致的直流保护误动事件,如某直流输电工程自投运来发生了多起整流侧换流变充电导致两侧直流50Hz谐波保护动作的事件,严重影响了直流输电系统的安全稳定性[1]。

不同于普通电力变压器,换流变压器在短路电抗、励磁支路以及运行方式等方面上存在差异,换流变空充产生的励磁涌流特性及其特殊性亟需被分析研究。纵观当前研究励磁涌流的文献可发现,对励磁涌流特性的研究主要集中于普通电力变压器空载合闸励磁涌流的仿真分析、特性研究以及抑制措施[2-8],缺乏对换流变压器空载充电产生励磁涌流的特性分析;对换流变的励磁涌流研究则为运行事故的反措研究[9-13],没有详细分析换流变压器励磁涌流的特殊性。

对此,文章首先分析了换流变自身固有特性参数:空心电抗、励磁曲线等对励磁涌流的影响;在此基础上分析了换流变空投运行条件:Y/Y和Y/D成组投入、档位有载调压的方式对励磁涌流的影响;最后分析了特高压直流输电工程换流变结构的特殊性及其运行方式对励磁涌流的影响。

2 换流变电气参数对励磁涌流特性影响分析

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从表中数据可知,由于换流变压器的工作条件比较恶劣,需要有足够大的漏抗来限制短路电流[15],因此换流变的正序漏抗比普通电力变压器的正序漏抗大。而且,换流变的空载损耗和铜耗忽略不算,将这些参数代入公式(1)可算得,换流变压器的励磁涌流幅值较高、衰减较慢。由于在基础参数和饱和参数中,对励磁涌流幅值影响较大的是变压器的基本参数,因此换流变压器尽管具有略高的空心电抗和略小的励磁电流,还产生较高的励磁涌流。

为验证和比对换流变和普通交流变压器的励磁涌流情况,在PSCAD/EMTDC上分别测算换流变和普通电力变压器空载合闸涌流。换流变和普通电力变压器的参数按表1数据设置,两者均在A相电压相角为0°时三相同时空载合闸。此时该相的励磁涌流最大,对应换流变和普通电力变压器产生的励磁涌流如图3所示。换流变产生的励磁涌流幅值较高,衰减较慢,与上述分析结果相符。

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对于直流系统的逆变侧而言,南网在运某直流工程的逆变侧的短路容量为3.0×10-4MVA~5.0×10-4MVA,可算得其SCR为9.375~15.625,交流系统的阻抗值为10.3Ω~5.5Ω。由此,在该直流工程PSCAD平台中测算换流变励磁涌流最大值随交流系统阻抗的变化,如图4所示。由图可看出,换流变空载合闸产生的励磁涌流最大可高达13p.u.,超出了常规“励磁涌流最大约为变压器额定电流的6~8倍”的水平。此外考虑到换流变的容量可高达952.8MVA,额定电流为1.0478kA。这意味着,当换流变空投时,流入交流系统的励磁涌流可高达13kA。

3 换流变运行条件对励磁涌流特性影响分析

3.1换流变结构以及运行方式对励磁涌流的影响

当前直流工程的换流变主要采用2组阀侧绕组为12脉换流桥提供换相电压,其中一组为YN/Y连接,一组为YN/D连接。由于高压直流输电输送功率较大,多采用单相双绕组换流变压器,其电气连接如图5所示。

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在YN/Y绕组与YN/D绕组的相互作用下,换流变产生的励磁涌流的各次谐波会削弱或增强。为分析换流变空充励磁涌流各次谐波的谐波含量的特殊性,在PSCAD中按上文的模型进行仿真计算。各次谐波幅值以及谐波含有率,如表2所示。从表2的数据可看出,Y/Y绕组的各次谐波略高于Y/D绕组的,综合而言换流变的各次谐波幅值和含有率均位于两组绕组之间。与普通电力变压器相比,换流变的各相谐波幅值较高,谐波含有率较低。

特别注意到,换流变产生的励磁涌流二次谐波幅值很大,这正是现场直流50Hz保护的误动作的本质。

3.2换流变的有载调压对励磁涌流的影响

普通电力变压器的分接头调节主要用于电压调整,调节范围为±5%。在交流系统中,普通变压器分接头档位主要在系统的无功功率供应比较充裕且电压变化幅度小又不需要逆调压的条件下动作,因此普通电力变压器空投时,不需要考虑分接头档位对励磁涌流的影响。

换流变压器的有载分接开关调节范围一般是±(15%~20%),每档档距通常在1%~2%之间[15]。换流变分接头的调节属极控制层次,用于自动调整换流变压器有载调压分接头位置。分接头的控制策略需要与换流器控制方式相配合,通常分为角度控制和电压控制两大类。这意味着,换流变的分接头在直流系统运行过程中动作较频繁。换流变分接头位于高压侧,即交流侧。因此,当分接头档位发生改变,换流变空投接入电路中的Zm发生变化,进而影响换流变励磁涌流的大小。

为研究换流变分接头的档位对换流变励磁涌流的影响,在某在运直流工程PSCAD仿真平台进行测算。该直流换流变的分接头处于网侧,调节范围为-6档~ 18档,每档档距为1.25%,因此电压的调节范围为-7.5%~ 22.5%。换流变断路器合闸时刻为A相电压相位为0°处,换流变分接头档位分别为N档, 7档( 8.75%)以及 18档( 22.5%),换流变空载充电A相励磁涌流波形PSCAD仿真结果如图6所示。可清晰地看到:分接头档位越高,换流变产生的励磁涌流幅值越小。

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在直流系统运行中,换流变分接头初始位置因不同直流而异。待发出解锁命令后,控制系统首先调整换流变档位至该工程解锁要求的分接头档位,随后整流侧换流变的分接头档位则会随着触发角的减小而下调。因此,当换流变空载充电时,分接头的位置因不同的解锁策略而不同。从抑制换流变空充产生的励磁涌流角度,建议换流变空充时分接头调整到变比最大值处。

4 特高压直流输电的特殊性

特高压(±800kV)直流输电工程,每极采用两个12脉动换流桥串联接线[16],如图7所示。串联电压组合为±(400 400)kV,换流变采用单相双绕组型式的方案。每极均由两组换流变压器串联而成。因此,特高压直流输电工程的换流变压器可分为高端换流变压器以及低端换流变压器,两者励磁参数如表3所示。

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从表3可看出,低端换流变压器的空心电抗系数比高端换流变压器高,而低端换流变压器的拐点电压略小于高端换流变压器的拐点电压。根据1,两者的励磁曲线不同,导致这两种换流变压器在同2李晓华等:换流变压器励磁涌流的特殊性分析等条件下产生的励磁涌流的幅值产生差异。总体而言,在相同工况下,低端换流变产生的励磁涌流幅值较低。

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当特高压直流工程解锁时,高端换流变和低端换流变的充电顺序是任意的。因此,当一极解锁时,换流变空载充电可能出现两种工况。假设空投顺序为先投高端换流变后投低端换流变。那么,对于即将空载充电的低端换流变而言,可将已空投的高端换流变与系统支路进行戴维南等效,所以此时的Rs 、Ls值与先空投低端换流变的Rs 、Ls 值发生变化,进而导致这两种工况下,换流变空载充电产生的励磁涌流幅值有不同。而当低端换流变空投时,较高幅值的励磁涌流会在已空投的高端换流变内产生偏磁,导致高端换流变产生和应涌流。反之亦然。由文献[17-20]可知,空载换流变的和应涌流幅值与励磁涌流的幅值呈正相关。因此,不同的空投顺序会产生幅值不同的励磁涌流以及和应涌流。

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为确定在不同工况下空投换流变的励磁涌流的幅值以及已空投换流变的和应涌流的幅值,在相同的系统阻抗,极1单极大地的运行方式下分别在两种空投方式下投入极2换流变,空投时刻均为3.5s(A相电压相角为0°),两种空投方式分别是①先空投低端换流变,再投入高端换流变,②先空投高端换流变,再投入低端换流变(下面以序号表示工况),每种空投方式下,各换流变产生的励磁涌流如表4所示,波形如图8和图9所示。

结合图8-9和表4可看出,由于交流系统阻抗较小,一端换流变的空投与否对交流系统的等值参数影响不大,高端换流变和低端换流变各自产生的励磁涌流幅值在不同工况下幅值相当。但由于低端换流变产生的励磁涌流幅值较小,导致已空投的高端换流变产生的和应涌流幅值较小。而和应涌流和励磁涌流均含有大量非周期分量,因此,高幅值的励磁涌流以及和应涌流会给交流系统带来幅值较高衰减较慢的非周期分量。结合表3的参数以及第1节的分析可知,空投方式②产生的涌流幅值比空投方式①产生的涌流幅值小。因此,从降低对系统的冲击的角度,提出一条运行建议:当特高压直流输电工程换流变投运时,应先空投高端换流变再空投低端换流变以抑制第二次空投换流变产生的励磁涌流以及和应涌流。

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5 结论

本文分析了换流变和普通电力变压器的参数、结构、运行方式以及分接头档位对励磁涌流的影响和特高压直流输电换流变空投的运行方式,得出以下结论:

(1)换流变空投产生的励磁涌流幅值可高达13p.u.,远高于普通电力变压器的6~8p.u.,而且换流变的漏抗较高导致励磁涌流衰减较慢。

(2)虽然变压器二次侧D接线对励磁涌流二次谐波略有削弱,但一组换流变同时空投YN/Y和YN/D励磁涌流存在矢量加和,涌流二次谐波总含量仍然很高。

(3)换流变分接头的档位调节范围大,其位置影响励磁涌流的幅值以及衰减时间。从励磁涌流抑制的角度,建议换流变空投时其分接头档位位于变比最大值处。

(4)在特高压直流输电中,当运行情况相同的条件下,不同的换流变空投顺序产生的涌流幅值不同。从减小对系统的冲击的角度,建议先空投高端换流变再空投低端换流变。

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作者简介

李晓华(1975),女,教授,博士生导师,研究方向为电力系统故障分析与继电保护、高压直流输电运行等。张冬怡(1992),女,通讯作者,硕士研究生,研究方向为高压直流输电控制与保护。


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