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，換流變壓器的作用是連接交、直流側電網，但其卻常因運行環境惡劣而頻發故障。其中，換流變壓器故障是指繼電保護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運行的安全穩定性。據此，文章作者主要探究直流輸電中換流變壓器的運行特性。

關鍵詞：直流輸電系統；換流變壓器；運行特性

中圖分類號：TM406 文獻標志碼：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最為關鍵的設備，其運行環境非常惡劣，從而嚴重制約了我國電網建設質量的提高。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市直流輸電系統為例展開討論。自初次投入運行至今，該直流輸電系統中的換流變壓器頻發運行故障，究其原因包括：一是換流變壓器的主絕緣在結構上存在設計缺陷；二是直流偏、勵磁涌流干擾引起磁電流畸變，繼而使繼電保護裝置出現誤動。據此，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，并制定出科學的改進方案，從而保障了直流輸電系統運行的穩定性。

1 換流變壓器繞組端的電場分析

在本章節，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-雙調壓、網側、閥側繞組與其靜電環

圖1 換流變壓器端部絕緣模型

依據實測值，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構，則二維電場仿真結果與實際基本相符。按材料邊沿增密25%、曲線最大剖分角10°及最大尺寸2mm的標準有限元剖分得到52.5531萬個三角形單元，并在其內線性插值。換流變壓器絕緣結構的強度常表征為絕緣裕度，即其為許用場強與最大場強的比值。根據換流變壓器端部絕緣模型，分別在N、V處施加電壓。

針對場強集中在角環楔形結構內凹尖端的現象，建模分析得知，改進直角楔形的結構，并及時察覺絕緣紙板的缺陷，便可加以避免。

1.2 非線性極性反轉電場分析

作者重點研究油紙絕緣電導率的非線性與換流變壓器端極性反轉電場分布的關系，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的標準有限元剖分，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，在綜合考慮的基礎上建立換流變壓器網側對閥側端模型。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率與電場分布的關系，仿真采取油道分段加溫法，并分別在網、閥側設5個油道，仿真編號為1-10。根據電力線的分布來看，在1-6號仿真壓板上，電力線出現回環、扭曲現象，表明大量電荷積聚于此；在7-10號壓板上，未出現電荷積聚現象，表明壓板上的電荷因場強或低溫非線性的影響而出現積聚速度驟降或消散速度激增的現象。絕緣紙板、長時直流電壓下及極性反轉電壓下的變壓器油許用場強分別是40、10和12kV/mm。仿真結果顯示，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，其采用了無勵磁調壓、OFAF強油風冷冷卻裝置、Iio聯結及繞組端進線。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，開關始終閉合，便可消除勵磁涌流對變壓器的影響。研究發現，在直流偏磁的影響下，換流變壓器的勵磁電流會發生改變，究其原因是勵磁電流諧波含量變化的影響。根據數學函數推導結果，這一勵磁電流的周期函數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：

據此公式，運用MATLAB軟件變換勵磁電流，便可獲得勵磁電流在穩定時的諧波含量，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劇增走勢；四是直流電流分量升至規定值后，僅1-3次諧波呈持續增長走勢。另據研究發現，倘若換流變壓器出現直流偏磁現象，電能質量則會受到諧波電流的污染，同時當諧波過大時，會降低電力系統的電壓及引起繼電保護發生誤動作等，從而嚴重危及電網運行的穩定性。

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，并在模型中的開關上增設合閘觸發角？琢，同時在0-2？仔區間每？仔/36開展一次仿真。仿真結果顯示，若？琢=0或？仔，勵磁電流出現最大幅值；若0<？琢<？仔，勵磁電流的幅值呈遞減走勢；若？琢=？仔，電力系統進入穩態；若<？琢<？仔，勵磁電流的峰值呈遞增走勢；若？仔<？琢<2？仔，其仿真結果與0<？琢<？仔的波形一致，僅存在正負性差異。

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，合閘觸發角？琢設為0，而直流電流取±10.2%額定電流。模擬結果顯示，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常快。據此說明，若衰減時間過短，更易引起換流變壓器發生保護裝置誤動作。

3 結束語

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，結果顯示通過改進直角楔形的結果，可使其場強值下降；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與高壓直流輸電系統的穩定運行息息相關，因此深入研究換流變壓器的運行特性具有現實意義。

參考文獻：

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