換流站交流出線方式對(duì)換流變空投的影響

王彤彤，文俊，靳海強(qiáng)，韓民曉

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市 102206)

0 引 言

變壓器空投是指二次繞組開(kāi)路時(shí)，一次繞組接入電網(wǎng)的過(guò)程，故又稱為空載合閘或空充[1]。新建或檢修后的直流工程投運(yùn)時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行換流變的空投，屬于換流站的常規(guī)操作。換流變空投過(guò)程中，可能伴隨勵(lì)磁涌流和鐵磁諧振現(xiàn)象。正常運(yùn)行時(shí)，換流變的勵(lì)磁電流一般不超過(guò)其額定電流的2%，但是空投時(shí)，勵(lì)磁電流會(huì)增大到額定勵(lì)磁電流的6～8倍，故稱為勵(lì)磁涌流[2-4]。勵(lì)磁涌流可能導(dǎo)致?lián)Q流變無(wú)法正常投入、差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作等嚴(yán)重后果。勵(lì)磁涌流的主要成分為2、3、4、5 等低次諧波，以2次諧波為主，通常諧波電流總畸變率可達(dá)28%以上[5-7]。例如，2007年天廣直流工程調(diào)試期間，換流變空投使3次諧波電流迅速增加，導(dǎo)致運(yùn)行中的3/36(B型)交流濾波器的避雷器炸裂。與普通電力變壓器相比，換流變電壓高、容量大，漏抗很大，因此換流變空投引發(fā)的勵(lì)磁涌流更大，諧波含量更嚴(yán)重[8-10]。其次，空投時(shí)，變壓器繞組電感降低，從而與線路電容或先期投入的交流濾波器及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備發(fā)生鐵磁諧振，產(chǎn)生過(guò)電壓，威脅換流變及運(yùn)行檢修人員的安全[11-13]。過(guò)電壓、過(guò)電流的嚴(yán)重程度與交流系統(tǒng)短路容量、合閘斷路器是否帶合閘電阻及換流站中其他設(shè)備的種類及布置方式等有關(guān)。

迄今為止，我國(guó)所有換流站均通過(guò)交流架空線路接入交流輸電網(wǎng)。電纜線路由于供電可靠性高，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低而廣泛應(yīng)用于城市配電網(wǎng)中[14-16]。大量新工藝的運(yùn)用明顯改善了電纜線路的各項(xiàng)性能指標(biāo)，促使高壓、超高壓電纜線路逐漸應(yīng)用于輸電網(wǎng)中。如2010年4月，隨著我國(guó)首座超大容量、多電壓等級(jí)、全地下、全數(shù)字變電站——靜安變電站的投運(yùn)，我國(guó)第一回500 kV超高壓長(zhǎng)距離用于城市電網(wǎng)的三林—靜安電纜線路投入運(yùn)行。之后，虹楊—楊行500 kV電纜線路投運(yùn)，北京、廣州等大城市也相繼敷設(shè)了500 kV電纜線路，電纜線路已成為未來(lái)城市輸電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著輸電網(wǎng)中電纜線路占比的增加，電纜線路電抗小、對(duì)地電容大的特點(diǎn)勢(shì)必改變換流站與輸電網(wǎng)間的諧振特性。因此，提前開(kāi)展電纜線路出線方式及交流系統(tǒng)中電纜線路占比的研究很有必要，可為今后換流變保護(hù)配置、換流站絕緣配合等直流工程設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

本文首先分析換流變空投的兩類典型現(xiàn)象：勵(lì)磁涌流和鐵磁諧振，深刻揭示它們產(chǎn)生過(guò)電流、過(guò)電壓的機(jī)理。然后，以我國(guó)典型的±500 kV直流工程的換流變?yōu)槔?，分別建立換流站2種交流出線方式——架空線路出線、電纜線路出線，同時(shí)計(jì)及交流系統(tǒng)中電纜線路占比的換流變空投電路模型。最后仿真研究換流站不同出線方式、電纜線路占比及斷路器合閘電阻對(duì)勵(lì)磁涌流和鐵磁諧振的影響，給出換流站抑制過(guò)電流和過(guò)電壓的建議。

1 換流變空投引發(fā)的問(wèn)題

1.1 換流變空投過(guò)程

直流工程既可雙極運(yùn)行也可單極運(yùn)行，運(yùn)行中的換流站不僅包含換流變、交流濾波器和無(wú)功補(bǔ)償裝置等交流設(shè)備，同時(shí)還包含12脈動(dòng)換流器、直流濾波器等直流設(shè)備[8]。當(dāng)正常起動(dòng)單極直流時(shí)，換流變空投示意圖如圖1所示。圖1中，換流母線b經(jīng)交流出線l接入交流輸電網(wǎng)，同時(shí)通過(guò)合閘斷路器(S1、S2)與換流變(T1、T2)相連。換流變空投過(guò)程中，直流系統(tǒng)尚未投運(yùn)，因此接于換流母線上的交流濾波器和無(wú)功補(bǔ)償裝置未投入，故圖1中未畫出。每組換流變通常由3臺(tái)單相雙繞組變壓器組成，分別采用YNy0和YNd11(或YNd1)連接組別，向6脈動(dòng)換流器提供交流電壓。

換流變空投為直流工程正常起動(dòng)的第一步。換流變空投過(guò)程為：當(dāng)12脈動(dòng)換流器處于閉鎖狀態(tài)且換流變充電條件具備后，同時(shí)閉合S1、S2，即對(duì)換流變和12脈動(dòng)換流器充電。由于12脈動(dòng)換流器尚未解鎖，所以不工作，對(duì)應(yīng)于換流變二次繞組開(kāi)路。換流變空投時(shí)，換流變瞬時(shí)并入電壓很高的輸電網(wǎng)，使換流變鐵芯急速飽和，可能產(chǎn)生換流變空投的2類典型現(xiàn)象：勵(lì)磁涌流和鐵磁諧振。以下分別分析2種現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理。

圖1 單極直流換流變空投示意圖Fig.1 Schematic diagram of no-load transformer closing of single-pole DC converter

1.2 勵(lì)磁涌流

以單相雙繞組換流變?yōu)槔治隹胀稌r(shí)勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理。斷路器空載合閘瞬間，換流變一次繞組接入換流母線，流過(guò)空載電流?？蛰d電流產(chǎn)生空載磁勢(shì)，并建立交變磁通。由于鐵芯的磁導(dǎo)率比油或空氣大得多，因此，絕大部分磁力線通過(guò)鐵芯閉合，該部分磁力線同時(shí)匝鏈一次、二次繞組，相應(yīng)的磁通稱為主磁通。另有少量磁力線通過(guò)換流變內(nèi)部的油或空氣閉合，這部分磁力線僅與一次繞組匝鏈，對(duì)應(yīng)的磁通稱為一次繞組漏磁通。空載電流i0流經(jīng)的路徑如圖2所示，Rs、Ls分別為換流變交流出線的線路電阻、線路電感，R1、L1分別為換流變一次繞組的漏電阻、漏電感，Rm、Lm分別為換流變的勵(lì)磁電阻、勵(lì)磁電感。

圖2 換流變空投時(shí)的等值電路Fig.2 Equivalent circuit of no-load closing of the converter transformer

設(shè)開(kāi)關(guān)S于t=t0時(shí)合閘，由基爾霍夫電壓定律得一次繞組電壓方程為：

(1)

式中：Usm、θ分別為S合閘時(shí)換流母線電壓us的幅值和初相角(亦稱合閘角)，其中θ=ωt，ω為電網(wǎng)額定角頻率；R=R1+Rm+Rs為換流變空投電路的等效電阻；N為一次繞組匝數(shù)；φ為總磁通，包含主磁通和一次繞組漏磁通。

電阻R1、Rm分別反映一次繞組的銅耗和鐵芯的鐵耗(含磁滯及渦流損耗)水平，加之合閘初始階段的空載電流i0非常小，因此電阻壓降Ri0很小，可忽略不計(jì)。此時(shí)，解微分方程(1)得鐵芯中的總磁通為：

φ=-φmcos(ωt+θ)+(φmcosθ+φr)e(-t/τ)

(2)

式中：第1項(xiàng)為電壓強(qiáng)制產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)磁通分量，幅值φm=Usm/Nω；第2項(xiàng)為維持合閘時(shí)刻磁通連續(xù)而產(chǎn)生的暫態(tài)磁通(又稱自由磁通)分量，這是一個(gè)按指數(shù)規(guī)律衰減的非周期分量，衰減時(shí)間常數(shù)為τ=L/R,其中：L=L1+Lm+Ls，為換流變空投電路的等效電感，φr為剩磁。

式(2)表明，合閘時(shí)磁通的數(shù)值與換流母線電壓us的初相角和剩磁有關(guān)。當(dāng)φmcosθ+φr=0，即θ=arccos(-φr/φm)時(shí)，磁場(chǎng)的建立沒(méi)有瞬變過(guò)程而立刻進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即一合閘就建立了穩(wěn)態(tài)磁通。特別的，如果不計(jì)剩磁，此狀態(tài)對(duì)應(yīng)初相角θ=90°

由于衰減時(shí)間常數(shù)大，暫態(tài)磁通衰減緩慢?？紤]最不利的情況：不計(jì)衰減且φr與非周期分量磁通φmcosθ方向相同，則總磁通φ由φr開(kāi)始變化，經(jīng)過(guò)約半個(gè)工頻周期后，達(dá)到最大值φmax=2φm+φr，如圖3所示。

圖3 合閘后的磁通波形(不計(jì)暫態(tài)磁通衰減)Fig.3 Flux waveform after closing (excluding transient magnetic flux attenuation)

換流變鐵芯具有非線性的磁化特性[7]，如圖4所示，線段ab、bc及c點(diǎn)之后分別為近似線性段、飽和段和深度飽和段。對(duì)于ab段，空載電流i0小，主磁通φ隨i0近似線性增加；進(jìn)入飽和段后隨著i0增加，φ上升緩慢直至不變。

圖4 換流變鐵芯磁化特性曲線Fig.4 magnetization curve of Converter transformer core

為降低損耗，提高鐵芯材料的利用率，換流變通常設(shè)計(jì)工作在接近飽和段的線性段。由圖4可見(jiàn)，正常運(yùn)行時(shí)換流變的勵(lì)磁電感很大，其阻抗電壓μk通常為16%～18%，特高壓直流工程的換流變，其μk高達(dá)20%左右，遠(yuǎn)高于其他電力變壓器?？胀稌r(shí)，換流變鐵芯中的磁通由較小的剩磁急劇增大，在最不利時(shí)，最大磁通將超過(guò)2倍穩(wěn)態(tài)磁通幅值，促使鐵芯磁通瞬間飽和，變壓器繞組電感快速降低，故合閘電流增加的倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)磁通增加的倍數(shù)，形成數(shù)值很大的勵(lì)磁涌流。換流變的空載電流最大值可達(dá)額定勵(lì)磁電流的6～8倍，之后空載電流將按指數(shù)規(guī)律減小。一般小型變壓器衰減快，約幾個(gè)周期即達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于換流變等大型變壓器，衰減較慢，甚至延續(xù)到20 s左右。

綜上所述，影響勵(lì)磁涌流大小的因素主要有以下3種：

1)電源電壓。電源電壓越高，電壓強(qiáng)制產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)磁通幅值越大，勵(lì)磁涌流越大；

2)合閘角。合閘角越接近0°，鐵芯磁通飽和越嚴(yán)重，勵(lì)磁涌流越大；合閘角越接近90°，勵(lì)磁涌流越小，甚至可能不出現(xiàn)暫態(tài)勵(lì)磁電流；

3)剩磁。剩磁的方向與合閘后φmcosθ同向時(shí)，剩磁越大，勵(lì)磁涌流越大；反之，剩磁的方向與合閘后φmcosθ反向時(shí)，剩磁越小，則勵(lì)磁涌流越小。此外，勵(lì)磁涌流還與衰減時(shí)間常數(shù)、合閘電路阻抗以及變壓器容量等因素有關(guān)。

變壓器的非線性勵(lì)磁特性可能產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流，其中主要為以3次諧波為主的奇次諧波。由于勵(lì)磁電感隨著勵(lì)磁電流的變化在飽和與不飽和之間作周期性變化，其變化頻率是工頻的2倍，只有當(dāng)勵(lì)磁電感在飽和階段時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)勵(lì)磁涌流，因此勵(lì)磁涌流是斷續(xù)的，其中主要為以2次諧波為主的偶次諧波及直流分量。綜上所述，勵(lì)磁電流中主要包含2、3、4、5等低次諧波。

1.3 并聯(lián)鐵磁諧振

為便于研究鐵磁諧振，將圖1所示系統(tǒng)進(jìn)行等效，由換流母線看向電網(wǎng)的電路呈現(xiàn)容性，假設(shè)為 RC并聯(lián)電路，則換流變空投引起并聯(lián)鐵磁諧振的簡(jiǎn)化電路如圖5(a)所示。圖中，Is為交流系統(tǒng)等效電流源，R為交流系統(tǒng)等效電阻，C主要為換流站交流出線的對(duì)地耦合電容。由于換流變一次繞組漏磁通僅占主磁通的1/1 000左右，故可忽略不計(jì)一次繞組漏電感，只考慮勵(lì)磁電感Lm，同時(shí)不計(jì)換流變的電阻。

圖5 并聯(lián)鐵磁諧振說(shuō)明Fig.5 Parallel ferromagnetic resonance

為簡(jiǎn)要闡明并聯(lián)鐵磁諧振產(chǎn)生機(jī)理，圖5(b)中未計(jì)及電阻R，曲線ΔI與電源電流Is相交于a1、a2和a33個(gè)點(diǎn)，其中，a1、a3為穩(wěn)定平衡點(diǎn)，a2為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。以a1為例，如果系統(tǒng)擾動(dòng)導(dǎo)致電壓增加，IL和IC均增大，而IL增加更多，因此ΔI增加，此時(shí)Is低于上升后的ΔI，電壓無(wú)法維持，于是電壓下降，最終恢復(fù)至a1點(diǎn)。對(duì)于a2點(diǎn)而言，電壓擾動(dòng)而有所增大時(shí)，IL和IC均增加，但I(xiàn)C增加更多，因此ΔI減小。由于Is>ΔI，致使電壓繼續(xù)上升，最后只能穩(wěn)定至a3點(diǎn)。

如果外加電壓從0開(kāi)始逐漸增大，換流變將穩(wěn)定運(yùn)行于a1點(diǎn)，此時(shí)鐵芯處在磁化特性曲線的線性段，電壓、電流均很小，不會(huì)出現(xiàn)鐵磁諧振。換流變空投時(shí)，鐵芯磁通急劇增大，瞬間飽和，變壓器繞組電感迅速降低。工作點(diǎn)迅速越過(guò)a1到達(dá)a2點(diǎn)，但a2點(diǎn)為非穩(wěn)定平衡點(diǎn)，故將繼續(xù)隨著Lm的進(jìn)一步減小而到達(dá)并聯(lián)諧振點(diǎn)Q。此時(shí)Lm與電容C形成并聯(lián)諧振，換流變產(chǎn)生過(guò)電壓。如果系統(tǒng)等效電阻小，則并聯(lián)諧振激發(fā)后可以自保持，此時(shí)稱系統(tǒng)發(fā)生了并聯(lián)鐵磁諧振。此諧振的本質(zhì)是鐵芯磁通飽和使勵(lì)磁電感非線性減小，故又稱為非線性諧振。

按照諧振頻率劃分，變壓器的鐵磁諧振分為三類：諧振頻率等于工頻的工頻諧振，也稱基波諧振；諧振頻率為工頻整數(shù)倍的高頻諧振，也稱高次諧波諧振；諧振頻率為工頻分?jǐn)?shù)倍的分頻諧振，也稱間諧波諧振。

綜上所述，換流變空投時(shí)與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)鐵磁諧振的充要條件是：

1)并網(wǎng)點(diǎn)具有足夠大的對(duì)地容性設(shè)備，如交流輸電線路的對(duì)地耦合電容、交流濾波器及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備；

2)換流變勵(lì)磁電感具有非線性特性，且換流變與電容設(shè)備的伏安特性曲線有交點(diǎn)；

3)換流母線電壓足夠高，使鐵芯迅速飽和，從而使感抗低于容抗；

4)諧振回路的電阻足夠小，使諧振激發(fā)后維持較長(zhǎng)時(shí)間不衰減。

2 仿真系統(tǒng)建模

本文基于 PSCAD/EMTDC仿真軟件對(duì)典型直流工程的單極直流換流變空投系統(tǒng)(如圖1所示)進(jìn)行仿真建模，該典型直流工程參數(shù)為±500 kV、3 000 MW，接入500 kV交流輸電網(wǎng)。

2.1 電網(wǎng)模型

采用戴維南等值電路對(duì)交流輸電網(wǎng)進(jìn)行等效。已知換流母線處的電網(wǎng)額定電壓、最大短路電流及最小短路電流分別為535 kV、63.0 kA、23.7 kA，計(jì)算得到電網(wǎng)等值阻抗為4.903～13.033 Ω。

2.2 換流站出線方式及交流出線模型

計(jì)及電纜線路不同占比對(duì)換流變空投的影響，本文設(shè)定以下2種換流站出線方式：

1)M1方式：先經(jīng)架空線路再由電纜線路接入電網(wǎng)；

2)M2方式：先經(jīng)電纜線路再由架空線路接入電網(wǎng)。

無(wú)論何種出線方式，設(shè)換流站出線線路總長(zhǎng)l為100 km，其中電纜線路長(zhǎng)lC，電纜線路占比為σ=lC/l。

架空線路和電纜線路均采用π型等值電路。對(duì)于長(zhǎng)度為lX的換流站交流出線，用等效阻抗Z及導(dǎo)納Y表征的線路集中參數(shù)模型為：

(3)

式中:r0、x0、g0、b0分別表示單位長(zhǎng)度交流線路的電阻、電抗、電導(dǎo)和電納。由于交流線路的泄漏電流很小，所以g0通常忽略不計(jì)。

本文選用的500 kV換流站典型交流出線的參數(shù)為[16]：

1)架空線路：r0=0.016 Ω/km，x0=0.263 Ω/km，b0=1.76×10-6S/km；

2)電纜線路：r0=0.058 Ω/km，x0=0.192 Ω/km，b0=62.14×10-6S/km。

2.3 換流變模型

換流變采用基于UMEC(unified magnetic equivalent circuit)理論的鐵芯飽和模型，參數(shù)見(jiàn)表1，其空載勵(lì)磁特性曲線如圖6所示。對(duì)圖6所示的換流變空載勵(lì)磁特性曲線采用完全插值法，利用分段線性化的勵(lì)磁特性曲線近似表征變壓器鐵芯的飽和特性。

表1 換流變基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of converter transformer

圖6 換流變空載勵(lì)磁特性曲線Fig.6 Excitation characteristic curve of converter transformer

3 換流變空投的影響分析

基于以上PSCAD/EMTDC仿真模型，對(duì)上述2種換流站出線方式和不同電纜線路占比進(jìn)行勵(lì)磁涌流和鐵磁諧振的仿真分析。鑒于勵(lì)磁涌流導(dǎo)致?lián)Q流變保護(hù)誤動(dòng)的情況時(shí)有發(fā)生，因此合閘斷路器通常安裝了并聯(lián)合閘電阻，在斷路器合閘或重合閘過(guò)程中，在主觸頭閉合前短時(shí)投入合閘電阻Rs，以抑制勵(lì)磁涌流和暫態(tài)過(guò)電壓。本文取Rs=1 500 Ω，分別對(duì)是否投入合閘電阻進(jìn)行仿真。設(shè)合閘斷路器于0.5 s時(shí)閉合，啟動(dòng)換流變空投。

3.1 勵(lì)磁涌流影響分析

由于合閘角對(duì)勵(lì)磁涌流的影響很大，本文考慮最不利的條件，取合閘角為0°，即換流變?cè)趽Q流母線電壓過(guò)零時(shí)合閘。分別對(duì)以下2種換流站交流出線方式進(jìn)行仿真：1)全部采用架空線路，即M1出線方式且電纜線路占比σ=0，用M1(σ=0)表示；2)全部采用電纜線路，即M2出線方式且σ=1，用M2(σ=1)表示。仿真結(jié)果如表2所示，三相勵(lì)磁涌流峰值I0Am、I0Bm、I0Cm為合閘半個(gè)周期時(shí)的三相電流值，三相勵(lì)磁涌流衰減時(shí)間t0A、t0B、t0C為勵(lì)磁涌流衰減到1pu且保持在±2%范圍內(nèi)的時(shí)間，βHRI0A為a相勵(lì)磁涌流中2～5次諧波含有率。M1(σ=0)方式且不計(jì)斷路器合閘電阻時(shí)的三相勵(lì)磁涌流仿真波形見(jiàn)圖7，圖中同時(shí)展示了空投70 ms內(nèi)的勵(lì)磁涌流波形局部放大圖。

表2 勵(lì)磁涌流仿真結(jié)果Table 2 Results of inrush current

表2及圖7揭示了勵(lì)磁涌流具有如下特點(diǎn)。

1)斷續(xù)性：每個(gè)周期同時(shí)包含電流非零和持續(xù)為零2個(gè)階段。一般將電流為零的時(shí)段用電角度表示，稱為“間斷角”，約為 200°，對(duì)應(yīng)鐵芯的非飽和階段；其余時(shí)段鐵芯飽和，出現(xiàn)勵(lì)磁涌流，約為160°。隨著時(shí)間的增加，間斷角逐漸增大，最終接近360°，而勵(lì)磁涌流的持續(xù)時(shí)段逐漸減小，最終接近0°。

2)偏向性：電流波形偏向時(shí)間軸的一側(cè)，這是由鐵芯磁通的非周期分量導(dǎo)致的。偏向正側(cè)或負(fù)側(cè)，則由剩磁的極性、數(shù)值以及合閘角三者共同決定。特別地，當(dāng)滿足φmcosθ+φr=0時(shí)，磁場(chǎng)的建立沒(méi)有瞬變過(guò)程而立刻進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因此不會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，但是其余兩相仍然可能出現(xiàn)勵(lì)磁涌流。

圖7 M1(σ=0)且不計(jì)Rs時(shí)的勵(lì)磁涌流波形Fig.7 Inrush current waveform excluding Rs at M1(σ=0)

3)非對(duì)稱性：正負(fù)半周期波形不再鏡像對(duì)稱，半周期波形也不再左右對(duì)稱。前者是因?yàn)榇磐ㄔ诿堪雮€(gè)周期內(nèi)的飽和程度不同，后者由非周期分量磁通引起。

4)諧波特性：勵(lì)磁涌流波形畸變嚴(yán)重，因此諧波嚴(yán)重，其中2、3、4、5次諧波含有率較大。以架空出線且不計(jì)合閘電阻為例，a相勵(lì)磁涌流中2、3、4、5次諧波的諧波含有率分別達(dá)到45.40%、24.61%、21.48%、13.48%。

5)三相勵(lì)磁涌流峰值及衰減時(shí)間各不相同：以架空線路出線且不計(jì)合閘電阻為例，a、b、c三相的勵(lì)磁涌流峰值分別為7.63、-4.81、-4.72 pu，三相衰減時(shí)間分別為2.27、1.71、1.50 s。三相勵(lì)磁涌流峰值最大相差約40%，因?yàn)閍相取為最嚴(yán)重的0°合閘角，其余兩相的最大磁通約減少一半，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁涌流峰值也將減少約一半，由于三相電路的衰減時(shí)間常數(shù)基本相同，因此勵(lì)磁涌流峰值的大小直接決定了衰減時(shí)間的長(zhǎng)短。

6)合閘電阻的影響：無(wú)論交流架空出線還是電纜出線，合閘電阻Rs都能有效抑制勵(lì)磁涌流，這是因?yàn)镽s極大的提高了合閘回路的阻尼作用，加快了非周期勵(lì)磁電流的衰減。

7)電纜出線方式的影響：架空線路出線方式改為電纜線路出線方式對(duì)勵(lì)磁涌流的影響微弱。具體表現(xiàn)為電纜出線方式下的勵(lì)磁涌流峰值略有增加，最大增幅分別為1.27%(不計(jì)Rs)、9.37%(計(jì)及Rs)；衰減時(shí)間略有降低，最大減幅分別為2.00%(不計(jì)Rs)、2.94%(計(jì)及Rs)。表明換流站交流出線方式對(duì)勵(lì)磁涌流的影響可以忽略不計(jì)。

綜上所述，抑制換流變勵(lì)磁涌流的有效措施有：1)投入合閘電阻；2)避免合閘角為0°；3)換流變?nèi)ゴ?，即減小剩磁。

3.2 鐵磁諧振影響分析

3.2.1 出線方式及電纜線路占比對(duì)鐵磁諧振影響

以M2(σ=0.8)方式為例，換流變于t1=0.5 s時(shí)空投，a相換流母線電壓及空載電流仿真結(jié)果如圖8(a)所示?？梢?jiàn)，換流變經(jīng)過(guò)t1～t2時(shí)段的不穩(wěn)定諧振，于t2=1.0 s進(jìn)入穩(wěn)定的鐵磁諧振狀態(tài)，虛線內(nèi)的局部放大圖見(jiàn)圖8(b)。此時(shí)的最大電壓峰值和空載電流峰值分別為額定值的2.71倍和1.23倍，處于過(guò)電壓狀態(tài)。鐵磁諧振頻率為50 Hz，屬于工頻諧振。而在不穩(wěn)定諧振期間，過(guò)電壓更嚴(yán)重，并出現(xiàn)了過(guò)電流，最大電壓峰值和空載電流峰值分別為4.63 pu和1.81 pu。由此說(shuō)明，換流變空投導(dǎo)致的鐵磁諧振無(wú)論處于穩(wěn)定或不穩(wěn)定諧振狀態(tài)，均會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，甚至?xí)霈F(xiàn)過(guò)電流，不利于換流變的安全運(yùn)行。

圖8 M2(σ=0.8)鐵磁諧振電壓電流波形(無(wú)合閘電阻)Fig.8 Voltage and current waveform during ferromagnetic resonance without closing resistance at M2 (σ =0.8)

使電纜線路占比σ在0～1.0范圍內(nèi)變化，針對(duì)換流站2類出線方式(M1、M2)的仿真結(jié)果如表3所示。由于σ=0～0.5內(nèi)沒(méi)有發(fā)生鐵磁諧振，故表中未予列出。表中，UAm、IAm、fr分別為鐵磁諧振期間a相的換流母線電壓峰值、空載電流峰值及鐵磁諧振頻率，“—”表示未發(fā)生鐵磁諧振。

表3 鐵磁諧振仿真結(jié)果(無(wú)合閘電阻)Table 3 Simulation results of ferromagnetic resonance (without closing resistance)

表3表明：1)M2出線方式更容易發(fā)生鐵磁諧振。在σ=0.6～0.8時(shí)，M2出線方式發(fā)生了鐵磁諧振，而M1出線方式未發(fā)生。這是因?yàn)?，在相同的電纜線路占比下，M2出線方式下的換流母線對(duì)地電容更大，更容易與非線性變化的勵(lì)磁電感發(fā)生并聯(lián)諧振。2)無(wú)論M1還是M2出線方式，隨著σ的增加，更容易發(fā)生鐵磁諧振，鐵磁諧振期間的換流變過(guò)電壓倍數(shù)更大，而勵(lì)磁電流略有下降。3)M2出線方式下，σ增加時(shí)相繼發(fā)生的鐵磁諧振頻率有150 Hz的高頻諧振、50 Hz的工頻諧振和25 Hz的次同步頻率諧振；而在M1出線方式下，σ=0.9、1.0時(shí)，分別發(fā)生了工頻和次同步頻率的鐵磁諧振。這是因?yàn)椋瑯拥膭?lì)磁電感下，σ越大，換流母線對(duì)地電容越大，并聯(lián)諧振的頻率越低。

3.2.2 合閘電阻對(duì)鐵磁諧振的影響

以M2(σ=0.8)方式為例，t1=0.5 s時(shí)斷路器合閘，同時(shí)投入合閘電阻，換流變空投的仿真波形如圖9所示。

圖9 M2(σ=0.8)換流母線電壓電流波形(投入合閘電阻)Fig.9 Converter bus voltage and current waveform with closing resistance at M2 (σ =0.8)

由圖9可以看出，經(jīng)過(guò)約0.2 s的不穩(wěn)定諧振，換流母線電壓和空載電流趨向穩(wěn)定的近似正弦波，其有效值接近額定值。表明合閘電阻提高了換流變空投電路的電氣阻尼，有效抑制了鐵磁諧振。上述結(jié)論對(duì)電纜線路占比在0～1.0范圍內(nèi)變化下的M1、M2 2種出線方式均成立。

綜上所述，降低換流變空投引發(fā)的鐵磁諧振概率的有效措施有：1)繼續(xù)采用換流站架空線路的出線方式；2)換流站所接入的交流系統(tǒng)中，電纜線路占比不宜過(guò)高；3)投入合閘電阻。

4 結(jié) 論

換流變與所有大容量變壓器一樣，空投過(guò)程中可能出現(xiàn)勵(lì)磁涌流和鐵磁諧振，遭遇過(guò)電流和過(guò)電壓的危害。研究表明：

1)換流變空投引發(fā)的勵(lì)磁涌流。

(1)換流站由架空線路出線改為電纜線路出線后，勵(lì)磁涌流峰值有所增加，衰減時(shí)間略有降低，但是改變幅度小，最大改變幅度在2%以內(nèi)。因此，可以近似認(rèn)為換流站無(wú)論采用架空線路還是電纜線路出線方式，不影響勵(lì)磁涌流。

(2)抑制換流變勵(lì)磁涌流的有效措施仍然是：投入合閘電阻、避免合閘角為0°和去磁。

2)換流變空投引發(fā)的鐵磁諧振。

(1)與架空線路出線方式相比，換流站電纜線路出線方式更容易發(fā)生鐵磁諧振，因此換流站不宜采用電纜線路出線方式。

(2)無(wú)論架空線路出線方式還是電纜線路出線方式，交流系統(tǒng)中的電纜線路占比越大，越容易發(fā)生鐵磁諧振，而且諧振導(dǎo)致的過(guò)電壓更嚴(yán)重，鐵磁諧振的頻率會(huì)降低。

(3)投入合閘電阻可有效抑制換流變空投引發(fā)鐵磁諧振。