換流變壓器電壓不平衡問題研究范文
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《變壓器雜志》2015年第十二期
摘要：
本文中作者通過分析電壓不平衡產(chǎn)生的原因，提出了應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的解決雙端電壓不平衡的方法，并通過仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：
1引言
長(zhǎng)時(shí)感應(yīng)電壓帶局放測(cè)量試驗(yàn)是換流變交接過程中的一項(xiàng)重要試驗(yàn)，是換流變投運(yùn)前的質(zhì)量控制考核環(huán)節(jié)，可以驗(yàn)證換流變?cè)谶\(yùn)行條件下無局部放電，是目前換流變各項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中考核絕緣比較有效的試驗(yàn)。換流變現(xiàn)場(chǎng)局放試驗(yàn)因勵(lì)磁變電壓等級(jí)的限制，一般是從電壓等級(jí)較小的一端加壓，即閥側(cè)加壓。角接換流變因其變比較小，在閥側(cè)單邊加壓存在兩個(gè)問題：一是所需勵(lì)磁變電壓等級(jí)高，運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安裝十分不便；二是存在閥側(cè)交流耐受試驗(yàn)電壓值低于閥側(cè)局放加壓最高電壓值的情況，如直流角接換流變閥側(cè)交流耐壓值為325kV，而局放試驗(yàn)激發(fā)電壓值高達(dá)374.9kV，因此在做閥側(cè)加壓局放試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用對(duì)稱加壓方式而不該采用單邊加壓方式。相關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為對(duì)稱加壓試驗(yàn)時(shí)，繞組兩端都承受電壓，更接近實(shí)際運(yùn)行狀況，且該方法考核高、低壓繞組的軸向絕緣更為嚴(yán)格。另一文獻(xiàn)在對(duì)向上直流換流變的現(xiàn)場(chǎng)局放試驗(yàn)的總結(jié)中亦認(rèn)為角接換流變采用對(duì)稱加壓方式更為合理、方便。日前，在某工程換流變現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員對(duì)角接換流變都采用了對(duì)稱加壓試驗(yàn)方法。在完成多起試驗(yàn)后，試驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)在加壓過程中每臺(tái)換流變不同程度地存在電壓不平衡問題。兩臺(tái)同樣變比的勵(lì)磁變?cè)谕慌_(tái)變頻電源的輸出下顯示不同的閥側(cè)電壓，有時(shí)差別較大，需采取有效的措施加以解決。針對(duì)這個(gè)問題，國(guó)內(nèi)外鮮有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究。為此，本文中筆者在總結(jié)閥側(cè)對(duì)稱加壓的基礎(chǔ)上針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行分析，給出問題產(chǎn)生的原因，列舉了其帶來的危害，并提出了應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的解決電壓不平衡問題的方法，結(jié)合仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了本文中筆者提出的不平衡電壓產(chǎn)生原因及解決方法。
2換流變對(duì)稱加壓試驗(yàn)
現(xiàn)場(chǎng)對(duì)稱加壓局放試驗(yàn)接線方法如圖1所示，變頻電源輸出端換相倒接到兩個(gè)型號(hào)相同勵(lì)磁變網(wǎng)側(cè)，使兩勵(lì)磁變閥側(cè)電壓對(duì)地呈現(xiàn)相反極性，考慮勵(lì)磁變短路阻抗及負(fù)載差異，換流變閥側(cè)總加壓值應(yīng)為兩閥側(cè)電壓的矢量和。兩邊采用相同的補(bǔ)償電抗，與兩閥側(cè)接線端入口電容完成并聯(lián)補(bǔ)償。以某站500kV角接換流變?yōu)槔湫吞?hào)為ZZDFPZ-300400/500-250。變頻電流輸出電壓頻率可調(diào)節(jié)范圍是30Hz~300Hz，本試驗(yàn)兩端采用11.4Ω的固定電抗作為補(bǔ)償，試驗(yàn)頻率為280Hz。規(guī)程規(guī)定，當(dāng)試驗(yàn)電源頻率等于或小于2倍額定頻率時(shí)，其全電壓下的試驗(yàn)頻率持續(xù)時(shí)間應(yīng)為60s，當(dāng)試驗(yàn)頻率大于2倍額定頻率時(shí)，試驗(yàn)電壓持續(xù)時(shí)間為。
3電壓不平衡問題
圖3是在1.3倍試驗(yàn)電壓下各部分的電壓和電流值。此時(shí)3.1端電壓為125.3kV、電流為322.7A，3.2端電壓為146.7kV、電流為370.3A。兩端電壓與勵(lì)磁變的額定變比存在差別，勵(lì)磁變額定變比為452.38，3.1端電壓與網(wǎng)側(cè)電壓的比值為450.72與之較為接近，3.2端電壓與網(wǎng)側(cè)電壓的比值為542.9與勵(lì)磁變額定變比相差較大。為分析電壓不平衡產(chǎn)生的原因，對(duì)3.2端作簡(jiǎn)化電路圖分析，并將兩臺(tái)勵(lì)磁變的內(nèi)部阻抗差異忽略不計(jì)，漏抗相等，如圖4所示。其中C是換流變?nèi)肟陔娙荨是補(bǔ)償電抗、l是勵(lì)磁變內(nèi)部漏抗、T是理想變壓器（勵(lì)磁變等效為理想變壓器與串聯(lián)漏抗的形式）。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，閥側(cè)兩套管的入口電容存在差異，且3.2套管的入口電容較3.1端大，數(shù)據(jù)將會(huì)在后續(xù)分析中給出。本試驗(yàn)采用兩組相同電感值的電抗器進(jìn)行補(bǔ)償，就無法使兩端都達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)。調(diào)節(jié)試驗(yàn)頻率使變頻電源輸出電流最小、功率因數(shù)接近于零時(shí)3.2端必然是欠補(bǔ)償?shù)摹Ｓ捎?jì)算可知，A點(diǎn)電壓UA比理想變壓器輸出電壓大，即發(fā)生了一定程度的串聯(lián)諧振現(xiàn)象。因勵(lì)磁變漏抗l通常較小，A點(diǎn)電壓抬高不會(huì)太多，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)都在50kV之內(nèi)。兩端補(bǔ)償情況不一致時(shí)，換流變兩端電壓極性不可能完全相反，其矢量和實(shí)際要比完全補(bǔ)償時(shí)小，使施加電壓達(dá)不到預(yù)期效果。其中一個(gè)方法就是增加兩端電壓使兩端矢量和等于規(guī)定電壓，但此方法會(huì)增大電壓不平衡的問題，并且產(chǎn)生更大的環(huán)流。圖3中可以看出從變頻電源流入到兩個(gè)勵(lì)磁變的電流之和比變頻輸出電流大。這是因?yàn)閮啥搜a(bǔ)償狀態(tài)不同，3.1端此時(shí)處于過補(bǔ)償狀態(tài)，3.2端處于欠補(bǔ)償狀態(tài)，即一端呈現(xiàn)弱感性一端呈現(xiàn)弱容性，兩電流在變頻電源輸出口處完成相互補(bǔ)償。相當(dāng)于勵(lì)磁變2作為勵(lì)磁變1的無功電流源供給無功消耗，在兩個(gè)勵(lì)磁變網(wǎng)側(cè)和變頻電源輸出處三點(diǎn)之間形成了環(huán)流，實(shí)際環(huán)流大小約為兩勵(lì)磁變輸入電流之和減去變頻電源輸出電流，在圖3中約為46A。環(huán)流的產(chǎn)生也從側(cè)面證明了3.2端容升效應(yīng)的存在。這種環(huán)流會(huì)增大勵(lì)磁變電流，減小勵(lì)磁變的有功輸出容量，故在試驗(yàn)中應(yīng)盡量避免環(huán)流的產(chǎn)生。
4仿真分析
為驗(yàn)證相關(guān)結(jié)論，建立相同參數(shù)的仿真，首先需正確估算入口電容的大小。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)本臺(tái)角接換流變進(jìn)行單端加壓測(cè)試，閥側(cè)試驗(yàn)電壓為1.0Um/姨3/k，3.1端加壓時(shí)3.2端接地，反之亦然。調(diào)節(jié)頻率使其完全補(bǔ)償，記錄此試驗(yàn)頻率，入口電容與試驗(yàn)頻率存在以下關(guān)系。試驗(yàn)時(shí)記錄下的試驗(yàn)頻率分別為291Hz和242Hz，總?cè)肟陔娙葜悼捎傻?節(jié)的對(duì)稱加壓試驗(yàn)中算得為52.2nF。由此可計(jì)算兩入口電容為C3.1=21.37nF，C3.2=30.83nF。因此，仿真中設(shè)置電源頻率280Hz，3.1端入口電容21.37nF，3.2端入口電容30.83nF，在兩個(gè)電容中間接地來模擬端子入口電容，兩補(bǔ)償電抗為11.4Ω，如圖5所示。仿真結(jié)果如圖6所示，3.2端電壓因?yàn)槿萆?yīng)其電壓有效值為155kV，3.1端電壓有效值為134kV，這兩個(gè)電壓與真實(shí)變比下的電壓150.676kV有差別，但與實(shí)際情況相符，故本文中筆者所述原因可以解釋現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的兩端電壓不一致的情況。對(duì)稱加壓電壓不平衡問題的解決辦法通常有兩個(gè)。（1）針對(duì)入口電容不一致，可以采用補(bǔ)償電抗進(jìn)行完全補(bǔ)償使輸入到勵(lì)磁變的無功電流接近于零，這也是避免勵(lì)磁變尾端發(fā)生容升效應(yīng)最有效的方法。用此方法做仿真，結(jié)果如圖7a所示，完全補(bǔ)償后勵(lì)磁電流接近于零（理想情況下），兩端電壓有效值皆為151kV，表明該方法有效。這種方法在實(shí)際試驗(yàn)中并不常見，讓電抗器在同一頻率下完全補(bǔ)償兩側(cè)的入口電容比較困難，可以使用可調(diào)感電抗器。（2）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電壓不平衡，如果相差太大，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，較有為效的方法是調(diào)整勵(lì)磁變的擋位，人為地加大（減小）較低（高）電壓端的電壓，從而使兩端電壓盡量接近。原則是在滿足兩端線電壓達(dá)到試驗(yàn)要求電壓的前提下，較低壓的一端的中間變變比變大，如網(wǎng)側(cè)從190kV變?yōu)?20kV，或者較高壓的一端的中間變變比變小。用仿真來模擬將3.2端變比減小后（由190kV變?yōu)?70kV）的情況，結(jié)果如圖7b所示，3.1端電壓不變?yōu)?34kV，3.2端電壓變?yōu)?39kV，兩端電壓差值變小了，方法是有效的。3.2端電壓變小可以減小容性電流，使容升電壓變小，達(dá)到減少兩端電壓差值，即減小環(huán)流的目的。解決電壓不平衡的目的一是減小環(huán)流，充分利用勵(lì)磁變?nèi)萘浚欢鞘箖蓚€(gè)勵(lì)磁變網(wǎng)側(cè)電流不超過其額定值。如果出現(xiàn)某端電流大于額定電流的情況，最有效的是方法二。以圖3為例，如果3.2端的勵(lì)磁變網(wǎng)側(cè)電流大于額定電流2A，而3.1端較小，可以調(diào)節(jié)兩個(gè)勵(lì)磁變擋位使3.2端施加電壓變小而使3.1端施加電壓變大。
5結(jié)論
角接換流變因其變比較小，局放試驗(yàn)閥側(cè)加壓值較高，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需采用對(duì)稱加壓方式。使用同一臺(tái)變頻電源的對(duì)稱加壓方法存在兩端電壓不平衡的現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及仿真分析可知雙端電壓不平衡產(chǎn)生的原因主要是兩側(cè)入口電容不一致，在使用相同補(bǔ)償電抗時(shí)，在同一頻率下入口電容值較大的一端與勵(lì)磁變漏抗串聯(lián)，會(huì)將此端電壓抬高，即發(fā)生了一定程度的串聯(lián)諧振。雙端電壓不平衡時(shí)，在兩勵(lì)磁變首端及變頻電源輸出端之間存在環(huán)流，不平衡程度越大則環(huán)流越大。為保證勵(lì)磁變?nèi)萘康玫接行Ю茫璞M量減小環(huán)流，即抑制電壓不平衡。本文中筆者證明，通過電抗器的完全補(bǔ)償，可以有效地改變雙端電壓不平衡的問題且抑制環(huán)流。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)也可以通過改變勵(lì)磁變分接擋位的方法，使兩側(cè)電壓趨于相等，保證勵(lì)磁變電流不超額定值。
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作者：楚金偉 李士杰 夏谷林 伍衡 周海濱 張新波 單位：南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心