涌流抑制装置在换流站直流输电的应用

宋洁

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

涌流抑制装置在换流站直流输电的应用

宋洁

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

断开电源时的分闸相位角与变压器磁路极性和数值有直接联系,而合闸相位角则与偏磁的极性和数值有关。只要能够控制变压器空载合闸时电源电压的合闸相位角,并且确定了变压器末次断电时刻磁路中的剩磁极性,就能实现剩磁与偏磁极性相反,从而消除磁路饱和,由此达到抑制励磁涌流的目的。

励磁涌流;抑制;选相合闸

1 前言

换流变本质上也是一个电感,其值受磁路铁心饱和程度影响,当磁路饱和时电感值大幅下降,电感值下降就意味着电抗下降,励磁电流随之增加。当变压器任一绕组感受到外施电压突增时,基于磁链守恒定律,该绕组将立即产生一个抵御外加磁通的反磁通,如果这一反磁通和原来磁路中的剩磁极性相同,则可能导致磁路饱和,进而产生很大的励磁涌流。励磁涌流是不可避免的,因此,如何在变压器投入时产生励磁涌流情况下仍使继电保护装置不误动已成为研究的热点。通过数学或物理方法识别励磁涌流的特征,试图躲过励磁涌流的影响,运用于实践的有二次谐波制动原理、间断角原理、波形对称原理,但是始终没有彻底有效地解决,因为每一次涌流发生时的特征都不是完全一致的,它和合闸角、剩磁等很多现场实时因素有关。

2 剩磁、偏磁与励磁涌流

空载时初级绕组的电压方程：

式中：N1、R1分别为初级绕组的匝数及电阻,其中φ为其交链的总磁通。

可改写为

式中：α为t=0时U1的初相角,又

其中L1为初级绕组的自感,式 (2)可改写为

考虑到电阻R1很小,即很小,从而L1可近似看作常数,故式 (3)用微分方程表示可以写作：

由式 (4)可以看出电源加在变压器初级绕组后在磁路中的总磁通φ中有两个分量,即稳态磁通φs和暂态磁通φp(又称偏磁),β为初级绕组阻抗角。

A可由合闸时 (t=0)的初始条件确定,即t =0前后瞬间磁通中φ+0和中φ-0相等,且均为磁路中的剩磁中φr,φr的取值可为正值,故冠以“±”,将t=0、φ=±φr带入式 (5) 得到：

A=±φr-φmsinα (8)

将A代入式 (5)

即 (9)

式 (9)表达了在初级电压U1的相位角为α时给变压器加上电压U1的瞬间变压器磁路中的磁通,第一项φ=φmsin(ωt+α)是与电压U1对应的稳态磁通分量φs;第二项±φr是变压器在上一次断电时产生的剩磁,断电瞬间磁滞回线工作点的部位决定了其极性和数值;第三项是磁链守恒定律中提到的抵制有电瞬间产生稳态磁通中φs的偏磁中φp,φp的初始值与t=0时中φs的瞬时值相等,极性相反,φp将按时间常数τ衰减。

在式 (9)中前一项为总磁通的稳态分量φs,后一项为暂态分量即偏磁φp,由式 (9)可以看出,当电源电压U1在初相角α=90°或α=270°时合闸,偏磁为

而α=0°或α=180°时合闸,偏磁为φp=±φr。由此可知变压器空载投入时电源电压U1时会有不同的初相角,每次所产生的偏磁φp极性和数值也会不同,再与剩磁φr与φs叠加,使磁路的总磁通有可能会超过变压器设计的饱和磁通中φset而导致磁路饱和,初级绕组电抗急剧下降,进而产生很大峰值的励磁涌流。

3 控制合闸角 控制励磁涌流

总磁通由剩磁、偏磁 (暂态磁通)及稳态磁通三者组成。如剩磁为正,即磁路更易饱和,励磁涌流幅值会更大;如剩磁为负 (剩磁和偏磁极性相反),则磁路不会饱和,励磁涌流将不会出现。

停运断电时的三相电压分闸相位角决定了变压器的剩磁极性及数值,在磁路不饱和时三相磁路的磁通其波形与三相电压一样,都是正弦波,且磁通波形滞后电压90°,可以理解为当某相的电压在某个相位角时断电,则该相磁路的磁势在滞后电压90°的位置上突降为零,如果这个突降点发生在磁通波形的正半周,则可推断该相磁路的剩磁为正,反之为负。这也就是说只要知道某相电压的分闸角,即可推断出该相剩磁的极性。而基于磁链守恒定律,变压器在空载上电时将产生一个与合闸电压相位角相关的反磁通(偏磁),以保持上电瞬间磁路中的总磁链不变。因此,通过获取分闸角的数值来决定下次合闸时合闸角的方法,使其不产生偏磁,从而避免空投电源时磁路出现饱和;随着偏磁φp的衰减,总磁通φ将逐步与稳态磁通φs重合,变压器进入稳态运行。

4 主要运用

溪洛渡右岸电站送电广东±500 kV同塔双回直流输电昭通换流站配置的涌流抑制装置包括为换流变网侧交流系统断路器配置的PCS-9830AB断路器选相分合闸装置和为交流滤波场投切电容器开关配置的SID-3YL涌流抑制器。

为换流变网侧交流系统断路器配置的PCS-9830AB断路器选相分合闸装置其作用是为三相联动断路器机构提供选相分合闸功能。装置实时采集母线PT电压,随机接收来自于控制系统的分合闸命令,在合适的电压相位处,经适当延时发出分相的合闸命令,根据外部环境参数对断路器机构的动作特性影响进行补偿,并考虑到现场实际开合过程的燃弧和预击穿特性,使开关总能在预定的电气相位进行实际分合,有效地避免随机开合所造成的暂态过电压或涌流。通过控制断路器分闸相位影响剩磁,通过控制断路器合闸相位使得偏磁恰好和剩磁抵消,从而在合闸瞬间综合磁通接近于正常运行状况下的稳态磁通从而避免磁通叠加造成饱和,主动抑制励磁涌流的大小。

图1 过零点合闸示意图

Tdelay=N*T/2-Tclose-Tcdly

T忆delay=Tdelay+Tpres

其中：

Tdelay是不考虑预击穿时装置计算出的延时时间;

T忆delay是考虑预击穿后装置计算出的延时时间;

T是基准电压的周期;

Tclose是断路器机构的合闸时间;

Tcdly是二次回路延时,主要是继电器或IGBT的动作时间;

Tpres是预击穿时间。

由图1可以看出,t3时刻为有流时刻,t4时刻可以理解为断路器动静触头接触时刻。t3至t4之间定义为Tpres,这段时间并不能准确预计,所以只能在静态试验下首先确定t4时刻来作为一个时间基准,人为的预估一个Tpres的值固定。然后经现场一个实测合闸过程后,按照实际波形的合闸过零点反过来调整Tdelay的值,起到断路器下次合闸点在预计的t3时刻。从而控制住开关的选项合闸过程。

对于空载变压器类电气设备随机合闸充电时,理想状况是合闸在90°或者270°时刻。而三相联动机构的断路器三相分闸时分闸角度相差120°,三相剩磁极性和大小各异,但合闸时三相的合闸角也相差120°,三相偏磁极性也各不相同,只要分闸相位和合闸相位相同,则对于特定某相磁路来说,其偏磁和剩磁的相位恰好相反,叠加时相互抵消,从而达到抑制励磁涌流的效果。

图2 昭通换流站工程牛从甲直流极2换流变第一次充电试验电流波形

由图2可以看出在电压过零点时,经适当延时发出分相的合闸命令,对断路器机构的动作特性影响进行补偿,可从录波图上看出,A、B相并未出现励磁涌流,这说明充分考虑到现场实际开合过程的燃弧和预击穿特性,较为准确的修正了Tpres的值,使断路器动、静触头在系统电压波形的指定相角处合上。避免暂态过电压或涌流,使设备在对自身和系统冲击最小的情况下投切入。而YY换流变网侧开关C相合闸在过零点处,出现了励磁涌流,最大值为1.2627 kA。这次充电的波形可以作为下次预调的参考,更加准确的设定Tpres时间。

图3 昭通换流站工程牛从甲直流极2换流变第二次充电试验电流波形

在第一次冲击完毕后变压器剩磁慢慢衰减,并且基于第一次波形的参考,调整出 Tpres的值,开关有效地在目标合闸点合上。由图三看出第二次冲击时YY/YD换流变阀侧和网侧均无励磁涌流出现。

昭通换流站交流滤波场投切电容器开关配置的是SID-3YL涌流抑制器,对于电容器投切控制,主要目的为控制合闸时电压不发生突变和减小涌流从而减小暂态过程对电力一次设备的冲击,通常对对电容器的合闸操作在其充分放电后进行,故一般仅做选相合闸控制,对于联动机构操作时,则只有分别对分合闸进行选相控制才能取得一定效果。

图4 大地回线解锁时投入滤波器第二大组母线电压和571小组电流波形

电源侧电压接入UA为角度基准时,合闸控制模式选择快速同步,合闸角度设置为A相合闸角0°,B相合闸角120°,C相合闸角60°,则在不考虑断路器合闸时间及各种补偿因素的情况下,装置在接收到合闸信号后,将在电源侧电压UA角度为0°时合断路器A相,在60°时合断路器C相 (C相自身角度为180°),在120°时合断路器B相 (B相自身角度为0°)。由图四可以看出交流滤波器组投入顺序是C、B、A相顺序,时间间隔3.3ms角度相差60°,与原理相符。

5 结束语

对三相变压器来说,无论在何时合闸,励磁涌流都会不同程度的在合闸瞬间出现。励磁涌流幅值激增并且衰减慢,由此可能会导致保护误动退出变压器运行。2013年9月6日,昭通换流站工程牛从甲直流极2换流变充电试验过程中,阀组在操作到闭锁状态时刻极2换流变压器的差动保护动作,跳开断路器。励磁涌流导致变压器保护误动。如果正式投运后,这样的事件还可能引起正常运行极的直流电压波动,这是由于变压器合闸时,其励磁回路可能会发生饱和,而饱和时励磁阻抗大大下降,从而导致交流母线电压下降,进而影响到正常运行的直流输电系统。经过一系列励磁涌流抑制器在实际电网中进行了空载合闸与投切的试验,试验结果与分析证明了励磁涌流抑制器的有效性,在工程实际应用中价值得到了体现。

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Application and Analysis of Inrush Current Suppression Device in the Converter Station of Zhaotong HVDC Project

SONG Jie
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217)

The opening phase angle is related to the polarity and value of magnetic,while the closing phase angle is related to the polarity and value of bias.As long as controlling the closing phase angle of the power supply voltage with no-load and making sure the remanence polarity in the last power off time,it is achieved that the remanence polarity is opposite to the bias polarity and the field saturation disappears.Thereby,the suppression of inrush current may be achieved.

Inrush current;suppression;connection with pre-selecting electrical phase

TM85

B

1006-7345(2014)03-0067-04

2013-12-24

宋洁 (1984),女,工程师,云南电网公司电力研究院,主要从事继电保护专业工作 (e-mail)778579901@qq.com。