直流輸電中換流變壓器運(yùn)行特性解析

李文+金磊

摘 要：對(duì)于高壓直流輸電系統(tǒng)，換流變壓器的作用是連接交、直流側(cè)電網(wǎng)，但其卻常因運(yùn)行環(huán)境惡劣而頻發(fā)故障。其中，換流變壓器故障是指繼電保護(hù)裝置常由變壓器主絕緣缺陷引起的勵(lì)磁電流畸變、局部放電所致，其在任一情況下都會(huì)危及直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。據(jù)此，文章作者主要探究直流輸電中換流變壓器的運(yùn)行特性。

關(guān)鍵詞：直流輸電系統(tǒng)；換流變壓器；運(yùn)行特性

中圖分類號(hào)：TM406 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）21-0039-02

引言

換流變壓器作為高壓直流輸電系統(tǒng)最為關(guān)鍵的設(shè)備，其運(yùn)行環(huán)境非常惡劣，從而嚴(yán)重制約了我國電網(wǎng)建設(shè)質(zhì)量的提高。為了深入探究直流輸電中換流變壓器的運(yùn)行特性，作者以XX市直流輸電系統(tǒng)為例展開討論。自初次投入運(yùn)行至今，該直流輸電系統(tǒng)中的換流變壓器頻發(fā)運(yùn)行故障，究其原因包括：一是換流變壓器的主絕緣在結(jié)構(gòu)上存在設(shè)計(jì)缺陷；二是直流偏、勵(lì)磁涌流干擾引起磁電流畸變，繼而使繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)。據(jù)此，作者通過分析換流變壓器運(yùn)行特性，可確定變壓器的薄弱點(diǎn)，并制定出科學(xué)的改進(jìn)方案，從而保障了直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 換流變壓器繞組端的電場(chǎng)分析

在本章節(jié)，作者選用ELECTNET有限元仿真軟件，對(duì)換流變壓器繞組端的線性、非線性電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，即：

1.1 線性電場(chǎng)分析

以一臺(tái)±400kV換流變壓器為例，并在不考慮端部出出線影響的情況下，建立圖1所示的換流變壓器端部絕緣模型。

備注：ab-上鐵軛邊界；ad-鐵心柱邊界；bc-旁軛邊界；T、N、V-雙調(diào)壓、網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)繞組與其靜電環(huán)

圖1 換流變壓器端部絕緣模型

依據(jù)實(shí)測(cè)值，通過實(shí)體正圓弧拉伸模型來添加曲率半徑，同時(shí)鑒于換流變壓器采用的是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，則二維電場(chǎng)仿真結(jié)果與實(shí)際基本相符。按材料邊沿增密25%、曲線最大剖分角10°及最大尺寸2mm的標(biāo)準(zhǔn)有限元剖分得到52.5531萬個(gè)三角形單元，并在其內(nèi)線性插值。換流變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度常表征為絕緣裕度，即其為許用場(chǎng)強(qiáng)與最大場(chǎng)強(qiáng)的比值。根據(jù)換流變壓器端部絕緣模型，分別在N、V處施加電壓。

針對(duì)場(chǎng)強(qiáng)集中在角環(huán)楔形結(jié)構(gòu)內(nèi)凹尖端的現(xiàn)象，建模分析得知，改進(jìn)直角楔形的結(jié)構(gòu)，并及時(shí)察覺絕緣紙板的缺陷，便可加以避免。

1.2 非線性極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)分析

作者重點(diǎn)研究油紙絕緣電導(dǎo)率的非線性與換流變壓器端極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)分布的關(guān)系，即：首先，按材料邊沿增密25%、曲線最大剖分角10°及最大尺寸2mm的標(biāo)準(zhǔn)有限元剖分，并在三角形中線性插值，然后用二階Newton-Raphson非線性求解器計(jì)算極性反轉(zhuǎn)電壓，注意每算一步迭代20次及其許用公差取0.1%。倘若使用圖1所示模型計(jì)算，耗時(shí)37h，且精度低及仿真運(yùn)算難收斂。為此，在綜合考慮的基礎(chǔ)上建立換流變壓器網(wǎng)側(cè)對(duì)閥側(cè)端模型。有限元剖分得到10.5337萬個(gè)三角形單元，其計(jì)算耗時(shí)8h，且收斂速度明顯加快。為了探明油紙絕緣電導(dǎo)率與電場(chǎng)分布的關(guān)系，仿真采取油道分段加溫法，并分別在網(wǎng)、閥側(cè)設(shè)5個(gè)油道，仿真編號(hào)為1-10。根據(jù)電力線的分布來看，在1-6號(hào)仿真壓板上，電力線出現(xiàn)回環(huán)、扭曲現(xiàn)象，表明大量電荷積聚于此；在7-10號(hào)壓板上，未出現(xiàn)電荷積聚現(xiàn)象，表明壓板上的電荷因場(chǎng)強(qiáng)或低溫非線性的影響而出現(xiàn)積聚速度驟降或消散速度激增的現(xiàn)象。絕緣紙板、長時(shí)直流電壓下及極性反轉(zhuǎn)電壓下的變壓器油許用場(chǎng)強(qiáng)分別是40、10和12kV/mm。仿真結(jié)果顯示，在任一情況下，絕緣紙板的絕緣裕度都非常大。

2 直流偏磁與勵(lì)磁涌流仿真分析

以一臺(tái)405.2MVA/530kV單相雙繞組換流變壓器為例，其采用了無勵(lì)磁調(diào)壓、OFAF強(qiáng)油風(fēng)冷冷卻裝置、Iio聯(lián)結(jié)及繞組端進(jìn)線。下面，作者運(yùn)用PSCAD/EMTDC提供的UMEC模塊建立仿真模型，用以研究換流變壓器的勵(lì)磁電流特性，即：

2.1 直流偏磁時(shí)空載勵(lì)磁電流仿真

在換流變壓器仿真模型中，開關(guān)始終閉合，便可消除勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在直流偏磁的影響下，換流變壓器的勵(lì)磁電流會(huì)發(fā)生改變，究其原因是勵(lì)磁電流諧波含量變化的影響。根據(jù)數(shù)學(xué)函數(shù)推導(dǎo)結(jié)果，這一勵(lì)磁電流的周期函數(shù)與狄里赫利條件相符，即可展開得到系列諧波總和的收斂傅里葉級(jí)數(shù)：

據(jù)此公式，運(yùn)用MATLAB軟件變換勵(lì)磁電流，便可獲得勵(lì)磁電流在穩(wěn)定時(shí)的諧波含量，即其具有下列特征：一是倘若沒有直流電流分量，則勵(lì)磁電流沒有偶次諧波；二是在直流電流分量的遞增中，勵(lì)磁電流含有偶次諧波、七次諧波及其諧波含量同步增加；三是直流分量升至1.2%額定電流前，僅偶次諧波的含量出現(xiàn)劇增走勢(shì)；四是直流電流分量升至規(guī)定值后，僅1-3次諧波呈持續(xù)增長走勢(shì)。另據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，倘若換流變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，電能質(zhì)量則會(huì)受到諧波電流的污染，同時(shí)當(dāng)諧波過大時(shí)，會(huì)降低電力系統(tǒng)的電壓及引起繼電保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作等，從而嚴(yán)重危及電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2 勵(lì)磁涌流時(shí)空載勵(lì)磁電流仿真

在模擬勵(lì)磁涌流時(shí)，直流電流歸零，并在模型中的開關(guān)上增設(shè)合閘觸發(fā)角？琢，同時(shí)在0-2？仔區(qū)間每？仔/36開展一次仿真。仿真結(jié)果顯示，若？琢=0或？仔，勵(lì)磁電流出現(xiàn)最大幅值；若0<？琢<？仔，勵(lì)磁電流的幅值呈遞減走勢(shì)；若？琢=？仔，電力系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；若<？琢<？仔，勵(lì)磁電流的峰值呈遞增走勢(shì)；若？仔<？琢<2？仔，其仿真結(jié)果與0<？琢<？仔的波形一致，僅存在正負(fù)性差異。

2.3 直流偏磁與勵(lì)磁涌流的疊加作用

在模擬直流偏磁與勵(lì)磁涌流疊加時(shí)的勵(lì)磁電流時(shí)，合閘觸發(fā)角？琢設(shè)為0，而直流電流取±10.2%額定電流。模擬結(jié)果顯示，勵(lì)磁電流在同向疊加時(shí)的峰值增大，而在反向疊加時(shí)減小及其衰減速率非?？?。據(jù)此說明，若衰減時(shí)間過短，更易引起換流變壓器發(fā)生保護(hù)裝置誤動(dòng)作。

3 結(jié)束語

在本文，作者舉例研究了直流輸電中換流變壓器的運(yùn)行特性。首先，運(yùn)用ELECNET有限元仿真軟件，仿真分析了換流變壓器端的電場(chǎng)，結(jié)果顯示通過改進(jìn)直角楔形的結(jié)果，可使其場(chǎng)強(qiáng)值下降；對(duì)于非線性主絕緣，油道溫度梯度可使主絕緣電場(chǎng)的分布得以改善；限制非線性變換對(duì)材料或溫度電導(dǎo)率的影響，可使壓板上電荷的積聚得以改善。其次，運(yùn)用PSCAD軟件，仿真分析了換流變壓器的直流偏磁、勵(lì)磁涌流。總之，換流變壓器的運(yùn)行狀態(tài)與高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)，因此深入研究換流變壓器的運(yùn)行特性具有現(xiàn)實(shí)意義。

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