云廣特高壓直流換流變壓器運(yùn)行維護(hù)特性研究

柳坤 阮峻 薛慶會(huì) 王亞楠 田微

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.14.014

摘 要：通過(guò)總結(jié)±800 kV云廣直流換流變壓器自2010年4月～2015年8月出現(xiàn)的主要問(wèn)題，利用油色譜數(shù)據(jù)分析換流變壓器在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的具體問(wèn)題，研究變壓器油中特殊氣體與換流變壓器故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而得到該直流換流變壓器的故障判定規(guī)律。

關(guān)鍵詞：換流變壓器 特高壓 油色譜技術(shù) 乙炔 故障

中圖分類(lèi)號(hào)：TM721 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）05（b）-0014-03

±800 kV云廣直流輸電工程是世界上第一個(gè)特高壓直流輸電工程。在直流輸電工程中，換流變壓器壓器作為核心設(shè)備，其故障率將直接影響整條直流線(xiàn)路的可靠性。對(duì)于目前世界上輸電容量最大的直流輸電工程，如果在某種未知誘因下發(fā)生故障，將會(huì)有可能導(dǎo)致整個(gè)特高壓直流系統(tǒng)失控，南方電網(wǎng)將在瞬間損失5 000 MW的負(fù)荷，由此帶來(lái)的嚴(yán)重后果無(wú)法估量。因此，換流變壓器的正常運(yùn)行維護(hù)特性研究具有重要的意義。

目前對(duì)換流變壓器進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析的主要方法還是變壓器油色譜分析法，但是由于換流變壓器本身的特殊性，在正常運(yùn)行過(guò)程中不同于普通變壓器，而目前采用的傳統(tǒng)方法如變壓器油中氣體判斷“三比值法”等對(duì)于換流變壓器適用性較差。該文通過(guò)實(shí)例對(duì)云廣特高壓直流輸電工程26臺(tái)換流變壓器自2010年4月～2015年8月變壓器油色譜數(shù)據(jù)與已經(jīng)發(fā)生的故障進(jìn)行了分析研究，對(duì)換流變壓器運(yùn)行維護(hù)特性進(jìn)行了總結(jié)。

1 云廣特高壓直流楚雄換流站換流變壓器、站用變壓器油色譜數(shù)據(jù)分析

目前有±800 kV云廣直流輸電工程26臺(tái)變壓器5年油色譜分析數(shù)據(jù)。大致情況如下：其中極1高端012B換流變B相和C相兩臺(tái)換流變壓器曾出現(xiàn)故障，并于2011年更換換流變壓器之后正常運(yùn)行；其中6臺(tái)低端200 kV LD換流變壓器乙炔含量和增長(zhǎng)速度均超過(guò)注意值，但在經(jīng)過(guò)變壓器油過(guò)濾操作之后均正常工作；其余換流變壓器油色譜數(shù)據(jù)均未超過(guò)注意值。由經(jīng)驗(yàn)可知換流變壓器在正常運(yùn)行情況下就會(huì)產(chǎn)生乙炔，而站用變壓器在正常工作的情況下是不會(huì)產(chǎn)生乙炔的。另外通過(guò)以上幾種換流變壓器這幾年的油色譜分析數(shù)據(jù)比較，可以總結(jié)出換流變壓器油中稀有氣體乙炔含量以及產(chǎn)生速度與其內(nèi)部故障有一定關(guān)系。

2 換流變壓器產(chǎn)生乙炔問(wèn)題分析

2.1 高壓直流輸電工程中換流變壓器結(jié)構(gòu)特征

在高壓直流輸電工程中，因適應(yīng)閥組各種不同運(yùn)行工況、閥側(cè)電壓調(diào)節(jié)范圍需求較大等原因，換流變壓器一般調(diào)壓檔位較多。如云廣特高壓直流輸電示范工程中送端楚雄換流站換流變壓器調(diào)壓檔位均為25檔。在此情況下，換流變壓器均將調(diào)壓方式設(shè)計(jì)為正反調(diào)壓，這樣換流變僅需一半調(diào)壓檔位線(xiàn)圈就可滿(mǎn)足工程需要。這也是高壓直流輸電工程中常用的調(diào)壓方式。國(guó)內(nèi)從葛-南工程、三峽送出工程、云廣工程到向上工程，所有運(yùn)行和在建的高壓、特高壓直流輸電工程中換流變壓器調(diào)壓方式均如此。其調(diào)壓原理見(jiàn)圖1所示。

由圖1可以看出，通過(guò)極性轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換，12個(gè)檔位的調(diào)壓線(xiàn)圈，就可實(shí)現(xiàn)25檔的功能需求。另外從本次提供的色譜數(shù)據(jù)分析結(jié)果中可以看出，在工程運(yùn)行中，換流變壓器調(diào)壓開(kāi)關(guān)的極性轉(zhuǎn)換次數(shù)增多時(shí)，乙炔產(chǎn)氣量相應(yīng)增大。

2.2 有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)在極性轉(zhuǎn)換時(shí)的放電機(jī)理分析

高壓直流換流變壓器調(diào)壓線(xiàn)圈檔位較多。一般換流變壓器在設(shè)計(jì)調(diào)壓線(xiàn)圈時(shí)，無(wú)論調(diào)壓線(xiàn)圈布置在最內(nèi)徑側(cè)緊靠鐵心還是布置在最外徑側(cè)緊靠油箱，均形成如下的調(diào)壓原理，其原理圖見(jiàn)圖2（調(diào)壓在最外側(cè)）。

在此情況下，開(kāi)關(guān)恢復(fù)電壓計(jì)算如下：

× （1）

當(dāng)開(kāi)關(guān)K極性為正時(shí)，為正；當(dāng)開(kāi)關(guān)K極性為負(fù)時(shí)，為負(fù)；C1為高、調(diào)繞組間電容；C2為調(diào)壓繞組對(duì)地電容。

這樣在有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)極性開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，其極性開(kāi)關(guān)均要切換恢復(fù)電壓。為限制此電壓，有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)在極性開(kāi)關(guān)動(dòng)作前，在調(diào)壓線(xiàn)圈的中間檔，先接入一個(gè)電位電阻Rp，可有效降低極性開(kāi)關(guān)切換時(shí)在極性檔位之間的放電。如圖3所示。

盡管接入了電位電阻，有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)在極性開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，仍需切換部分線(xiàn)圈對(duì)地電容電壓，在這種情況下，極性開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)仍然會(huì)引起觸頭間的火花放電，由于放電能量微小，僅產(chǎn)生少量放電性特征氣體乙炔，在油色譜分析中，就可檢測(cè)到少量乙炔氣體。

3 LD換流變壓器乙炔高于其它三種結(jié)構(gòu)規(guī)格換流變壓器的分析

云廣工程楚雄換流站運(yùn)行期間的色譜分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，LD換流變壓器在有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)在極性開(kāi)關(guān)動(dòng)作多時(shí)，特征氣體乙炔均有不同程度的增長(zhǎng)。

由色譜分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，所有換流變壓器均有少量乙炔，但低端200 kV LD換流變壓器乙炔含量高于低端400 kV LY換流變壓器、高端600 kV HD換流變壓器、高端800 kV HY換流變壓器，這是由于低端LD換流變不同與其它換流變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。

云廣工程換流變均為西門(mén)子結(jié)構(gòu)，在一般情況下，采用外調(diào)壓結(jié)構(gòu)，即鐵心—閥繞組—網(wǎng)繞組—調(diào)壓—油箱的布置方式；當(dāng)運(yùn)輸寬度超限時(shí)，采用鐵心—調(diào)壓繞組—網(wǎng)繞組—閥繞組—油箱的布置方式，即內(nèi)調(diào)壓結(jié)構(gòu)。云廣工程中，低端LD換流變?yōu)橥庹{(diào)壓結(jié)構(gòu)，低端LY換流變、高端HD、HY換流變受運(yùn)輸限制，均為內(nèi)調(diào)壓結(jié)構(gòu)。

從公式1中可以看出，調(diào)壓對(duì)地電容C2位于分母，在高、調(diào)之間電容C1變化不大時(shí)（內(nèi)調(diào)壓與外調(diào)壓差別不大），C2越大，開(kāi)關(guān)恢復(fù)電壓越低，能量越小，進(jìn)而產(chǎn)氣量越低。根據(jù)理論分析，內(nèi)調(diào)壓結(jié)構(gòu)下調(diào)壓繞組對(duì)地電容高于外調(diào)壓結(jié)構(gòu)下調(diào)壓繞組對(duì)地電容，因此，內(nèi)調(diào)壓繞組結(jié)構(gòu)換流變乙炔含量普遍低于外調(diào)壓結(jié)構(gòu)換流變，這個(gè)趨勢(shì)與該次色譜分析數(shù)據(jù)一致。經(jīng)過(guò)油過(guò)濾后，氣體含量有明顯降低，并且根據(jù)理論分析，可初步判斷換流變壓器無(wú)故障，后經(jīng)跟蹤油色譜分析和監(jiān)測(cè)，換流變壓器正常運(yùn)行。

4 故障換流變壓器乙炔分析

極1高端012B換流變B相和C相兩臺(tái)換流變壓器乙炔氣體產(chǎn)生速度明顯高于任何一臺(tái)變壓器，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于注意值，根據(jù)三比值判斷，如表1所示。

由表1可得：因?yàn)橐胰驳暮窟h(yuǎn)超注意值1，根據(jù)三比值法編碼為“212”，初步判斷的換流變壓器低能放電。隨后經(jīng)又進(jìn)行了超聲波定位，局放超聲定位發(fā)現(xiàn)兩個(gè)疑似聲源，其一位于閥側(cè)出線(xiàn)側(cè)面左下角下箱沿為原點(diǎn)，長(zhǎng)軸向右為X周正方向，垂直向上為Y軸正方向，垂直側(cè)面向里為Z軸正方向建立坐標(biāo)系O1中（4 150 mm，690 mm，490 mm）附近。此疑似放電源信號(hào)強(qiáng)烈，重復(fù)性高，定位結(jié)果集中，初步判斷為局部放電可能性極高。這一結(jié)論也驗(yàn)證了在換流變壓器中，乙炔的產(chǎn)生量在遠(yuǎn)超注意值的情況下三比值法也具有一定的適用性。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析可得，特高壓換流變壓器在正常運(yùn)行條件下也會(huì)產(chǎn)生乙炔，由于換流變壓器的特殊性，有載極性開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)以及換流變壓器排布結(jié)構(gòu)方式的不同也會(huì)導(dǎo)致乙炔含量和產(chǎn)氣速率高于注意值，不過(guò)只要在一定范圍內(nèi)都不會(huì)影響換流變壓器的正常運(yùn)行，如果乙炔含量一直增加并且產(chǎn)氣速率過(guò)快，可采用變壓器油“三比值”法進(jìn)行初步判斷是不是換流變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障，之后再做進(jìn)一步判斷處理。

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