基于選相合閘的特高壓換流變勵磁涌流抑制

李曉彤，張 軍，張東欣，賀成成，陰春錦

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

昌吉—古泉±1 100 kV特高壓直流輸電工程是世界上電壓等級最高、輸送容量最大、輸送距離最遠、技術(shù)水平最先進的特高壓輸電工程。古泉站換流變是目前世界上單臺單相容量最大的換流變，較其他特高壓直流工程提高了20%。相比較于普通變壓器，換流變的阻抗大，運行方式特殊，且幅值更高、衰減更慢、二次諧波幅值高、占比小，且受分接頭檔位的影響。當合閘瞬間，換流變鐵芯磁通量短時內(nèi)急劇增大，遠超過鐵芯的飽和容量，因此在其繞組中產(chǎn)生較大的涌流。合閘瞬時的勵磁涌流幅值最大可達額定電流的8～10倍、空載電流的100倍左右。故勵磁涌流衰減初期容易導(dǎo)致保護誤動作，古泉站曾發(fā)生過兩起由于勵磁涌流大導(dǎo)致保護動作的情況。

(1)勵磁涌流過大導(dǎo)致零序保護動作跳閘現(xiàn)場案例：如圖1所示，2019年8月23日18:43:16，古泉站極Ⅰ高端換流變充電過程中(啟動調(diào)試)，Y/Y-C相換流變與Y/D-C相換流變勵磁涌流峰值均為9 200 A左右，Y/Y換流變零序過流保護動作，換流變進線斷路器跳開。

圖1 2019年8月23日18:43:16極Ⅰ高端換流變充電錄波

(2)勵磁涌流過大導(dǎo)致在運換流器換相失敗現(xiàn)場案例：2020年1月7日08:19:09，在古泉站極Ⅰ高端換流變充電合5061過程中，古泉站極Ⅱ高端換流器Y橋發(fā)生一次換相失敗。極Ⅱ CCP1A/B主機報“本閥組換相失敗預(yù)測動作出現(xiàn)”。事件列表和故障錄波如圖2和圖3所示。

圖2 極Ⅱ高端換流變換相失敗時間列表

圖3 08:19:09極Ⅱ高端換流變換相失敗波形(故障錄波)

1 古泉站系統(tǒng)仿真模型建立及故障復(fù)現(xiàn)

1.1 古泉站系統(tǒng)仿真模型建立

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備實際參數(shù)，在PSCAD/EMTDC中搭建古泉站換流變合閘涌流仿真模型如圖4所示。

圖4 換流變合閘涌流PSCAD/EMTDC仿真模型

1.2 利用模型復(fù)現(xiàn)故障

復(fù)現(xiàn)2020年1月7日極Ⅱ換流變換相失敗現(xiàn)象，可以從極Ⅱ高端換流器Y橋的閥電流波形看出Y橋發(fā)生一次換相失敗，如圖5所示。

圖5 極Ⅱ高端Y橋換相失敗仿真波形

換流變勵磁涌流波形如圖6所示，根據(jù)極Ⅰ高端換流變充電波形，換流變開關(guān)(5061開關(guān))C相最先合上，比A/B相快3 ms，極Ⅰ高端三相勵磁涌流中最大勵磁涌流為10 085 A。

圖6 換流變勵磁涌流波形

仿真結(jié)果與現(xiàn)場錄波趨勢一致。

2 勵磁涌流值大原因分析

2.1 合閘電阻投入時間

參考文獻[3]仿真得到A相涌流峰值隨合閘電阻投入時間變化如圖7所示。

圖7 涌流峰值隨合閘電阻投入時間變化的曲線

圖8 5061開關(guān)交接試驗報告

由圖7可知，合閘電阻有效投入時間越長，對涌流的抑制效果越明顯，從仿真中涌流峰值來看，合閘投入時間為8～11 ms時的涌流峰值水平僅為合閘投入時間3 ms時涌流峰值的6.8%(Y橋)、7.7%(D橋)。因此，合閘電阻投入時間為8～11 ms是比較合理的設(shè)計。

5061開關(guān)交接試驗報告如圖8所示，可知5061開關(guān)的合閘電阻投入時間滿足8～11 ms的要求。

因此斷路器合閘電阻投入時間設(shè)置不合理不是導(dǎo)致古泉站換流變合閘勵磁涌流值高的原因。

2.2 合閘電阻值

目前古泉站合閘電阻參數(shù)設(shè)置采用典型設(shè)計：1 500(1±10%)Ω，下面通過仿真分析合閘電阻值對勵磁涌流值的影響。

仿真條件說明：

(a)開關(guān)三相合閘完全同期；

(b)結(jié)合換流變充電歷史數(shù)據(jù)分析，開關(guān)合閘電阻有效投入時間選取9 ms；

(c)合閘角度選A相電壓0°處；

(d)不考慮變壓器剩磁影響。

分別仿真合閘電阻值選取700 Ω、900 Ω、1 100 Ω、1 300 Ω、1 500 Ω、1 700 Ω、1 900 Ω、2 100 Ω時的涌流特性。不同合閘電阻下，A相涌流最大峰值(絕對值)統(tǒng)計如表1所示。

表1 不同合閘電阻下涌流統(tǒng)計結(jié)果

隨著合閘電阻值增大，涌流峰值逐漸減小，說明在一定范圍內(nèi)合閘電阻增大可以顯著抑制勵磁涌流；但隨著合閘電阻的進一步增大，抑制效果會較之前降低。另外，古泉換流站高端進線斷路器合閘電阻參數(shù)是典型設(shè)計，特高壓換流站進線斷路器合閘電阻值均選擇1 500 Ω左右，古泉站未進行特別設(shè)計。

同時，如表2所示，蘇州換流站、奉賢換流站高端換流變進線斷路器合閘電阻也采用此設(shè)計參數(shù)，且未有勵磁涌流值高的情況，因此合閘電阻值設(shè)置不合理不是影響古泉站換流變合閘勵磁涌流值高的原因。

表2 部分其他換流站斷路器合閘電阻參數(shù)設(shè)計

2.3 換流變充電合閘角度隨機

仿真條件說明：

(a)斷路器三相合閘完全同期；

(a)結(jié)合換流變充電歷史數(shù)據(jù)分析，斷路器合閘電阻投入時間選取6 ms；

(b)合閘電阻值1 500 Ω；

(c)不考慮變壓器剩磁影響。

分別仿真A相在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°合閘時的涌流特性，仿真中A相變壓器網(wǎng)側(cè)電壓按

u

(

t

)=

U

sin(

ωt

)規(guī)律變化，初始相角為0°。根據(jù)仿真結(jié)果分析，A相涌流最大峰值的變化如圖9所示?？梢婋S著合閘角度變化,涌流峰值呈現(xiàn)周期性變化。在一定的合閘角度處，涌流將分別達到最大和最小值。

圖9 涌流峰值隨合閘角變化的曲線

通過分析以上三個因素可知，古泉站換流變開關(guān)機械特性對勵磁涌流值影響較小，同時，合閘電阻的設(shè)計滿足1 500(1±10%)Ω的標準要求，不會使得勵磁涌流值增大，但是合閘角度的隨機性導(dǎo)致勵磁涌流值過大的概率大大增加，因此本文選擇采用選相合閘裝置使得合閘在合適的位置，從而降低勵磁涌流。

3 基于選相合閘的勵磁涌流策略實現(xiàn)

3.1 選相合閘廠內(nèi)測試

為了驗證選相裝置和斷路器配合效果，在山東電工電氣日立高壓開關(guān)有限公司內(nèi)進行了單相試驗。斷路器正常工作狀態(tài)的最低動作油壓為31.5 MPa，最高動作油壓為33.0 MPa。此次試驗主要內(nèi)容包括斷路器正常工作時，在最低動作油壓和最高動作油壓下，斷路器的合閘時間；斷路器正常打壓和最低動作油壓下，選相裝置和斷路器配合效果。

低壓選相驗證試驗接線如圖10所示，使用調(diào)壓器模擬母線電壓，調(diào)壓器電壓為57.74 V±10 V，接入選相合閘裝置PCS-9830C，同時接入比較電壓。根據(jù)選相控制策略，驗證單相斷路器選相效果，合閘目標值設(shè)為90°。

圖10 低壓選相驗證試驗接線圖

試驗斷路器在自由打壓狀態(tài)下，合閘時間基準設(shè)置值為88.5 ms，目標角度為90°，進行10次低壓選相合閘試驗，合閘偏差角度在6°以內(nèi)。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 試驗斷路器在自由打壓狀態(tài)下10次低壓選相合閘測試數(shù)據(jù)

手動調(diào)整斷路器合閘時油壓為31.5 MPa，合閘時間基準值設(shè)置為88.5 ms，試驗斷路器在低打壓油壓狀態(tài)下進行10次選相合閘試驗，合閘偏差角度在41°以內(nèi)。試驗結(jié)果如表4所示。

表4 試驗斷路器在低打壓油壓狀態(tài)下10次低壓選相合閘測試數(shù)據(jù)試數(shù)據(jù)

3.2 選相合閘現(xiàn)場測試

在古泉站采用臨時接線的方式，對5061、5062、5033、5032斷路器進行了一次設(shè)備不帶電的摸底測試工作。試驗主要內(nèi)容與廠內(nèi)測試相同。使用繼保測試儀模擬母線電壓，接入選相合閘裝置PCS-9830C作為基準電壓，接入受控側(cè)的反饋電流或電壓信號作為分合閘完成判據(jù)，在接收到控制系統(tǒng)隨機分合閘命令后，根據(jù)預(yù)期的斷路器動作時間完成選相邏輯運算，在恰當?shù)臅r刻輸出受控分合閘指令至斷路器分合閘線圈，實現(xiàn)斷路器定相位投切。根據(jù)標準選相控制策略，驗證斷路器選相效果，合閘目標值設(shè)為A相90°，B相210°，C相150°。

以5061斷路器為例，試驗斷路器在自由打壓狀態(tài)下，設(shè)定合閘時間基準分別為A相98.90 ms，B相98.46 ms，C相95.54 ms，進行10次斷路器不帶電選相合閘試驗，試驗結(jié)果見表5。從試驗結(jié)果可知，斷路器合閘油壓33 MPa時，A相合閘角度最大偏差20.4°，平均偏差9.6°；B相合閘角度最大偏差18.8°，平均偏差10.5°；C相合閘角度最大偏差18.5°，平均偏差12.4°。

表5 5061斷路器在自由打壓狀態(tài)下10次選相合閘測試數(shù)據(jù)

以5061斷路器為例，手動調(diào)整斷路器合閘時油壓為31.5 MPa，設(shè)定合閘時間基準分別為A相98.90 ms，B相98.46 ms，C相95.54 ms，斷路器在低打壓油壓狀態(tài)下進行10次斷路器不帶電選相合閘試驗，試驗結(jié)果見表6。從試驗結(jié)果可知，斷路器合閘油壓31.5 MPa時，A相合閘角度最大偏差33.7°，平均偏差24°，B相合閘角度最大偏差29.8°，平均偏差20°，C相合閘角度最大偏差31.7°，平均偏差21.2°。

表6 5061斷路器在低打壓油壓狀態(tài)下10次選相合閘測試數(shù)據(jù)

同一油壓下，斷路器的主觸頭合閘時間比較穩(wěn)定，有利于選相合閘裝置的使用，斷路器選相合閘后，最終的合閘角度都指向預(yù)設(shè)角度，并無出現(xiàn)隨機合閘情況。

3.3 選相合閘裝置現(xiàn)場實施接線方式及策略

加裝選相合閘裝置的現(xiàn)場典型接線方式如圖11所示。對于Y-△變壓器，剩磁較小時，首合相(比如A相)可以在系統(tǒng)電壓峰值處合閘，經(jīng)1/4個工頻周期，另外兩相同時合閘，如圖12所示。

圖11 加裝選相合閘裝置的典型接線

圖12 變壓器選相合閘典型策略

對斷路器選相控制器進行安裝，同時將本裝置安裝在測控柜上，另外考慮到選相控制器調(diào)試及檢修，配備了液晶鍵盤等人機交互。

3.4 效果驗證

在2020年首次年度檢修停電期間對選相合閘裝置進行校驗，得到5061開關(guān)三次選相合閘充電參數(shù)調(diào)整及涌流數(shù)據(jù)對比，如表7所示。

表7 5061開關(guān)選相合閘參數(shù)調(diào)整及涌流數(shù)據(jù)對比

由表7可知，安裝選相合閘裝置后，經(jīng)過三次充電校驗，各相勵磁涌流值可降至200 A以下。

4 結(jié)論

(1)古泉站極Ⅰ和極Ⅱ高端換流變壓器充電后，相關(guān)一次及二次設(shè)備無異常，選相合閘裝置能有效地抑制勵磁涌流。

(2)安裝選相合閘裝置后，合閘勵磁涌流值得到抑制。

(3)安裝選相合閘裝置后，閥組安全快速恢復(fù)送電，既可以減少勵磁涌流對電網(wǎng)及換流變的沖擊，同時又可以節(jié)省送電操作時間，提高直流可利用率。每提前一小時恢復(fù)送電，可向華東電網(wǎng)輸送300萬千瓦時的清潔能源。

(4)建議其他新建站在設(shè)計階段要進行換流變合閘勵磁涌流水平評估，對于涌流偏大的站在基建階段可綜合利用合閘電阻和選相合閘技術(shù)進行治理。