特高壓換流變壓器閥側(cè)套管末屏鐵磁諧振過電壓分析

唐　明，丁理杰，湯　凡，陳　剛

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都　610072)

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特高壓換流變壓器閥側(cè)套管末屏鐵磁諧振過電壓分析

唐明，丁理杰，湯凡，陳剛

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都610072)

摘要：研究了特高壓換流站高端換流變壓器閥側(cè)套管末屏電壓由高端閥組充電轉(zhuǎn)連接過程所誘發(fā)的鐵磁諧振過電壓機(jī)理，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)采用PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件進(jìn)行了詳細(xì)分析。提出了依靠增大阻尼來抑制鐵磁諧振的方法，并分析了其對(duì)末屏電壓精度和相位的影響。

關(guān)鍵詞：特高壓；換流變壓器；鐵磁諧振

Abstract：Ferroresonance over-voltage mechanism of bushing end shield at valve side of ultra-high voltage (UHV) converter transformer caused by charging to connection is researched and analyzed in detail with PSCAD model based on the actual parameters of the site. A method of increasing the damping resistor is proposed to inhibit the ferroresonance, and its influences on the voltage accuracy of end shield and the phase are also analyzed.

Key words：ultra-high voltage;converter transformer；ferroresonance

0引言

隨著中國“西電東送”能源戰(zhàn)略逐步推進(jìn)和進(jìn)一步深化，特高壓換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行成為維持清潔能源持續(xù)外送的重要保障。

溪浙特高壓直流輸電工程，作為目前川內(nèi)輸送容量最大的特高壓線路，卻經(jīng)常受到各類線路故障、設(shè)備缺陷、通信阻塞等影響而不能滿功率運(yùn)行，其中換流變壓器閥側(cè)套管末屏處發(fā)生的鐵磁諧振過電壓故障在系統(tǒng)調(diào)試期間和投運(yùn)之后均有發(fā)生。因此，對(duì)其進(jìn)行機(jī)理研究和有效治理對(duì)特高壓換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

鐵磁諧振是一個(gè)長期困擾電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的復(fù)雜問題，多發(fā)生于非線性電感與電容串聯(lián)或并聯(lián)的電路中，其所引發(fā)的諧振過電壓、過電流可達(dá)額定電壓、電流的數(shù)倍。鐵磁諧振過電壓不僅會(huì)在操作或故障的過程中產(chǎn)生，而且可能在暫態(tài)過程結(jié)束后的較長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在，不但威脅著電氣設(shè)備的絕緣，還會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的過電流燒毀設(shè)備，造成絕緣閃絡(luò)、避雷器爆炸等嚴(yán)重的停電事故。

特高壓換流變壓器閥側(cè)套管末屏是閥側(cè)繞組電壓的重要監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，與其后的電壓采集器共同構(gòu)成了典型的電容式電壓互感器結(jié)構(gòu)。特高壓換流站在投入高端閥廳時(shí)進(jìn)行的充電轉(zhuǎn)連接操作將會(huì)通過與換流閥并聯(lián)的RC回路耦合至換流變壓器的閥側(cè)繞組產(chǎn)生暫態(tài)擾動(dòng)，使電壓采集器中的電感進(jìn)入飽和區(qū)，在換流變壓器閥側(cè)套管末屏和電壓采集器構(gòu)成的回路中形成穩(wěn)定的鐵磁諧振現(xiàn)象。

研究了特高壓換流站換流變壓器閥側(cè)套管末屏鐵磁諧振的機(jī)理，并基于PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)故障進(jìn)行了仿真，給出了多種抑制措施及其優(yōu)劣分析。

1套管末屏鐵磁諧振過電壓故障梳理

2015年7月，特高壓宜賓換流站極Ⅱ高端閥組由充電轉(zhuǎn)連接的過程中，閥組A、B、C 3套保護(hù)同時(shí)發(fā)出“YD換流變閥側(cè)電壓互感器A相故障”告警，如圖1所示。

故障前，極Ⅰ高端、極Ⅰ低端、極Ⅱ低端均為滿載運(yùn)行，直流側(cè)雙極功率6 000 MW。極Ⅱ高端6臺(tái)換流變壓器均已充電，但換流閥仍處于閉鎖狀態(tài)。此時(shí)宜賓換流站的極Ⅰ出線電壓為+800 kV，極Ⅱ出線電壓為-400 kV。在將極Ⅱ高端投入運(yùn)行的過程中，轉(zhuǎn)連接過程的操作示意圖如圖2所示(其中加粗部分為帶電線路)。

圖1　極Ⅱ高端各換流變壓器閥側(cè)套管末屏電壓錄波

圖2　極Ⅱ高端閥組充電轉(zhuǎn)連接示意圖

轉(zhuǎn)連接操作使極Ⅱ高端出線刀閘閉合與極Ⅱ低端-400 kV極線相連，此操作將導(dǎo)致極Ⅱ低端的-400 kV通過閥組間并聯(lián)的RC阻容回路耦合至換流變壓器的閥側(cè)套管，形成擾動(dòng)。圖2中加粗部分為-400 kV電壓對(duì)極Ⅱ高端YDA相換流變壓器閥側(cè)套管的傳導(dǎo)回路(其他換流變壓器及其傳導(dǎo)回路未畫出)。

由圖1所示的極Ⅱ高端各換流變壓器閥側(cè)電壓錄波可以看出，充電轉(zhuǎn)連接的操作給6臺(tái)換流變壓器均造成一定程度的負(fù)向電壓跌落，其余5臺(tái)換流變壓器的閥側(cè)繞組末屏電壓經(jīng)過短暫的過渡過程均能回到穩(wěn)態(tài)。只有YDA相換流變壓器的閥側(cè)套管末屏電壓產(chǎn)生了穩(wěn)定的諧振過電壓現(xiàn)象。對(duì)其電壓進(jìn)行傅里葉頻譜分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3　末屏諧振電壓的頻譜分析

由圖3可以看出，工頻分量的幅值約為82.3 V，1/3次諧波的分量幅值約為167.9 V，約為工頻分量的2倍左右。進(jìn)一步分析可知，1/3次諧波的相位約滯后工頻分量π/2。由上述數(shù)據(jù)分析可以初步認(rèn)定極Ⅱ高端YDA相換流變壓器閥側(cè)套管末屏發(fā)生了典型的1/3分頻鐵磁諧振現(xiàn)象。

換流變壓器閥側(cè)套管末屏分壓原理及其諧振回路如圖4所示。

圖4　套管末屏諧振回路

電壓采集器的核心元件為一臺(tái)含有鐵心的變壓器，如圖5所示。

該電壓采集器內(nèi)部由3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致的小TV組成，主要完成ABC三相電壓變換功能，變比為50∶1，其中A通道的具體電路如圖6所示，主要參數(shù)如表1所示。

需要特殊說明的是，特高壓換流站均采用3套保護(hù)，且“國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)重大反事故措施”規(guī)定3套保護(hù)必須經(jīng)由3個(gè)不同TV采集而得，禁止由同一端口引入。因此每臺(tái)換流變壓器的閥側(cè)套管末屏均與3套電壓采集器并聯(lián)，其等效阻抗將變?yōu)閱闻_(tái)阻抗的1/3。

圖5　電壓采集器實(shí)物圖

圖6　電壓采集器一路通道具體電路

參數(shù)數(shù)值R1/Ω1000一次側(cè)非飽和阻抗/kΩ333一次側(cè)漏抗/Ω175一次側(cè)直阻/kΩ1.42一次側(cè)額定電壓/V63.51一次側(cè)非飽和電感/H1061

該變壓器的勵(lì)磁特性曲線如圖7所示。

圖7　單臺(tái)電壓采集器的勵(lì)磁特性曲線

2鐵磁諧振的PSCAD仿真

圖8所示為鐵磁諧振的PSCAD模型主體部分，為充分模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，各元件參數(shù)均與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際保持一致。

圖8　換流變壓器閥側(cè)套管鐵磁諧振的PSCAD模型

采用斷路器加恒壓源的模式來模擬換流站極Ⅱ高端閥組充電轉(zhuǎn)連接的操作，電壓采集器的伏安特性曲線采用圖7中的測(cè)試結(jié)果，仿真結(jié)果及其與錄波圖的對(duì)比如圖9所示。

圖9　套管末屏電壓的PSCAD仿真結(jié)果及錄波圖

仿真結(jié)果表明，套管末屏兩端電壓，在充電轉(zhuǎn)連接的操作下，確實(shí)有可能進(jìn)入穩(wěn)定的分頻諧振狀態(tài)，在現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的條件下，仿真結(jié)果也是三分頻的幅值約為工頻分量幅值的兩倍。

3鐵磁諧振抑制措施及其優(yōu)劣分析

通常，工程界認(rèn)為鐵磁諧振現(xiàn)象的產(chǎn)生主要取決于回路的容抗和感抗的比值Xc/XL：

1)當(dāng)Xc/XL=0.01～0.07時(shí)，發(fā)生分頻諧振；

2)當(dāng)Xc/XL=0.07～0.55時(shí)，發(fā)生基頻諧振；

3)當(dāng)Xc/XL=0.55～2.8 時(shí)，發(fā)生高頻諧振；

4)當(dāng)Xc/XL<0.01或Xc/XL>2.8時(shí)，較難發(fā)生諧振。

因此，可以通過調(diào)整容抗和感抗的比值來降低鐵磁諧振發(fā)生的概率。

1)減小容抗及其優(yōu)劣

增大閥側(cè)套管的末屏電容或在末屏分壓器兩端并聯(lián)更多的電容可以達(dá)到減小容抗的目的。然而閥側(cè)套管的末屏電容很明顯無法改變，在其兩端并聯(lián)更多的電容雖然可以實(shí)現(xiàn)但將改變其分壓系數(shù)，二次屏柜的保護(hù)、測(cè)控等系統(tǒng)需要重新整定，且過低的電壓對(duì)其AD采樣精度也帶來更大的挑戰(zhàn)。

2)增大感抗及其優(yōu)劣

對(duì)電壓采集器的勵(lì)磁特性進(jìn)行重新設(shè)計(jì)可以增大其感抗，也可以通過串聯(lián)更多的電壓采集器來實(shí)現(xiàn)，但均會(huì)導(dǎo)致設(shè)備體積的增大。

增大電抗可以限制勵(lì)磁電流，等效于提高了鐵磁材料的飽和點(diǎn)，但這種方法受限于鐵磁材料的特性，不能無限提高其飽和點(diǎn)。而在閥組充電轉(zhuǎn)連接的操作過程中，-400 kV的電壓擾動(dòng)能量非常大，電壓采集器將無可避免地進(jìn)入飽和區(qū)。因此增大感抗的方法作用有限。

圖10　串入電阻對(duì)電壓采集器精度的影響

圖11　串入電阻對(duì)電壓采集器相位的影響

3)增大阻尼

既然-400 kV的擾動(dòng)無法避免，那么限制和盡快消耗飽和區(qū)儲(chǔ)存的多余能量才是防止其進(jìn)入穩(wěn)態(tài)諧振的有效方法。在現(xiàn)有的電壓采集器中，一次側(cè)串聯(lián)了1 kΩ的電阻，適當(dāng)增大該電阻的阻值是提高阻尼最簡單易行的辦法。PSCAD仿真結(jié)果表明，將電阻阻值提高至5 kΩ以上，將不會(huì)發(fā)生穩(wěn)定的諧振。阻值增加之后對(duì)電壓采集器精度和相位的影響如圖10和圖11所示。

由圖10、圖11可知串入電阻對(duì)電壓采集器的精度和相位的影響非常有限。在串入電阻為10 kΩ時(shí)對(duì)精度的影響在萬分之一以內(nèi)，相位誤差在0.1°以內(nèi)。在有效抑制鐵磁諧振的同時(shí)對(duì)二次側(cè)保護(hù)和測(cè)控的影響非常小。

4結(jié)論

特高壓換流站高端閥組在充電轉(zhuǎn)連接的操作時(shí)所產(chǎn)生的激勵(lì)電壓會(huì)對(duì)高端閥廳中的6臺(tái)換流變壓器閥側(cè)繞組造成很大擾動(dòng)，容易造成換流變壓器閥側(cè)套管末屏電壓進(jìn)入穩(wěn)定的鐵磁諧振狀態(tài)。前面分析了該類故障的誘因及其形成機(jī)理，并通過PSCAD電磁暫態(tài)軟件結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明在一定的參數(shù)配合下，閥側(cè)套管末屏電壓確有進(jìn)入穩(wěn)態(tài)諧振的風(fēng)險(xiǎn)。提出了增大電壓采集器內(nèi)部電阻來抑制諧振的方法，分析了其對(duì)電壓采集精度和相位的影響，為特高壓換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的理論支撐。

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中圖分類號(hào)：TM713

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-6954(2016)02-0020-04

作者簡介：

唐明(1986)，博士、工程師，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制的研究。

(收稿日期：2015-11-13)