直流輸電中換流變壓器運行特性解析

李文+金磊

摘 要：對于高壓直流輸電系統(tǒng)，換流變壓器的作用是連接交、直流側(cè)電網(wǎng)，但其卻常因運行環(huán)境惡劣而頻發(fā)故障。其中，換流變壓器故障是指繼電保護(hù)裝置常由變壓器主絕緣缺陷引起的勵磁電流畸變、局部放電所致，其在任一情況下都會危及直流輸電系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性。據(jù)此，文章作者主要探究直流輸電中換流變壓器的運行特性。

關(guān)鍵詞：直流輸電系統(tǒng)；換流變壓器；運行特性

中圖分類號：TM406 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0039-02

引言

換流變壓器作為高壓直流輸電系統(tǒng)最為關(guān)鍵的設(shè)備，其運行環(huán)境非常惡劣，從而嚴(yán)重制約了我國電網(wǎng)建設(shè)質(zhì)量的提高。為了深入探究直流輸電中換流變壓器的運行特性，作者以XX市直流輸電系統(tǒng)為例展開討論。自初次投入運行至今，該直流輸電系統(tǒng)中的換流變壓器頻發(fā)運行故障，究其原因包括：一是換流變壓器的主絕緣在結(jié)構(gòu)上存在設(shè)計缺陷；二是直流偏、勵磁涌流干擾引起磁電流畸變，繼而使繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動。據(jù)此，作者通過分析換流變壓器運行特性，可確定變壓器的薄弱點，并制定出科學(xué)的改進(jìn)方案，從而保障了直流輸電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

1 換流變壓器繞組端的電場分析

在本章節(jié)，作者選用ELECTNET有限元仿真軟件，對換流變壓器繞組端的線性、非線性電場進(jìn)行仿真分析，即：

1.1 線性電場分析

以一臺±400kV換流變壓器為例，并在不考慮端部出出線影響的情況下，建立圖1所示的換流變壓器端部絕緣模型。

備注：ab-上鐵軛邊界；ad-鐵心柱邊界；bc-旁軛邊界；T、N、V-雙調(diào)壓、網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)繞組與其靜電環(huán)

圖1 換流變壓器端部絕緣模型

依據(jù)實測值，通過實體正圓弧拉伸模型來添加曲率半徑，同時鑒于換流變壓器采用的是軸對稱結(jié)構(gòu)，則二維電場仿真結(jié)果與實際基本相符。按材料邊沿增密25%、曲線最大剖分角10°及最大尺寸2mm的標(biāo)準(zhǔn)有限元剖分得到52.5531萬個三角形單元，并在其內(nèi)線性插值。換流變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度常表征為絕緣裕度，即其為許用場強(qiáng)與最大場強(qiáng)的比值。根據(jù)換流變壓器端部絕緣模型，分別在N、V處施加電壓。

針對場強(qiáng)集中在角環(huán)楔形結(jié)構(gòu)內(nèi)凹尖端的現(xiàn)象，建模分析得知，改進(jìn)直角楔形的結(jié)構(gòu)，并及時察覺絕緣紙板的缺陷，便可加以避免。

1.2 非線性極性反轉(zhuǎn)電場分析

作者重點研究油紙絕緣電導(dǎo)率的非線性與換流變壓器端極性反轉(zhuǎn)電場分布的關(guān)系，即：首先，按材料邊沿增密25%、曲線最大剖分角10°及最大尺寸2mm的標(biāo)準(zhǔn)有限元剖分，并在三角形中線性插值，然后用二階Newton-Raphson非線性求解器計算極性反轉(zhuǎn)電壓，注意每算一步迭代20次及其許用公差取0.1%。倘若使用圖1所示模型計算，耗時37h，且精度低及仿真運算難收斂。為此，在綜合考慮的基礎(chǔ)上建立換流變壓器網(wǎng)側(cè)對閥側(cè)端模型。有限元剖分得到10.5337萬個三角形單元，其計算耗時8h，且收斂速度明顯加快。為了探明油紙絕緣電導(dǎo)率與電場分布的關(guān)系，仿真采取油道分段加溫法，并分別在網(wǎng)、閥側(cè)設(shè)5個油道，仿真編號為1-10。根據(jù)電力線的分布來看，在1-6號仿真壓板上，電力線出現(xiàn)回環(huán)、扭曲現(xiàn)象，表明大量電荷積聚于此；在7-10號壓板上，未出現(xiàn)電荷積聚現(xiàn)象，表明壓板上的電荷因場強(qiáng)或低溫非線性的影響而出現(xiàn)積聚速度驟降或消散速度激增的現(xiàn)象。絕緣紙板、長時直流電壓下及極性反轉(zhuǎn)電壓下的變壓器油許用場強(qiáng)分別是40、10和12kV/mm。仿真結(jié)果顯示，在任一情況下，絕緣紙板的絕緣裕度都非常大。

2 直流偏磁與勵磁涌流仿真分析

以一臺405.2MVA/530kV單相雙繞組換流變壓器為例，其采用了無勵磁調(diào)壓、OFAF強(qiáng)油風(fēng)冷冷卻裝置、Iio聯(lián)結(jié)及繞組端進(jìn)線。下面，作者運用PSCAD/EMTDC提供的UMEC模塊建立仿真模型，用以研究換流變壓器的勵磁電流特性，即：

2.1 直流偏磁時空載勵磁電流仿真

在換流變壓器仿真模型中，開關(guān)始終閉合，便可消除勵磁涌流對變壓器的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在直流偏磁的影響下，換流變壓器的勵磁電流會發(fā)生改變，究其原因是勵磁電流諧波含量變化的影響。根據(jù)數(shù)學(xué)函數(shù)推導(dǎo)結(jié)果，這一勵磁電流的周期函數(shù)與狄里赫利條件相符，即可展開得到系列諧波總和的收斂傅里葉級數(shù)：

據(jù)此公式，運用MATLAB軟件變換勵磁電流，便可獲得勵磁電流在穩(wěn)定時的諧波含量，即其具有下列特征：一是倘若沒有直流電流分量，則勵磁電流沒有偶次諧波；二是在直流電流分量的遞增中，勵磁電流含有偶次諧波、七次諧波及其諧波含量同步增加；三是直流分量升至1.2%額定電流前，僅偶次諧波的含量出現(xiàn)劇增走勢；四是直流電流分量升至規(guī)定值后，僅1-3次諧波呈持續(xù)增長走勢。另據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，倘若換流變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，電能質(zhì)量則會受到諧波電流的污染，同時當(dāng)諧波過大時，會降低電力系統(tǒng)的電壓及引起繼電保護(hù)發(fā)生誤動作等，從而嚴(yán)重危及電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

2.2 勵磁涌流時空載勵磁電流仿真

在模擬勵磁涌流時，直流電流歸零，并在模型中的開關(guān)上增設(shè)合閘觸發(fā)角？琢，同時在0-2？仔區(qū)間每？仔/36開展一次仿真。仿真結(jié)果顯示，若？琢=0或？仔，勵磁電流出現(xiàn)最大幅值；若0<？琢<？仔，勵磁電流的幅值呈遞減走勢；若？琢=？仔，電力系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；若<？琢<？仔，勵磁電流的峰值呈遞增走勢；若？仔<？琢<2？仔，其仿真結(jié)果與0<？琢<？仔的波形一致，僅存在正負(fù)性差異。

2.3 直流偏磁與勵磁涌流的疊加作用

在模擬直流偏磁與勵磁涌流疊加時的勵磁電流時，合閘觸發(fā)角？琢設(shè)為0，而直流電流取±10.2%額定電流。模擬結(jié)果顯示，勵磁電流在同向疊加時的峰值增大，而在反向疊加時減小及其衰減速率非?？臁?jù)此說明，若衰減時間過短，更易引起換流變壓器發(fā)生保護(hù)裝置誤動作。

3 結(jié)束語

在本文，作者舉例研究了直流輸電中換流變壓器的運行特性。首先，運用ELECNET有限元仿真軟件，仿真分析了換流變壓器端的電場，結(jié)果顯示通過改進(jìn)直角楔形的結(jié)果，可使其場強(qiáng)值下降；對于非線性主絕緣，油道溫度梯度可使主絕緣電場的分布得以改善；限制非線性變換對材料或溫度電導(dǎo)率的影響，可使壓板上電荷的積聚得以改善。其次，運用PSCAD軟件，仿真分析了換流變壓器的直流偏磁、勵磁涌流。總之，換流變壓器的運行狀態(tài)與高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行息息相關(guān)，因此深入研究換流變壓器的運行特性具有現(xiàn)實意義。

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