±800 kV特高壓換流站換流變空載充電勵(lì)磁涌流分析

顧元強(qiáng)

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 檢修分公司，江蘇 南京 211100）

0 引 言

換流變充電操作是直流系統(tǒng)啟動(dòng)調(diào)試、極開路實(shí)驗(yàn)以及投運(yùn)階段最基本的操作，是直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提保證。換流變充電時(shí)，由于換流變鐵芯磁路飽和會(huì)出現(xiàn)較大的勵(lì)磁涌流，因此在生產(chǎn)過程中勵(lì)磁涌流引起的換流變充電異常時(shí)有發(fā)生。

本文將根據(jù)某換流站的實(shí)際情況，介紹勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理與基礎(chǔ)、某換流站換流變充電步驟以及相應(yīng)交流場開關(guān)的合閘策略，結(jié)合高低端換流變自身固有特性參數(shù)（空心電抗、勵(lì)磁曲線、合閘電阻等）及分層接入交流系統(tǒng)強(qiáng)弱，分析對(duì)某換流站高低端換流變勵(lì)磁涌流的影響。最后對(duì)極1高端一起充電異常進(jìn)行分析，分析理解異常產(chǎn)生的根本原因。

1 勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)換流變處于正常運(yùn)行或者外部故障的狀態(tài)時(shí)，其鐵芯往往處于非飽和狀態(tài)，即表現(xiàn)出繞組的勵(lì)磁電感大、勵(lì)磁電流相對(duì)于額定電流小的特點(diǎn)。換流變空載合閘或者外部故障排除后，在電壓恢復(fù)過程中，換流變鐵心飽和，勵(lì)磁電感變小，此時(shí)產(chǎn)生大的暫態(tài)勵(lì)磁電流，即勵(lì)磁涌流[1]。

參照典型單變壓器空載等效電路，假設(shè)t為零時(shí)換流變空載合閘，合閘時(shí)電源電壓相角為α，電源側(cè)電壓為：

則換流變空載合閘時(shí)的磁鏈方程為：

式中，LT=Lσ+Lm，RT=Rσ+Rm，RT為換流變等效電阻；LT為換流變等效電感；Rs為交流系統(tǒng)等效電阻；Ls為交流系統(tǒng)等效電感；Rσ為換流變一次回路漏電阻；Lσ為換流變一次回路漏電感；Rm為換流變勵(lì)磁電阻；Lm為換流變勵(lì)磁電抗；Φr為換流變鐵芯剩磁；Φm為換流變鐵芯穩(wěn)態(tài)磁鏈幅值；φ為阻抗角；τ為時(shí)間常數(shù)。

從式（2）可知，由于合閘回路電感要遠(yuǎn)大于回路電阻，即φ≈90°。所以，當(dāng)合閘角α=0時(shí)，由于周期磁通、非周期磁通和剩磁的作用，勵(lì)磁涌流將在半個(gè)周期后達(dá)到最大值。交流系統(tǒng)中地Rs、Ls將影響穩(wěn)態(tài)磁通Φm和時(shí)間常數(shù)τ。當(dāng)Rs和Ls增大時(shí)，Φm減小，即換流變勵(lì)磁涌流的幅值減小，Ls越大，Rs越小，τ越大，衰減速率越小。換流變RT、LT將影響穩(wěn)態(tài)磁通Φm和時(shí)間常數(shù)τ，影響規(guī)律同交流系統(tǒng)中的Rs和Ls。

2 換流變勵(lì)磁涌流影響因素分析

2.1 某換流站換流變充電過程

某換流站換流變壓器的充電由運(yùn)行人員在工作站上手動(dòng)操作兩側(cè)隔離刀閘和開關(guān)完成，并且同時(shí)需要滿足相關(guān)聯(lián)鎖條件[2]。其就地測控系統(tǒng)采用許繼的DFU410測控裝置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、同期聯(lián)鎖控制以及SOE事件記錄等功能。

開關(guān)的合閘就地由DFU410裝置的同期聯(lián)鎖控制判別[3]。裝置提供應(yīng)用于兩個(gè)系統(tǒng)間并網(wǎng)操作的合閘同期檢測及同期合閘控制功能。同期合閘的子網(wǎng)可以通過DFU410DIA手動(dòng)設(shè)置為同頻或非同頻網(wǎng)，也可以選擇由程序自動(dòng)判別網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，從而選擇最佳的同期合閘判據(jù)。

對(duì)于同頻系統(tǒng)并網(wǎng)，裝置在檢測到壓差Δu（2.00 V）、頻差 Δf（20 mHz）、角差 Δα（10.00°）滿足條件下的情況下即可快速合閘。對(duì)于非同頻系統(tǒng)并網(wǎng)，裝置在檢測壓差Δu（2.00 V）、頻差Δf（0.10 Hz）、頻率加速度 dΔf/dt（0.2 Hz/s）滿足的前提下，準(zhǔn)確快速地捕捉第一次出現(xiàn)的同期合閘點(diǎn)，以設(shè)定的導(dǎo)前時(shí)間發(fā)出同期合閘命令，實(shí)現(xiàn)快速無沖擊合閘。

裝置同時(shí)支持檢無壓操作，即可選擇一側(cè)失壓一側(cè)有壓，或兩側(cè)均失壓情況下的合閘控制輸出。在出現(xiàn)失壓故障、交流模擬量輸入模塊故障、通道故障、斷路器位置異常時(shí)裝置將閉鎖同期出口。

2.2 合閘電阻、均壓電容對(duì)于勵(lì)磁涌流的影響

一是合閘電阻對(duì)換流變勵(lì)磁涌流的限制作用。在同樣的初始相角合閘，斷路器帶有1 500 Ω合閘電阻投入時(shí)，合閘電阻對(duì)勵(lì)磁涌流有較好的抑制作用，勵(lì)磁涌流峰值明顯減小[4]。

二是均壓電容對(duì)換流變勵(lì)磁涌流的限制作用。斷路器合閘時(shí)，預(yù)充電壓高低和預(yù)充時(shí)間長短將影響換流變鐵芯的非周期分量。增大均壓電容和延長預(yù)充時(shí)間，都可以換流變勵(lì)磁涌流得到抑制[5]。由于均壓電容過大，重燃電流的幅值和衰減時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增大，進(jìn)而負(fù)面作用于雙斷口斷路器。另外，在雙斷口斷路器的均壓電容超過4 000 pF時(shí)，時(shí)間常數(shù)將隨著均壓電容的增大而減小，且其速率很小。所以綜合考慮，將4 000 pF定為均壓電容建議值。

某換流站高端和低端換流變進(jìn)線開關(guān)均配置了1 500 Ω合閘電阻，而低端換流變進(jìn)線開關(guān)同時(shí)配置了均壓電容。由此對(duì)比，低端換流變相比于高端換流變，在空載合閘時(shí)，合閘電阻和均壓電容能夠更好地抑制勵(lì)磁涌流。

2.3 本體參數(shù)對(duì)于勵(lì)磁涌流的影響

通常換流變勵(lì)磁曲線可分為磁路飽和段和磁路不飽和段。勵(lì)磁曲線的飽和段可用空心電抗的特性曲線做漸近線，空心電抗LA的特性曲線為：

式中，ΦK為飽和特性的拐點(diǎn)。

工程中，空心電抗值一般取換流變漏抗的兩倍。因此LA越大，飽和段越平坦，涌流越小。ΦK越大，飽和直線與Y軸的交點(diǎn)越大，換流變不飽和段越寬，涌流越小[6]。

由于某換流站分層接入的特殊性，高端和低端換流變分別接入500 kV和1 000 kV交流系統(tǒng)，因此低端換流變的空心電抗大于高端換流變的空心電抗值[7]。在拐點(diǎn)值保持不變時(shí)，低端換流變能更好的抑制換流變空載充電時(shí)的勵(lì)磁涌流。

變壓器的空載損耗是變壓器的鐵損和銅損之和，鐵損取決于電壓，與負(fù)載無關(guān)。銅損與負(fù)載電流有關(guān)，負(fù)載電流越大，銅損越大[8]。由于鐵芯非線性及磁滯效應(yīng)等，勵(lì)磁電流不是正弦波，勵(lì)磁電流與它所產(chǎn)生的主磁通呈非線性關(guān)系。勵(lì)磁電流呈尖頂波，除基波分量以外，三次諧波分量為最大，如表1所示。變壓器空載時(shí)，勵(lì)磁電流占了空載電流的主要成分，因此勵(lì)磁電流亦為尖頂波[9]。

表1 某換流站高端、低端換流變不同激磁電流下的諧波分量

變壓器帶載后，一次電流的增大，而勵(lì)磁電流不變，諧波的比例減小，波形逐漸接近正弦波。由表1可知，高端換流變勵(lì)磁電流諧波比例減小速率小于低端換流變，低端換流變的一次電流波形可以更快速的接近于正弦波。

2.4 系統(tǒng)阻抗對(duì)于勵(lì)磁涌流的影響

從式（2）中可得出，交流系統(tǒng)等效阻抗也對(duì)換流變勵(lì)磁涌流有限制作用。在直流輸電工程中常用短路比（Short Circuit Ratio，SCR）來衡量交流系統(tǒng)的強(qiáng)弱。對(duì)于某換流站分層介入系統(tǒng)，直流側(cè)高低端換流器之間平均分配直流功率，交流側(cè)通過變壓器等條件實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)系。分層接入短路比為：

式中，RHCSCRi為第i層的短路比；|Zi|為第i層的阻抗；|Zij|為兩層交流系統(tǒng)見的耦合阻抗。在式（4）的分層接入方式下，500 kV和1 000 kV受端系統(tǒng)的短路比均有顯著提高，較強(qiáng)的受端系統(tǒng)對(duì)較弱的受端系統(tǒng)具有一定的支撐能力[10]。然而某換流站1 000 kV交流系統(tǒng)仍然較弱，其系統(tǒng)阻抗也小于500 kV交流系統(tǒng)，因此1 000 kV交流系統(tǒng)對(duì)于低端換流變勵(lì)磁涌流的影響體現(xiàn)在低端換流變勵(lì)磁涌流較于高端系統(tǒng)衰減慢。

3 某換流站某次極1高端換流變充電異常分析

3.1 事件概述

某換流站雙極高端同時(shí)接入500 kV交流系統(tǒng)，異常動(dòng)作前極2高端換流變已接入交流系統(tǒng)運(yùn)行，2020年10月3日19：03，在對(duì)極1高端換流變進(jìn)行空載充電后，500 kV交流母線電壓急速下降，極2高端交流電壓換相失敗預(yù)測動(dòng)作、AMIN換相失敗預(yù)測動(dòng)作告警，Q控投入5652小組交流濾波器，35 s后切除，電壓恢復(fù)。

3.2 異常分析

異常發(fā)生后，檢查閥組內(nèi)置故障錄波，整個(gè)異常發(fā)生過程如圖1所示。

圖1 異常發(fā)生時(shí)網(wǎng)側(cè)電流及相關(guān)數(shù)據(jù)模擬量

C相換流變?cè)诔潆娗拔催M(jìn)行消磁工作，充電后500 kV交流系統(tǒng)側(cè)產(chǎn)生了典型的勵(lì)磁涌流，交流系統(tǒng)C相產(chǎn)生大量諧波，導(dǎo)致極2高端交流電壓換相失敗預(yù)測動(dòng)作、AMIN換相失敗預(yù)測動(dòng)作告警以及極1高端諧波換相失敗預(yù)測動(dòng)作告警。由于變壓器的空載電流主要用于勵(lì)磁，而勵(lì)磁電流屬于無功電流，因此變壓器空載時(shí)的功率因數(shù)較低，同時(shí)消耗大量無功，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓在瞬時(shí)急速將下降。

4 結(jié) 論

本文依據(jù)某換流站的實(shí)際情況，綜合上述各項(xiàng)分析，得出低端換流變充電時(shí)較于高端換流變對(duì)于勵(lì)磁涌流衰減速率更快，效果更好。同時(shí)由于系統(tǒng)波動(dòng)以及變壓器剩磁，易引起勵(lì)磁涌流，引起某換流站換流變充電異常，嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)作情況，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。