涌流抑制裝置在換流站直流輸電的應用

宋潔

(云南電網公司電力研究院,昆明 650217)

涌流抑制裝置在換流站直流輸電的應用

宋潔

(云南電網公司電力研究院,昆明 650217)

斷開電源時的分閘相位角與變壓器磁路極性和數值有直接聯系,而合閘相位角則與偏磁的極性和數值有關。只要能夠控制變壓器空載合閘時電源電壓的合閘相位角,并且確定了變壓器末次斷電時刻磁路中的剩磁極性,就能實現剩磁與偏磁極性相反,從而消除磁路飽和,由此達到抑制勵磁涌流的目的。

勵磁涌流;抑制;選相合閘

1 前言

換流變本質上也是一個電感,其值受磁路鐵心飽和程度影響,當磁路飽和時電感值大幅下降,電感值下降就意味著電抗下降,勵磁電流隨之增加。當變壓器任一繞組感受到外施電壓突增時,基于磁鏈守恒定律,該繞組將立即產生一個抵御外加磁通的反磁通,如果這一反磁通和原來磁路中的剩磁極性相同,則可能導致磁路飽和,進而產生很大的勵磁涌流。勵磁涌流是不可避免的,因此,如何在變壓器投入時產生勵磁涌流情況下仍使繼電保護裝置不誤動已成為研究的熱點。通過數學或物理方法識別勵磁涌流的特征,試圖躲過勵磁涌流的影響,運用于實踐的有二次諧波制動原理、間斷角原理、波形對稱原理,但是始終沒有徹底有效地解決,因為每一次涌流發生時的特征都不是完全一致的,它和合閘角、剩磁等很多現場實時因素有關。

2 剩磁、偏磁與勵磁涌流

空載時初級繞組的電壓方程：

式中：N1、R1分別為初級繞組的匝數及電阻,其中φ為其交鏈的總磁通。

可改寫為

式中：α為t=0時U1的初相角,又

其中L1為初級繞組的自感,式 (2)可改寫為

考慮到電阻R1很小,即很小,從而L1可近似看作常數,故式 (3)用微分方程表示可以寫作：

由式 (4)可以看出電源加在變壓器初級繞組后在磁路中的總磁通φ中有兩個分量,即穩態磁通φs和暫態磁通φp(又稱偏磁),β為初級繞組阻抗角。

A可由合閘時 (t=0)的初始條件確定,即t =0前后瞬間磁通中φ+0和中φ-0相等,且均為磁路中的剩磁中φr,φr的取值可為正值,故冠以“±”,將t=0、φ=±φr帶入式 (5) 得到：

A=±φr-φmsinα (8)

將A代入式 (5)

即 (9)

式 (9)表達了在初級電壓U1的相位角為α時給變壓器加上電壓U1的瞬間變壓器磁路中的磁通,第一項φ=φmsin(ωt+α)是與電壓U1對應的穩態磁通分量φs;第二項±φr是變壓器在上一次斷電時產生的剩磁,斷電瞬間磁滯回線工作點的部位決定了其極性和數值;第三項是磁鏈守恒定律中提到的抵制有電瞬間產生穩態磁通中φs的偏磁中φp,φp的初始值與t=0時中φs的瞬時值相等,極性相反,φp將按時間常數τ衰減。

在式 (9)中前一項為總磁通的穩態分量φs,后一項為暫態分量即偏磁φp,由式 (9)可以看出,當電源電壓U1在初相角α=90°或α=270°時合閘,偏磁為

而α=0°或α=180°時合閘,偏磁為φp=±φr。由此可知變壓器空載投入時電源電壓U1時會有不同的初相角,每次所產生的偏磁φp極性和數值也會不同,再與剩磁φr與φs疊加,使磁路的總磁通有可能會超過變壓器設計的飽和磁通中φset而導致磁路飽和,初級繞組電抗急劇下降,進而產生很大峰值的勵磁涌流。

3 控制合閘角 控制勵磁涌流

總磁通由剩磁、偏磁 (暫態磁通)及穩態磁通三者組成。如剩磁為正,即磁路更易飽和,勵磁涌流幅值會更大;如剩磁為負 (剩磁和偏磁極性相反),則磁路不會飽和,勵磁涌流將不會出現。

停運斷電時的三相電壓分閘相位角決定了變壓器的剩磁極性及數值,在磁路不飽和時三相磁路的磁通其波形與三相電壓一樣,都是正弦波,且磁通波形滯后電壓90°,可以理解為當某相的電壓在某個相位角時斷電,則該相磁路的磁勢在滯后電壓90°的位置上突降為零,如果這個突降點發生在磁通波形的正半周,則可推斷該相磁路的剩磁為正,反之為負。這也就是說只要知道某相電壓的分閘角,即可推斷出該相剩磁的極性。而基于磁鏈守恒定律,變壓器在空載上電時將產生一個與合閘電壓相位角相關的反磁通(偏磁),以保持上電瞬間磁路中的總磁鏈不變。因此,通過獲取分閘角的數值來決定下次合閘時合閘角的方法,使其不產生偏磁,從而避免空投電源時磁路出現飽和;隨著偏磁φp的衰減,總磁通φ將逐步與穩態磁通φs重合,變壓器進入穩態運行。

4 主要運用

溪洛渡右岸電站送電廣東±500 kV同塔雙回直流輸電昭通換流站配置的涌流抑制裝置包括為換流變網側交流系統斷路器配置的PCS-9830AB斷路器選相分合閘裝置和為交流濾波場投切電容器開關配置的SID-3YL涌流抑制器。

為換流變網側交流系統斷路器配置的PCS-9830AB斷路器選相分合閘裝置其作用是為三相聯動斷路器機構提供選相分合閘功能。裝置實時采集母線PT電壓,隨機接收來自于控制系統的分合閘命令,在合適的電壓相位處,經適當延時發出分相的合閘命令,根據外部環境參數對斷路器機構的動作特性影響進行補償,并考慮到現場實際開合過程的燃弧和預擊穿特性,使開關總能在預定的電氣相位進行實際分合,有效地避免隨機開合所造成的暫態過電壓或涌流。通過控制斷路器分閘相位影響剩磁,通過控制斷路器合閘相位使得偏磁恰好和剩磁抵消,從而在合閘瞬間綜合磁通接近于正常運行狀況下的穩態磁通從而避免磁通疊加造成飽和,主動抑制勵磁涌流的大小。

圖1 過零點合閘示意圖

Tdelay=N*T/2-Tclose-Tcdly

T憶delay=Tdelay+Tpres

其中：

Tdelay是不考慮預擊穿時裝置計算出的延時時間;

T憶delay是考慮預擊穿后裝置計算出的延時時間;

T是基準電壓的周期;

Tclose是斷路器機構的合閘時間;

Tcdly是二次回路延時,主要是繼電器或IGBT的動作時間;

Tpres是預擊穿時間。

由圖1可以看出,t3時刻為有流時刻,t4時刻可以理解為斷路器動靜觸頭接觸時刻。t3至t4之間定義為Tpres,這段時間并不能準確預計,所以只能在靜態試驗下首先確定t4時刻來作為一個時間基準,人為的預估一個Tpres的值固定。然后經現場一個實測合閘過程后,按照實際波形的合閘過零點反過來調整Tdelay的值,起到斷路器下次合閘點在預計的t3時刻。從而控制住開關的選項合閘過程。

對于空載變壓器類電氣設備隨機合閘充電時,理想狀況是合閘在90°或者270°時刻。而三相聯動機構的斷路器三相分閘時分閘角度相差120°,三相剩磁極性和大小各異,但合閘時三相的合閘角也相差120°,三相偏磁極性也各不相同,只要分閘相位和合閘相位相同,則對于特定某相磁路來說,其偏磁和剩磁的相位恰好相反,疊加時相互抵消,從而達到抑制勵磁涌流的效果。

圖2 昭通換流站工程牛從甲直流極2換流變第一次充電試驗電流波形

由圖2可以看出在電壓過零點時,經適當延時發出分相的合閘命令,對斷路器機構的動作特性影響進行補償,可從錄波圖上看出,A、B相并未出現勵磁涌流,這說明充分考慮到現場實際開合過程的燃弧和預擊穿特性,較為準確的修正了Tpres的值,使斷路器動、靜觸頭在系統電壓波形的指定相角處合上。避免暫態過電壓或涌流,使設備在對自身和系統沖擊最小的情況下投切入。而YY換流變網側開關C相合閘在過零點處,出現了勵磁涌流,最大值為1.2627 kA。這次充電的波形可以作為下次預調的參考,更加準確的設定Tpres時間。

圖3 昭通換流站工程牛從甲直流極2換流變第二次充電試驗電流波形

在第一次沖擊完畢后變壓器剩磁慢慢衰減,并且基于第一次波形的參考,調整出 Tpres的值,開關有效地在目標合閘點合上。由圖三看出第二次沖擊時YY/YD換流變閥側和網側均無勵磁涌流出現。

昭通換流站交流濾波場投切電容器開關配置的是SID-3YL涌流抑制器,對于電容器投切控制,主要目的為控制合閘時電壓不發生突變和減小涌流從而減小暫態過程對電力一次設備的沖擊,通常對對電容器的合閘操作在其充分放電后進行,故一般僅做選相合閘控制,對于聯動機構操作時,則只有分別對分合閘進行選相控制才能取得一定效果。

圖4 大地回線解鎖時投入濾波器第二大組母線電壓和571小組電流波形

電源側電壓接入UA為角度基準時,合閘控制模式選擇快速同步,合閘角度設置為A相合閘角0°,B相合閘角120°,C相合閘角60°,則在不考慮斷路器合閘時間及各種補償因素的情況下,裝置在接收到合閘信號后,將在電源側電壓UA角度為0°時合斷路器A相,在60°時合斷路器C相 (C相自身角度為180°),在120°時合斷路器B相 (B相自身角度為0°)。由圖四可以看出交流濾波器組投入順序是C、B、A相順序,時間間隔3.3ms角度相差60°,與原理相符。

5 結束語

對三相變壓器來說,無論在何時合閘,勵磁涌流都會不同程度的在合閘瞬間出現。勵磁涌流幅值激增并且衰減慢,由此可能會導致保護誤動退出變壓器運行。2013年9月6日,昭通換流站工程牛從甲直流極2換流變充電試驗過程中,閥組在操作到閉鎖狀態時刻極2換流變壓器的差動保護動作,跳開斷路器。勵磁涌流導致變壓器保護誤動。如果正式投運后,這樣的事件還可能引起正常運行極的直流電壓波動,這是由于變壓器合閘時,其勵磁回路可能會發生飽和,而飽和時勵磁阻抗大大下降,從而導致交流母線電壓下降,進而影響到正常運行的直流輸電系統。經過一系列勵磁涌流抑制器在實際電網中進行了空載合閘與投切的試驗,試驗結果與分析證明了勵磁涌流抑制器的有效性,在工程實際應用中價值得到了體現。

[1] 王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用 [M].北京：中國電力出版社,2002.

[2] 賀家李,宋從矩.電力系統繼電保護原理 (第三版)[M] .北京：水利電力出版社,1949.

[3] 烏云高娃,劉滌塵,葉念國.基于變壓器勵磁涌流成因的涌流抑制策略 [J].武漢大學學報 (工學版),2008,41(6).

[4] SID-3YL微機涌流抑制器說明書 [Z].

[5] PCS-9830AB斷路器選相分合閘裝置說明書 [Z].

[6] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術 (第一版)[M].北京：中國電力出版社,2004：7-25.

[7] 劉振亞.特高壓直流輸電理論 (第一版)[M].北京：中國電力出版社,2009,31-50.

[8] 余建國,楊明,羅海云.天廣直流輸電工程換流站中新技術的應用 [J].電網技術,2002,26(4)：52-54.

[9] 朱韜析,王超,張雪松,等.淺析空載投入換流變壓器對直流輸電系統的影響 [J].電力系統自動化,2007,31(23)：109-110.

Application and Analysis of Inrush Current Suppression Device in the Converter Station of Zhaotong HVDC Project

SONG Jie
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217)

The opening phase angle is related to the polarity and value of magnetic,while the closing phase angle is related to the polarity and value of bias.As long as controlling the closing phase angle of the power supply voltage with no-load and making sure the remanence polarity in the last power off time,it is achieved that the remanence polarity is opposite to the bias polarity and the field saturation disappears.Thereby,the suppression of inrush current may be achieved.

Inrush current;suppression;connection with pre-selecting electrical phase

TM85

B

1006-7345(2014)03-0067-04

2013-12-24

宋潔 (1984),女,工程師,云南電網公司電力研究院,主要從事繼電保護專業工作 (e-mail)778579901@qq.com。