特高壓直流換流變壓器勵磁涌流及其抑制

余世峰，聶定珍，項 冰

(國網北京經濟技術研究院，北京市102209)

0 引 言

在未來相當長一段時間內，中國電力流仍將呈現大規模“西電東送”和“北電南送”的總體格局，北部、西部規劃開發的大型水電、火電、風電將主要用于滿足中東部地區負荷中心用電需要。中國未來電網承擔著將西北、東北、內蒙古西部、四川西部及境外電力輸送至中國中東部負荷中心地區的任務，各大能源基地距離中東部負荷中心1 000 ～3 000 km，電網將呈現典型的大容量、遠距離輸送的特征。根據特高壓交直流輸電的技術特點，特高壓直流定位于大型能源基地的遠距離、大容量外送，西南水電基地、西北及新疆等煤電、風電基地和跨國電力等都可以通過直流輸送。在±800 kV的基礎上選擇±1 100 kV 作為特高壓直流輸電電壓等級的補充，輸電容量可達到10 000 MW 以上，電壓、輸電容量級差合理，有利于提高直流輸電的規模效益。準東、伊犁煤電基地距離中東部負荷中心較遠，為2 700 ～3 700 km，均在±1 100 kV 特高壓直流經濟輸送距離之內，未來10年，準東、伊犁煤電基地將新增外送電力約40 GW，應考慮采用±1 100 kV特高壓直流輸送到華中東四省(湖北、湖南、河南、江西)及川渝地區。

±1 100 kV 特高壓直流輸電技術發展的重點和難點在于大容量換流設備的制造及投運后交直流系統的安全穩定運行等方面［1-3］。換流變壓器是直流換流器的核心組成部分，隨著直流輸電電壓的提高，單臺換流變壓器容量進一步增大，短路阻抗進一步上升，其運行特性尤其值得關注。

直流系統啟動時，首先需要將系統由極隔離狀態轉為極連接狀態，此過程中，換流閥保持閉鎖，實際換流變壓器處于空載狀態。當換流變壓器進行空載合閘操作時，由于變壓器鐵心磁路飽和，可能出現很大的沖擊電流，此電流稱為換流變壓器勵磁涌流。對于換流變壓器，若不采取適當的措施，則可能引起變壓器保護的誤動作，從而導致充電失敗，變壓器不能順利的投入工作［4-10］。本文基于±1 100 kV 特高壓直流用高壓端換流變壓器，建立電磁暫態仿真模型研究系統短路容量、合閘電阻以及選相合閘對勵磁涌流的影響及抑制作用。

1 換流變勵磁涌流機理研究

變壓器處于正常運行或外部故障狀態下，鐵心通常處于不飽和狀態，呈現出繞組勵磁電感大的特性，勵磁電流相對額定電流較小。當變壓器空載合閘操作或外部故障切除后，電壓恢復過程中，變壓器鐵心飽和，呈現出勵磁電感變小的特性，將產生一個較大的暫態勵磁電流，該電流即為勵磁涌流。涌流電流通常可達額定電流的數倍，勵磁涌流的存在，可能導致變壓器差動保護誤動［11-13］。

特高壓直流工程用換流變壓器多采用單相變壓器，單相變壓器勵磁涌流產生與變壓器鐵心的飽和有關，飽和磁化曲線，如圖1［14-15］所示。

圖1 變壓器磁化曲線Fig.1 Magnetization curve of transformer

設合閘時，電源電勢為E=Umsin(ωt+α)。變壓器電源電壓按純正弦，電源內阻不計考慮，則回路中電壓與磁通φ 的關系可表達為

式中:Um為系統電壓最大值;t 為時間;ω 為角頻率;α為合閘相位角。

變壓器空載合閘時，鐵心磁通的表達式為

式中:φm為合閘瞬間電壓在鐵芯中建立的磁通的最大值;φr為剩磁通。

t0時刻合閘，令合閘初相角α =0，則上式化為

當ωt =π，即經過半個周期后，回路中磁通達到最大值φ=2φm+φr，當該值超過飽和磁通φs時，磁路飽和，即出現勵磁涌流，如圖2 所示。

圖2 勵磁涌流原理Fig.2 Principle of magnetizing inrush current

勵磁涌流僅見于圖2 中y =φs以上的部分，涌流的間斷角度為2θ0。從公式可以看出，剩磁和合閘角度共同決定了勵磁涌流的峰值。當合閘角度為0 時，θ0可取得最小值為，此時飽和最為嚴重。

根據以上推導，可知單相變壓器勵磁涌流特點:(1)波形偏時間軸的一側，呈尖頂波形;(2)涌流的大小受合閘角度的影響，合閘角為90°時，勵磁涌流最小;(3)是否出現勵磁涌流與剩磁有關，若φm與φr之和未超過飽和磁通φs，則無勵磁涌流現象;(4)勵磁涌流有間斷角，間斷角范圍內磁通不飽和，間斷角越小，飽和越嚴重;(5)根據實際存在的磁阻和合閘電阻，勵磁涌流含有非周期分量，波形是衰減的。

2 勵磁電流影響因素分析

2.1 電磁暫態模型的建立

2.1.1 ±1 100 kV 特高壓直流主回路參數

±1 100 kV 特高壓直流工程是目前直流最高電壓等級，經過前期研究，暫推薦額定輸送功率12 000 MW，受端換流站考慮直接接入500 kV 交流電網、高低端換流器分別接入500 kV 和1 000 kV 交流電網以及高低端換流器全部接入1 000 kV 交流電網(采用帶500 kV 中間抽頭的換流變或通過500/1 000 kV聯變的方式)等3 種方式。

主回路計算得到的換流變壓器主要參數見表1 ～3。

表1 送端換流變參數Tab.1 Parameters of sending-end converter transformer

表2 受端高端換流變參數Tab.2 Parameters of receiving-end high voltage converter transformer

表3 受端低端換流變參數Tab.3 Parameters of receiving-end low voltage converter transformer

2.1.2 特高壓換流變壓器磁化特性曲線

換流變壓器短路阻抗一方面能夠限制直流側短路時的故障電流，保護閥設備，另一方面過大的短路阻抗會導致無功損耗的增加。該參數與換流變壓器實際設計、制造以及運輸條件等有關，且在其自然阻抗附近根據實際需要優化。目前在建或在運±800 kV特高壓直流換流變壓器的短路阻抗為16.7% ～20%，根據目前研究，±1 100 kV 特高壓直流換流變壓器短路阻抗可能達到并超過22%。

為了補償換流變壓器交流網側電壓的變化，將觸發角運行在適當的范圍內以保證運行的安全性和經濟性，要求有載調壓分解開關具有一定的調壓范圍。

換流變壓器的勵磁特性曲線在電壓超過額定電壓后，呈現明顯的飽和特性。勵磁特性曲線與鐵心材料、尺寸等條件有關。通常，由于工程系統參數、設計理念、技術路線、制造供貨商、換流站位置、高低壓端、聯接方式的不同，換流變壓器的勵磁特性曲線存在差異。

工程中通常采用U －I 特性曲線表征變壓器飽和特性，根據±800 kV 特高壓換流變壓器實驗測量結果描繪U －I 特性曲線如圖3 所示，圖中依次標注了兩端換流站高壓端Yy 換流變壓器、高壓端Yd 換流變壓器、低壓端Yy 換流變壓器、低壓端Yd 換流變壓器飽和特性。

圖3 ±800 kV 特高壓直流換流變壓器典型磁化特性曲線Fig.3 Typical magnetization characteristic curves of±800kV UHVDC converter transformer

由圖3 可知，當換流變壓器電壓高于額定電壓后，出現明顯的飽和，勵磁涌流顯著增加。換流變按照圖中順序，U －I 曲線依次下降，即按照現有設計，特高壓直流高壓端的換流變壓器在空載合閘時，更容易產生較大的勵磁涌流。

根據調研，換流變壓器勵磁特性曲線只與鐵心大小和所選磁密有關，因此，分層接入方式對換流變壓器及其勵磁特性曲線的影響很小，只與換流變壓器所用鐵心大小和所選磁密有關。

根據換流變壓器制造廠家提供的資料，±1 100 kV高壓端換流變壓器按照型號ZZDFPZ-541500/750 －1100，阻抗22%，閥Y 側測量，保守估計，空載損耗約365 kW，低壓端按照型號ZZDFPZ-541500/750 －550，阻抗22%，閥Y 側測量，保守估計，空載損耗約210 kW，其他數據可根據錦屏項目所提供曲線進行擬合。由于實際情況根據所用硅鋼片型號會有較大變化，以上數據偏差會較大，大過容量的影響，因此，傳輸容量11 000 MW和12 000 MW 可以使用同一曲線。

2.1.3 電磁暫態模型的建立

本文所采用變壓器模型為特高壓直流換流變壓器。換流變壓器是聯接交流系統與換流閥的電力變壓器，能夠為換流閥提供一個中性點不接地的三相換相電壓。換流變壓器與換流閥是構成換流單元的主體。換流變壓器參數需要考慮短路阻抗、有載調壓開關設置以及飽和特性的影響。

建立用于特高壓直流換流變壓器勵磁涌流用的電磁暫態模型。其中，變壓器飽和曲線根據實際換流變壓器U －I 特性表征。模型中，為考慮空載合閘影響，換流變壓器閥側可認為是開路狀態，需要建立符合實際工程設計水平年的交流系統模型、換流變壓器模型(含飽和特性)、合閘電阻模型以及其他的開關模型等。

2.2 系統短路容量

在換流變空載合閘和故障后恢復過程中，系統短路容量將對穩定換流母線電壓影響顯著。利用電磁暫態仿真模型進行仿真研究，分別選擇典型工程交流系統設計水平年的最大短路電流63 kA 和最小短路電流11.7 kA 建立等效模型模擬換流變壓器空載合閘操作，其他仿真條件相同，換流變壓器交流側電流波形見圖4。

圖4 系統阻抗因素的影響Fig.4 Influence of system＇s impedance

由圖4 可知，系統短路容量較大時，換流變壓器勵磁涌流相應較大。系統短路容量對應于系統等值阻抗，系統短路電流越大，相應的系統阻抗越小，反之短路電流越小，則相應的系統阻抗越大;在充電回路中，相應的較高阻抗對勵磁涌流會起到限制作用，因此，系統短路容量大時，勵磁涌流較大。本文所研究對象系統在最大短路容量時的勵磁涌流較最小短路容量時高7%。

2.3 合閘電阻

為分析合閘電阻影響，假設不考慮單相換流變壓器漏抗，交流系統短路容量無窮大，設置合閘電阻，含合閘電阻的等效電路見圖5。

圖5 有合閘電阻的等效電路Fig.5 Equivalent circuit with closing resistor

電源合閘時電源電勢為Umsin(ωt +α)，則回路電壓方程為

式中:R 為斷路器合閘電阻;I 為合閘電流。為簡化說明，通常可把變壓器的基本磁化曲線作折線處理，如圖1 所示，設φ ＞φs時的電感為L，則設變壓器磁路飽和后，其靜態電感為L =(φ－φs)/I，代入式(4)可得:

將式(5)看作一個以φ 為未知函數的常系數線性微分方程，設在接通電源之前，鐵心內有剩磁φr存在，則一般解為

勵磁涌流為

由式(7)可知，合閘電阻除了具有降低勵磁涌流的峰值外，還具有加速衰減的效果。

圖6 為±800 kV 換流變合閘電阻對抑制勵磁涌流的影響效果。分別對無合閘電阻，800 Ω 合閘電阻以及1 600 Ω 合閘電阻的效果進行了比較，其他仿真條件相同。由仿真結果可知，800 Ω 合閘電阻和1 600 Ω合閘電阻下勵磁涌流的峰值分別僅為無合閘電阻時的7.0%和3.7%。因此，合閘電阻的存在對抑制勵磁涌流具有顯著效果，隨著合閘電阻進一步增加，抑制效果會較之前降低。

圖6 合閘電阻的影響Fig.6 Influence of closing resistor

2.4 選相合閘

合閘相位角對勵磁涌流有顯著影響，式(7)中，可簡化設合閘電阻為0，則

實際上，過零點合閘時，勵磁涌流最小，而當合閘相位與過零點相差90°時，則涌流最大。圖7 為不同合閘相位角時的交流側電流。由圖7 可見，其他仿真條件相同時，與系統相位角相差90°時，勵磁涌流最大。

圖7 合閘相位的影響Fig.7 Influence of closing phase

本文所做研究均基于變壓器鐵心無剩磁的條件，若存在剩磁，則當剩磁的大小和方向與系統電壓將要產生的磁通相同時，可以避免合閘時鐵心飽和。

3 結 論

(1)不考慮剩磁影響條件下，高壓端換流變壓器勵磁涌流最高。

(2)系統短路容量在模型中的直接反映是等值交流系統的阻抗大小，系統短路容量大時，勵磁涌流較大，反之亦然。

(3)合閘電阻對勵磁涌流具有明顯抑制作用，但隨著電阻值的增加，抑制效果會逐步降低。

(4)過零點合閘時，勵磁涌流最小，而當合閘相位與過零點相差90°時，則涌流最大。

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