基于选相合闸的特高压换流变励磁涌流抑制

2021-07-17李晓彤张东欣贺成成阴春锦

安徽电气工程职业技术学院学报 2021年2期

李晓彤，张军，张东欣，贺成成，阴春锦

(国网安徽省电力有限公司检修分公司，安徽合肥 230000)

0 引言

昌吉—古泉±1 100 kV特高压直流输电工程是世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程。古泉站换流变是目前世界上单台单相容量最大的换流变，较其他特高压直流工程提高了20%。相比较于普通变压器，换流变的阻抗大，运行方式特殊，且幅值更高、衰减更慢、二次谐波幅值高、占比小，且受分接头档位的影响。当合闸瞬间，换流变铁芯磁通量短时内急剧增大，远超过铁芯的饱和容量，因此在其绕组中产生较大的涌流。合闸瞬时的励磁涌流幅值最大可达额定电流的8～10倍、空载电流的100倍左右。故励磁涌流衰减初期容易导致保护误动作，古泉站曾发生过两起由于励磁涌流大导致保护动作的情况。

(1)励磁涌流过大导致零序保护动作跳闸现场案例：如图1所示，2019年8月23日18:43:16，古泉站极Ⅰ高端换流变充电过程中(启动调试)，Y/Y-C相换流变与Y/D-C相换流变励磁涌流峰值均为9 200 A左右，Y/Y换流变零序过流保护动作，换流变进线断路器跳开。

图1 2019年8月23日18:43:16极Ⅰ高端换流变充电录波

(2)励磁涌流过大导致在运换流器换相失败现场案例：2020年1月7日08:19:09，在古泉站极Ⅰ高端换流变充电合5061过程中，古泉站极Ⅱ高端换流器Y桥发生一次换相失败。极Ⅱ CCP1A/B主机报“本阀组换相失败预测动作出现”。事件列表和故障录波如图2和图3所示。

图2 极Ⅱ高端换流变换相失败时间列表

图3 08:19:09极Ⅱ高端换流变换相失败波形(故障录波)

1 古泉站系统仿真模型建立及故障复现

1.1 古泉站系统仿真模型建立

根据现场设备实际参数，在PSCAD/EMTDC中搭建古泉站换流变合闸涌流仿真模型如图4所示。

图4 换流变合闸涌流PSCAD/EMTDC仿真模型

1.2 利用模型复现故障

复现2020年1月7日极Ⅱ换流变换相失败现象，可以从极Ⅱ高端换流器Y桥的阀电流波形看出Y桥发生一次换相失败，如图5所示。

图5 极Ⅱ高端Y桥换相失败仿真波形

换流变励磁涌流波形如图6所示，根据极Ⅰ高端换流变充电波形，换流变开关(5061开关)C相最先合上，比A/B相快3 ms，极Ⅰ高端三相励磁涌流中最大励磁涌流为10 085 A。

图6 换流变励磁涌流波形

仿真结果与现场录波趋势一致。

2 励磁涌流值大原因分析

2.1 合闸电阻投入时间

参考文献[3]仿真得到A相涌流峰值随合闸电阻投入时间变化如图7所示。

图7 涌流峰值随合闸电阻投入时间变化的曲线

图8 5061开关交接试验报告

由图7可知，合闸电阻有效投入时间越长，对涌流的抑制效果越明显，从仿真中涌流峰值来看，合闸投入时间为8～11 ms时的涌流峰值水平仅为合闸投入时间3 ms时涌流峰值的6.8%(Y桥)、7.7%(D桥)。因此，合闸电阻投入时间为8～11 ms是比较合理的设计。

5061开关交接试验报告如图8所示，可知5061开关的合闸电阻投入时间满足8～11 ms的要求。

因此断路器合闸电阻投入时间设置不合理不是导致古泉站换流变合闸励磁涌流值高的原因。

2.2 合闸电阻值

目前古泉站合闸电阻参数设置采用典型设计：1 500(1±10%)Ω，下面通过仿真分析合闸电阻值对励磁涌流值的影响。

仿真条件说明：

(a)开关三相合闸完全同期；

(b)结合换流变充电历史数据分析，开关合闸电阻有效投入时间选取9 ms；

(c)合闸角度选A相电压0°处；

(d)不考虑变压器剩磁影响。

分别仿真合闸电阻值选取700 Ω、900 Ω、1 100 Ω、1 300 Ω、1 500 Ω、1 700 Ω、1 900 Ω、2 100 Ω时的涌流特性。不同合闸电阻下，A相涌流最大峰值(绝对值)统计如表1所示。

表1 不同合闸电阻下涌流统计结果

随着合闸电阻值增大，涌流峰值逐渐减小，说明在一定范围内合闸电阻增大可以显著抑制励磁涌流；但随着合闸电阻的进一步增大，抑制效果会较之前降低。另外，古泉换流站高端进线断路器合闸电阻参数是典型设计，特高压换流站进线断路器合闸电阻值均选择1 500 Ω左右，古泉站未进行特别设计。

同时，如表2所示，苏州换流站、奉贤换流站高端换流变进线断路器合闸电阻也采用此设计参数，且未有励磁涌流值高的情况，因此合闸电阻值设置不合理不是影响古泉站换流变合闸励磁涌流值高的原因。

表2 部分其他换流站断路器合闸电阻参数设计

2.3 换流变充电合闸角度随机

仿真条件说明：

(a)断路器三相合闸完全同期；

(a)结合换流变充电历史数据分析，断路器合闸电阻投入时间选取6 ms；

(b)合闸电阻值1 500 Ω；

(c)不考虑变压器剩磁影响。

分别仿真A相在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°合闸时的涌流特性，仿真中A相变压器网侧电压按

(

sin(

ωt

)规律变化，初始相角为0°。根据仿真结果分析，A相涌流最大峰值的变化如图9所示。可见随着合闸角度变化,涌流峰值呈现周期性变化。在一定的合闸角度处，涌流将分别达到最大和最小值。

图9 涌流峰值随合闸角变化的曲线

通过分析以上三个因素可知，古泉站换流变开关机械特性对励磁涌流值影响较小，同时，合闸电阻的设计满足1 500(1±10%)Ω的标准要求，不会使得励磁涌流值增大，但是合闸角度的随机性导致励磁涌流值过大的概率大大增加，因此本文选择采用选相合闸装置使得合闸在合适的位置，从而降低励磁涌流。

3 基于选相合闸的励磁涌流策略实现

3.1 选相合闸厂内测试

为了验证选相装置和断路器配合效果，在山东电工电气日立高压开关有限公司内进行了单相试验。断路器正常工作状态的最低动作油压为31.5 MPa，最高动作油压为33.0 MPa。此次试验主要内容包括断路器正常工作时，在最低动作油压和最高动作油压下，断路器的合闸时间；断路器正常打压和最低动作油压下，选相装置和断路器配合效果。

低压选相验证试验接线如图10所示，使用调压器模拟母线电压，调压器电压为57.74 V±10 V，接入选相合闸装置PCS-9830C，同时接入比较电压。根据选相控制策略，验证单相断路器选相效果，合闸目标值设为90°。

图10 低压选相验证试验接线图

试验断路器在自由打压状态下，合闸时间基准设置值为88.5 ms，目标角度为90°，进行10次低压选相合闸试验，合闸偏差角度在6°以内。试验结果如表3所示。

表3 试验断路器在自由打压状态下10次低压选相合闸测试数据

手动调整断路器合闸时油压为31.5 MPa，合闸时间基准值设置为88.5 ms，试验断路器在低打压油压状态下进行10次选相合闸试验，合闸偏差角度在41°以内。试验结果如表4所示。

表4 试验断路器在低打压油压状态下10次低压选相合闸测试数据试数据

3.2 选相合闸现场测试

在古泉站采用临时接线的方式，对5061、5062、5033、5032断路器进行了一次设备不带电的摸底测试工作。试验主要内容与厂内测试相同。使用继保测试仪模拟母线电压，接入选相合闸装置PCS-9830C作为基准电压，接入受控侧的反馈电流或电压信号作为分合闸完成判据，在接收到控制系统随机分合闸命令后，根据预期的断路器动作时间完成选相逻辑运算，在恰当的时刻输出受控分合闸指令至断路器分合闸线圈，实现断路器定相位投切。根据标准选相控制策略，验证断路器选相效果，合闸目标值设为A相90°，B相210°，C相150°。

以5061断路器为例，试验断路器在自由打压状态下，设定合闸时间基准分别为A相98.90 ms，B相98.46 ms，C相95.54 ms，进行10次断路器不带电选相合闸试验，试验结果见表5。从试验结果可知，断路器合闸油压33 MPa时，A相合闸角度最大偏差20.4°，平均偏差9.6°；B相合闸角度最大偏差18.8°，平均偏差10.5°；C相合闸角度最大偏差18.5°，平均偏差12.4°。

表5 5061断路器在自由打压状态下10次选相合闸测试数据

以5061断路器为例，手动调整断路器合闸时油压为31.5 MPa，设定合闸时间基准分别为A相98.90 ms，B相98.46 ms，C相95.54 ms，断路器在低打压油压状态下进行10次断路器不带电选相合闸试验，试验结果见表6。从试验结果可知，断路器合闸油压31.5 MPa时，A相合闸角度最大偏差33.7°，平均偏差24°，B相合闸角度最大偏差29.8°，平均偏差20°，C相合闸角度最大偏差31.7°，平均偏差21.2°。