換流變套管末屏電壓采集器鐵磁諧振機(jī)理分析及抑制

常 勇， 沈志剛， 張 鵬

(1. 中國電力技術(shù)裝備有限公司，北京 100052；2. 國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司，北京 100052)

0 引言

特高壓直流輸電系統(tǒng)是特高壓電網(wǎng)的重要組成部分，可以高效、廣域、低損耗地傳輸清潔能源，是遠(yuǎn)距離大容量輸送電力的重要技術(shù)形式。隨著國家電網(wǎng)公司堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，目前已有7回特高壓直流輸電系統(tǒng)投入運(yùn)營，輸送容量在6400～8000 MW之間，聯(lián)系了我國的能源基地與負(fù)荷中心，發(fā)揮著巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。未來規(guī)劃建設(shè)的跨國、跨區(qū)、跨省直流工程超過30個(gè)，輸電總?cè)萘砍^200 GW[1-6]。

電力系統(tǒng)鐵磁諧振是系統(tǒng)中較常出現(xiàn)的非正常工作狀態(tài)，由于直流輸電設(shè)備可以簡化為電感、電容和電阻的組合，某些非正常工況下容易出現(xiàn)諧振回路，鐵磁諧振在直流換流站中尤其突出(大量的電容和電感類原件)。通常直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)考核計(jì)算諧振發(fā)生的可能性，當(dāng)直流系統(tǒng)進(jìn)行倒閘操作或發(fā)生故障時(shí)，由于電氣設(shè)備鐵心飽和，系統(tǒng)元件參數(shù)發(fā)生改變，這些電感和電容元件組成的回路就可能形成諧振，引起諧振過電壓。諧振過電壓持續(xù)時(shí)間長，往往造成電氣設(shè)備損壞和大面積停電事故，嚴(yán)重危及電網(wǎng)安全。

換流站一次回路的諧振問題通常通過加裝主回路阻波器可以有效遏制，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中站用電及其并聯(lián)電容式電壓互感器(CVT)在站用變空載充電等工況下有可能發(fā)生諧振，氣體絕緣組合電器(GIS)中電磁式電壓互感器鐵磁諧振的情況也有報(bào)導(dǎo)[7-10]。相應(yīng)的諧振機(jī)理和抑制措施已經(jīng)有了較深入的分析。

特高壓換流變壓器的閥側(cè)套管安裝有電容型末屏分壓裝置，用于傳變閥側(cè)交流電壓。早期此類分壓器都是有源分壓器，由于實(shí)際運(yùn)行中分壓器曾多次燒毀，導(dǎo)致?lián)Q流閥閉鎖時(shí)，換流變閥側(cè)單相電壓信號消失引起換流變跳保護(hù)，后續(xù)已改造為無源分壓器。在實(shí)際換流站運(yùn)行中，換流變壓器閥側(cè)套管末屏電容式分壓器與其后的電壓采集變送器之間在激勵(lì)下也發(fā)生了持續(xù)諧振，可能導(dǎo)致空充后的換流變壓器不平衡保護(hù)動(dòng)作，或者燒毀末屏分壓器或電壓變送器或二次控制保護(hù)板卡，給特高壓直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大威脅[11-13]。文中對一次實(shí)際電網(wǎng)故障錄波進(jìn)行了諧波分析，得出諧振發(fā)生的特征頻率；利用PSCAD/EMTDC通搭建了末屏分壓器及電壓變送器的暫態(tài)仿真模型，仿真重現(xiàn)了鐵磁諧振發(fā)生的工況；在理論分析的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)分壓器避免諧振發(fā)生的具體措施。

1 某換流站鐵磁諧振故障分析

特高壓直流輸電系統(tǒng)多采用單極雙12脈動(dòng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，高低壓閥組可以靈活的投入或退出運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)全壓或1/2電壓運(yùn)行。文中套管分壓器鐵磁諧振發(fā)生前某站雙極直流系統(tǒng)6000 MW運(yùn)行；500 kV1M、2M母線運(yùn)行；交流濾波器場61M、62M、 63M、64M母線運(yùn)行。故障發(fā)生前，極2高端6臺換流變均已充電，但換流閥仍處于閉鎖狀態(tài)。此時(shí)換流站的極1出線電壓 +800 kV，極2出線電壓-400 kV。將極2高端投入運(yùn)行的過程中，轉(zhuǎn)連接過程的操作如圖1所示。

圖1 極2高端閥組由充電轉(zhuǎn)連接過程示意Fig.1 Pole 2 high voltage valve group from charging to connection

轉(zhuǎn)連接操作即將極2高端出線刀閘閉合使其與極2低端-400 kV極線相連，此操作將導(dǎo)致極2低端的-400 kV將通過閥組間并聯(lián)的RC阻容回路耦合至換流變的閥側(cè)套管，形成擾動(dòng)發(fā)生鐵磁諧振。閥組A、B、C 3套保護(hù)同時(shí)發(fā)“YD換流變閥側(cè)電壓互感器A相故障”告警，異常發(fā)生后的各臺換流變壓器閥側(cè)套管分壓器電壓如圖2所示。從圖中可見此時(shí)A相電壓幅值發(fā)生放大，約為正常交流電壓的2倍標(biāo)么值，時(shí)間由轉(zhuǎn)極連接過度過程后開始，且一直持續(xù)。

圖2 換流站套管末屏電壓畸變波形Fig.2 Bushing tap voltage of the high voltage converter group

圖2所示錄波圖表明極2高6臺換流變同時(shí)受到的電壓擾動(dòng)(圖示為Y/D繞組對應(yīng)的A、B、C 3臺單相雙繞組變壓器錄波圖，Y/Y繞組類似)。圖1中紅色部分為-400 kV電壓對極2高Y/D-A相換流變閥側(cè)套管的傳導(dǎo)回路(其他換流變及其傳導(dǎo)回路未顯示出)。從圖2可以看出，極2高端的6臺換流變閥側(cè)電壓在閥組轉(zhuǎn)連接時(shí)均經(jīng)歷了一定程度的負(fù)向電壓跌落，其中5臺經(jīng)短暫調(diào)整后均能維持穩(wěn)定。只有Y/D-A相換流變閥側(cè)套管末屏電壓產(chǎn)生了穩(wěn)定的諧振電壓。將發(fā)生穩(wěn)定諧振的Y/D-A相電壓數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行頻譜分析。

圖3為對Y/D-A相電壓進(jìn)行傅里葉分析的結(jié)果：其中工頻分量的幅值為82.3 V，1/3次諧波的幅值為167.9 V，其幅值約為工頻分量的2倍，相位滯后工頻分量約π/2。

由上述數(shù)據(jù)分析可以初步認(rèn)定，極2高端Y/D-A相換流變閥側(cè)套管末屏電壓采集器發(fā)生了鐵磁諧振現(xiàn)象，諧振頻率為16.67 Hz，典型的1/3分頻諧振。

圖3 換流變諧振電壓的頻譜分析Fig.3 Spectrum analysis of bushing tap voltage of the high voltage converter group

2 諧振電路原理分析

2.1 換流變壓器閥側(cè)套管末屏結(jié)構(gòu)

變壓器電容式套管由中心導(dǎo)管、電容芯子、外絕緣及安裝法蘭等組成，其末屏測量端子將套管的總電容量劃分為電容C1和C2兩個(gè)部分。其中C1為套管中心導(dǎo)管與測量端子間的電容量，是套管的主絕緣電容；C2為測量端子(末屏)與連接套筒(法蘭)間的電容量，R2為末屏與法蘭間的絕緣電阻，其等效電路如圖4所示。

圖4 變壓器套管電容結(jié)構(gòu)Fig.4 Transformer bushing capacitor structure

2.2 末屏分壓器電路結(jié)構(gòu)

由于常規(guī)直流及特高壓直流工程中換流變?nèi)萘枯^大，為了使其套管橫向和軸向場強(qiáng)均勻，其絕緣結(jié)構(gòu)一般采用電容型，即在導(dǎo)電桿上包上許多絕緣層，以組成一串同心圓柱形電容器。最外層即末屏通過小套管引出，供測量套管的介損和電容量，末屏是最后一層，運(yùn)行期間與地等電位連接。為了檢測套管電容的絕緣情況及末屏的接地情況，直流工程中將末屏引出線接入阻容分壓板，由分壓板輸出電壓信號(Y接和D接換流變壓器閥側(cè)套管電壓，UVY/UVD)至控保系統(tǒng)，控保系統(tǒng)采集電壓信號后供中性點(diǎn)偏移保護(hù)及后臺監(jiān)視使用。圖5為換流變閥側(cè)套管末屏分壓原理，電壓變送器與末屏分壓電容構(gòu)成了一典型CVT結(jié)構(gòu)。

圖5 換流變閥側(cè)套管末屏分壓器電氣原理Fig.5 Electrical diagram of Bushing tap

分壓電容的現(xiàn)場實(shí)測參數(shù)為：C1=470 pF；等效二次電容Ceq=0.76 μF(從末屏抽頭對地測量)；R1為末屏分壓器等效并聯(lián)電阻；R2為末屏分壓器保護(hù)用壓敏電阻。該電壓采集器內(nèi)部由小PT變送器件組成，結(jié)構(gòu)與參數(shù)完全一致，主要完成ABC三相電壓變換功能，變比為50：1，其中一路通道的具體電路如圖6所示。每個(gè)通道的所采用的小變壓器副邊均從抽頭處引線。

圖6 電壓采集器一路通道具體電路Fig.6 Electrical diagram of Voltage transformer

需要特殊說明的是，特高壓換流站均采用3套保護(hù)(且反措規(guī)定3套保護(hù)必須經(jīng)由3個(gè)不同PT采集而得，禁止由同一端口引入)，二次接線如圖7所示，也就是說，在每一臺換流變閥側(cè)的套管末屏有3臺電壓采集器并聯(lián)使用，分別為3套保護(hù)提供信號。

圖7 換流變閥側(cè)套管末屏分壓器接線Fig.7 Bushing tap voltage circuit diagram

2.3 理論計(jì)算

在發(fā)生1/3分頻諧振，即f=16.67 Hz時(shí)，電壓采集的等效電感應(yīng)為：L=1/(4π2f2C)=120 H。

即當(dāng)鐵磁材料進(jìn)入飽和區(qū)，其等效電感達(dá)到120 H時(shí)，就有可能發(fā)生1/3分頻諧振。由于3套保護(hù)為并聯(lián)模式，因此對于單個(gè)通道的小變壓器來說，只要電感達(dá)到360 H，就具備了發(fā)生1/3分頻諧振的條件。

3 諧振仿真分析

在PSCAD中模擬現(xiàn)場工況，具體模型如圖8所示。仿真參數(shù)全部與現(xiàn)場一致，詳見表1，采用斷路器加恒壓源的方式來模擬極2高端充電轉(zhuǎn)連接的操作，電壓采集器的伏安特性采用試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)。

圖8 分頻諧振的仿真建模Fig.8 Simulation model ofresonance analysis

仿真結(jié)果如圖9所示，可見，在閥組轉(zhuǎn)連接的工況下，電壓采集器兩端電壓確實(shí)可能進(jìn)入穩(wěn)定的分頻諧振狀態(tài)，1/3工頻的諧振分量幅值約為工頻分量幅值的2倍。

圖9 諧振仿真結(jié)果的頻譜分析Fig.9 Spectral analysis of resonance simulation results

4 諧振抑制措施

通常認(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[ 11-15 ]：Xc/XL=0.01～0.07時(shí)，發(fā)生分頻諧振；Xc/XL=0.07～0.55時(shí)，發(fā)生基頻諧振；Xc/XL=0.55～2.8 時(shí)，發(fā)生高頻諧振；Xc/XL<0.01或Xc/XL>2.8時(shí)，系統(tǒng)較難發(fā)生諧振。

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。增大閥側(cè)套管末屏電容(或在電壓采集器兩端并聯(lián)更多的電容)能夠減小容抗，但該方法將改變閥側(cè)套管末屏電壓的分壓比，測控系統(tǒng)需要重新調(diào)整比例系數(shù)，保護(hù)裝置需要重新設(shè)定保護(hù)整定值。也可以通過減小并聯(lián)PT的數(shù)量來增大感抗，但反措規(guī)定，特高壓換流站3套保護(hù)的信號必須由獨(dú)立的PT轉(zhuǎn)換而來，因此該方法不可行。

由于在轉(zhuǎn)接過程中存在-400 kV的電壓激勵(lì)，電壓采集器必然將進(jìn)入深度飽和區(qū)。在鐵磁諧振激勵(lì)無可避免的前提下，增加回路的阻尼效果比單純的調(diào)整容抗和感抗好。給諧振回路加裝足夠的阻尼來提高諧振能量的消減速率才是有效抑制諧振的根本方法。末屏電壓變送器中，一次側(cè)串聯(lián)了1 kΩ的電阻，可以適當(dāng)增該電阻的阻值，其對分壓比精度的影響非常有限。

閥側(cè)套管末屏電容的工頻阻抗為4.1 kΩ，三路電壓采集器并聯(lián)之后的阻抗為110 kΩ左右，因此選擇1～10 kΩ的串聯(lián)電阻，對閥側(cè)套管現(xiàn)有分壓比基本沒有影響，如圖10所示。

圖10 串聯(lián)電阻對閥側(cè)套管分壓比和相位的影響Fig.10 Influence of series resistance on partial pressure ratio and phase of valve side casing

PSCAD仿真結(jié)果表明，在串聯(lián)10 kΩ電阻的情況下，即使是最惡劣的合閘相位，也不會(huì)發(fā)生持續(xù)穩(wěn)定的諧振。

5 結(jié)論

文中對一次特高壓直流換流變閥側(cè)套管分壓器諧振異常進(jìn)行了理論和仿真分析，主要結(jié)論如下：

(1) 換流變壓器末屏分壓器及其電壓變送器在電氣上形成了諧振電路的可能。由于特高壓換流變壓器特有的高低壓閥組換流變在線投入和退出的特殊運(yùn)行工況，在線投入閥組時(shí)，運(yùn)行閥組和直流電壓會(huì)傳變到投入閥組換流變的閥側(cè)套管。當(dāng)閥側(cè)套管分壓器的電壓變送器發(fā)生飽和時(shí)，末屏電容與電壓變送器有發(fā)生諧振的可能，有可能導(dǎo)致?lián)Q流變誤跳閘或燒毀電壓測量回路。

(2) 采用實(shí)測參數(shù)結(jié)合理論計(jì)算確定，當(dāng)鐵磁材料進(jìn)入飽和區(qū)，其等效電感達(dá)到120 H時(shí)，就有可能發(fā)生1/3分頻諧振，已經(jīng)通過仿真計(jì)算證明。

(3) 綜合比較調(diào)整末屏電容、調(diào)整電壓變送器參數(shù)等方法的可行性后，確定給諧振回路加裝足夠的阻尼來提高諧振能量的消減速率才是有效抑制諧振的根本方法。