特高壓換流變壓器閥側套管末屏鐵磁諧振過電壓分析

唐　明，丁理杰，湯　凡，陳　剛

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都　610072)

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特高壓換流變壓器閥側套管末屏鐵磁諧振過電壓分析

唐明，丁理杰，湯凡，陳剛

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都610072)

摘要：研究了特高壓換流站高端換流變壓器閥側套管末屏電壓由高端閥組充電轉連接過程所誘發的鐵磁諧振過電壓機理，并結合現場實際參數采用PSCAD電磁暫態仿真軟件進行了詳細分析。提出了依靠增大阻尼來抑制鐵磁諧振的方法，并分析了其對末屏電壓精度和相位的影響。

關鍵詞：特高壓；換流變壓器；鐵磁諧振

Abstract：Ferroresonance over-voltage mechanism of bushing end shield at valve side of ultra-high voltage (UHV) converter transformer caused by charging to connection is researched and analyzed in detail with PSCAD model based on the actual parameters of the site. A method of increasing the damping resistor is proposed to inhibit the ferroresonance, and its influences on the voltage accuracy of end shield and the phase are also analyzed.

Key words：ultra-high voltage;converter transformer；ferroresonance

0引言

隨著中國“西電東送”能源戰略逐步推進和進一步深化，特高壓換流站的安全穩定運行成為維持清潔能源持續外送的重要保障。

溪浙特高壓直流輸電工程，作為目前川內輸送容量最大的特高壓線路，卻經常受到各類線路故障、設備缺陷、通信阻塞等影響而不能滿功率運行，其中換流變壓器閥側套管末屏處發生的鐵磁諧振過電壓故障在系統調試期間和投運之后均有發生。因此，對其進行機理研究和有效治理對特高壓換流站的安全穩定運行意義重大。

鐵磁諧振是一個長期困擾電力系統安全穩定運行的復雜問題，多發生于非線性電感與電容串聯或并聯的電路中，其所引發的諧振過電壓、過電流可達額定電壓、電流的數倍。鐵磁諧振過電壓不僅會在操作或故障的過程中產生，而且可能在暫態過程結束后的較長時間內穩定存在，不但威脅著電氣設備的絕緣，還會產生持續的過電流燒毀設備，造成絕緣閃絡、避雷器爆炸等嚴重的停電事故。

特高壓換流變壓器閥側套管末屏是閥側繞組電壓的重要監測節點，與其后的電壓采集器共同構成了典型的電容式電壓互感器結構。特高壓換流站在投入高端閥廳時進行的充電轉連接操作將會通過與換流閥并聯的RC回路耦合至換流變壓器的閥側繞組產生暫態擾動，使電壓采集器中的電感進入飽和區，在換流變壓器閥側套管末屏和電壓采集器構成的回路中形成穩定的鐵磁諧振現象。

研究了特高壓換流站換流變壓器閥側套管末屏鐵磁諧振的機理，并基于PSCAD電磁暫態仿真軟件對故障進行了仿真，給出了多種抑制措施及其優劣分析。

1套管末屏鐵磁諧振過電壓故障梳理

2015年7月，特高壓宜賓換流站極Ⅱ高端閥組由充電轉連接的過程中，閥組A、B、C 3套保護同時發出“YD換流變閥側電壓互感器A相故障”告警，如圖1所示。

故障前，極Ⅰ高端、極Ⅰ低端、極Ⅱ低端均為滿載運行，直流側雙極功率6 000 MW。極Ⅱ高端6臺換流變壓器均已充電，但換流閥仍處于閉鎖狀態。此時宜賓換流站的極Ⅰ出線電壓為+800 kV，極Ⅱ出線電壓為-400 kV。在將極Ⅱ高端投入運行的過程中，轉連接過程的操作示意圖如圖2所示(其中加粗部分為帶電線路)。

圖1　極Ⅱ高端各換流變壓器閥側套管末屏電壓錄波

圖2　極Ⅱ高端閥組充電轉連接示意圖

轉連接操作使極Ⅱ高端出線刀閘閉合與極Ⅱ低端-400 kV極線相連，此操作將導致極Ⅱ低端的-400 kV通過閥組間并聯的RC阻容回路耦合至換流變壓器的閥側套管，形成擾動。圖2中加粗部分為-400 kV電壓對極Ⅱ高端YDA相換流變壓器閥側套管的傳導回路(其他換流變壓器及其傳導回路未畫出)。

由圖1所示的極Ⅱ高端各換流變壓器閥側電壓錄波可以看出，充電轉連接的操作給6臺換流變壓器均造成一定程度的負向電壓跌落，其余5臺換流變壓器的閥側繞組末屏電壓經過短暫的過渡過程均能回到穩態。只有YDA相換流變壓器的閥側套管末屏電壓產生了穩定的諧振過電壓現象。對其電壓進行傅里葉頻譜分析，結果如圖3所示。

圖3　末屏諧振電壓的頻譜分析

由圖3可以看出，工頻分量的幅值約為82.3 V，1/3次諧波的分量幅值約為167.9 V，約為工頻分量的2倍左右。進一步分析可知，1/3次諧波的相位約滯后工頻分量π/2。由上述數據分析可以初步認定極Ⅱ高端YDA相換流變壓器閥側套管末屏發生了典型的1/3分頻鐵磁諧振現象。

換流變壓器閥側套管末屏分壓原理及其諧振回路如圖4所示。

圖4　套管末屏諧振回路

電壓采集器的核心元件為一臺含有鐵心的變壓器，如圖5所示。

該電壓采集器內部由3個結構參數完全一致的小TV組成，主要完成ABC三相電壓變換功能，變比為50∶1，其中A通道的具體電路如圖6所示，主要參數如表1所示。

需要特殊說明的是，特高壓換流站均采用3套保護，且“國家電網公司十八項重大反事故措施”規定3套保護必須經由3個不同TV采集而得，禁止由同一端口引入。因此每臺換流變壓器的閥側套管末屏均與3套電壓采集器并聯，其等效阻抗將變為單臺阻抗的1/3。

圖5　電壓采集器實物圖

圖6　電壓采集器一路通道具體電路

參數數值R1/Ω1000一次側非飽和阻抗/kΩ333一次側漏抗/Ω175一次側直阻/kΩ1.42一次側額定電壓/V63.51一次側非飽和電感/H1061

該變壓器的勵磁特性曲線如圖7所示。

圖7　單臺電壓采集器的勵磁特性曲線

2鐵磁諧振的PSCAD仿真

圖8所示為鐵磁諧振的PSCAD模型主體部分，為充分模擬現場工況，各元件參數均與現場實際保持一致。

圖8　換流變壓器閥側套管鐵磁諧振的PSCAD模型

采用斷路器加恒壓源的模式來模擬換流站極Ⅱ高端閥組充電轉連接的操作，電壓采集器的伏安特性曲線采用圖7中的測試結果，仿真結果及其與錄波圖的對比如圖9所示。

圖9　套管末屏電壓的PSCAD仿真結果及錄波圖

仿真結果表明，套管末屏兩端電壓，在充電轉連接的操作下，確實有可能進入穩定的分頻諧振狀態，在現場參數的條件下，仿真結果也是三分頻的幅值約為工頻分量幅值的兩倍。

3鐵磁諧振抑制措施及其優劣分析

通常，工程界認為鐵磁諧振現象的產生主要取決于回路的容抗和感抗的比值Xc/XL：

1)當Xc/XL=0.01～0.07時，發生分頻諧振；

2)當Xc/XL=0.07～0.55時，發生基頻諧振；

3)當Xc/XL=0.55～2.8 時，發生高頻諧振；

4)當Xc/XL<0.01或Xc/XL>2.8時，較難發生諧振。

因此，可以通過調整容抗和感抗的比值來降低鐵磁諧振發生的概率。

1)減小容抗及其優劣

增大閥側套管的末屏電容或在末屏分壓器兩端并聯更多的電容可以達到減小容抗的目的。然而閥側套管的末屏電容很明顯無法改變，在其兩端并聯更多的電容雖然可以實現但將改變其分壓系數，二次屏柜的保護、測控等系統需要重新整定，且過低的電壓對其AD采樣精度也帶來更大的挑戰。

2)增大感抗及其優劣

對電壓采集器的勵磁特性進行重新設計可以增大其感抗，也可以通過串聯更多的電壓采集器來實現，但均會導致設備體積的增大。

增大電抗可以限制勵磁電流，等效于提高了鐵磁材料的飽和點，但這種方法受限于鐵磁材料的特性，不能無限提高其飽和點。而在閥組充電轉連接的操作過程中，-400 kV的電壓擾動能量非常大，電壓采集器將無可避免地進入飽和區。因此增大感抗的方法作用有限。

圖10　串入電阻對電壓采集器精度的影響

圖11　串入電阻對電壓采集器相位的影響

3)增大阻尼

既然-400 kV的擾動無法避免，那么限制和盡快消耗飽和區儲存的多余能量才是防止其進入穩態諧振的有效方法。在現有的電壓采集器中，一次側串聯了1 kΩ的電阻，適當增大該電阻的阻值是提高阻尼最簡單易行的辦法。PSCAD仿真結果表明，將電阻阻值提高至5 kΩ以上，將不會發生穩定的諧振。阻值增加之后對電壓采集器精度和相位的影響如圖10和圖11所示。

由圖10、圖11可知串入電阻對電壓采集器的精度和相位的影響非常有限。在串入電阻為10 kΩ時對精度的影響在萬分之一以內，相位誤差在0.1°以內。在有效抑制鐵磁諧振的同時對二次側保護和測控的影響非常小。

4結論

特高壓換流站高端閥組在充電轉連接的操作時所產生的激勵電壓會對高端閥廳中的6臺換流變壓器閥側繞組造成很大擾動，容易造成換流變壓器閥側套管末屏電壓進入穩定的鐵磁諧振狀態。前面分析了該類故障的誘因及其形成機理，并通過PSCAD電磁暫態軟件結合現場實際參數進行了仿真，結果表明在一定的參數配合下，閥側套管末屏電壓確有進入穩態諧振的風險。提出了增大電壓采集器內部電阻來抑制諧振的方法，分析了其對電壓采集精度和相位的影響，為特高壓換流站的安全穩定運行提供了有力的理論支撐。

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中圖分類號：TM713

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)02-0020-04

作者簡介：

唐明(1986)，博士、工程師，主要從事電力系統穩定分析與控制的研究。

(收稿日期：2015-11-13)