±800 kV特高壓換流站換流變空載充電勵磁涌流分析

顧元強

（國網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啟動調試、極開路實驗以及投運階段最基本的操作，是直流系統穩定運行的前提保證。換流變充電時，由于換流變鐵芯磁路飽和會出現較大的勵磁涌流，因此在生產過程中勵磁涌流引起的換流變充電異常時有發生。

本文將根據某換流站的實際情況，介紹勵磁涌流的產生機理與基礎、某換流站換流變充電步驟以及相應交流場開關的合閘策略，結合高低端換流變自身固有特性參數（空心電抗、勵磁曲線、合閘電阻等）及分層接入交流系統強弱，分析對某換流站高低端換流變勵磁涌流的影響。最后對極1高端一起充電異常進行分析，分析理解異常產生的根本原因。

1 勵磁涌流的產生機理

當換流變處于正常運行或者外部故障的狀態時，其鐵芯往往處于非飽和狀態，即表現出繞組的勵磁電感大、勵磁電流相對于額定電流小的特點。換流變空載合閘或者外部故障排除后，在電壓恢復過程中，換流變鐵心飽和，勵磁電感變小，此時產生大的暫態勵磁電流，即勵磁涌流[1]。

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

則換流變空載合閘時的磁鏈方程為：

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為交流系統等效電阻；Ls為交流系統等效電感；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為換流變勵磁電阻；Lm為換流變勵磁電抗；Φr為換流變鐵芯剩磁；Φm為換流變鐵芯穩態磁鏈幅值；φ為阻抗角；τ為時間常數。

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

2 換流變勵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行人員在工作站上手動操作兩側隔離刀閘和開關完成，并且同時需要滿足相關聯鎖條件[2]。其就地測控系統采用許繼的DFU410測控裝置，實現數據采集、同期聯鎖控制以及SOE事件記錄等功能。

開關的合閘就地由DFU410裝置的同期聯鎖控制判別[3]。裝置提供應用于兩個系統間并網操作的合閘同期檢測及同期合閘控制功能。同期合閘的子網可以通過DFU410DIA手動設置為同頻或非同頻網，也可以選擇由程序自動判別網絡狀態，從而選擇最佳的同期合閘判據。

對于同頻系統并網，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。對于非同頻系統并網，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，準確快速地捕捉第一次出現的同期合閘點，以設定的導前時間發出同期合閘命令，實現快速無沖擊合閘。

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

2.2 合閘電阻、均壓電容對于勵磁涌流的影響

一是合閘電阻對換流變勵磁涌流的限制作用。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，合閘電阻對勵磁涌流有較好的抑制作用，勵磁涌流峰值明顯減小[4]。

二是均壓電容對換流變勵磁涌流的限制作用。斷路器合閘時，預充電壓高低和預充時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充時間，都可以換流變勵磁涌流得到抑制[5]。由于均壓電容過大，重燃電流的幅值和衰減時間也會相應增大，進而負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，時間常數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線開關均配置了1 500 Ω合閘電阻，而低端換流變進線開關同時配置了均壓電容。由此對比，低端換流變相比于高端換流變，在空載合閘時，合閘電阻和均壓電容能夠更好地抑制勵磁涌流。

2.3 本體參數對于勵磁涌流的影響

通常換流變勵磁曲線可分為磁路飽和段和磁路不飽和段。勵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。

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，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]。在拐點值保持不變時，低端換流變能更好的抑制換流變空載充電時的勵磁涌流。

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，與負載無關。銅損與負載電流有關，負載電流越大，銅損越大[8]。由于鐵芯非線性及磁滯效應等，勵磁電流不是正弦波，勵磁電流與它所產生的主磁通呈非線性關系。勵磁電流呈尖頂波，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，勵磁電流占了空載電流的主要成分，因此勵磁電流亦為尖頂波[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 系統阻抗對于勵磁涌流的影響

從式（2）中可得出，交流系統等效阻抗也對換流變勵磁涌流有限制作用。在直流輸電工程中常用短路比（Short Circuit Ratio，SCR）來衡量交流系統的強弱。對于某換流站分層介入系統，直流側高低端換流器之間平均分配直流功率，交流側通過變壓器等條件實現電氣聯系。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受端系統的短路比均有顯著提高，較強的受端系統對較弱的受端系統具有一定的支撐能力[10]。然而某換流站1 000 kV交流系統仍然較弱，其系統阻抗也小于500 kV交流系統，因此1 000 kV交流系統對于低端換流變勵磁涌流的影響體現在低端換流變勵磁涌流較于高端系統衰減慢。

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接入500 kV交流系統，異常動作前極2高端換流變已接入交流系統運行，2020年10月3日19：03，在對極1高端換流變進行空載充電后，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測動作、AMIN換相失敗預測動作告警，Q控投入5652小組交流濾波器，35 s后切除，電壓恢復。

3.2 異常分析

異常發生后，檢查閥組內置故障錄波，整個異常發生過程如圖1所示。

圖1 異常發生時網側電流及相關數據模擬量

C相換流變在充電前未進行消磁工作，充電后500 kV交流系統側產生了典型的勵磁涌流，交流系統C相產生大量諧波，導致極2高端交流電壓換相失敗預測動作、AMIN換相失敗預測動作告警以及極1高端諧波換相失敗預測動作告警。由于變壓器的空載電流主要用于勵磁，而勵磁電流屬于無功電流，因此變壓器空載時的功率因數較低，同時消耗大量無功，導致系統電壓在瞬時急速將下降。

4 結 論

本文依據某換流站的實際情況，綜合上述各項分析，得出低端換流變充電時較于高端換流變對于勵磁涌流衰減速率更快，效果更好。同時由于系統波動以及變壓器剩磁，易引起勵磁涌流，引起某換流站換流變充電異常，嚴重時將出現保護誤動作情況，影響系統穩定運行。