直流输电中换流变压器运行特性解析

李文+金磊

摘 要：对于高压直流输电系统，换流变压器的作用是连接交、直流侧电网，但其却常因运行环境恶劣而频发故障。其中，换流变压器故障是指继电保护装置常由变压器主绝缘缺陷引起的励磁电流畸变、局部放电所致，其在任一情况下都会危及直流输电系统运行的安全稳定性。据此，文章作者主要探究直流输电中换流变压器的运行特性。

关键词：直流输电系统；换流变压器；运行特性

中图分类号：TM406 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）21-0039-02

引言

换流变压器作为高压直流输电系统最为关键的设备，其运行环境非常恶劣，从而严重制约了我国电网建设质量的提高。为了深入探究直流输电中换流变压器的运行特性，作者以XX市直流输电系统为例展开讨论。自初次投入运行至今，该直流输电系统中的换流变压器频发运行故障，究其原因包括：一是换流变压器的主绝缘在结构上存在设计缺陷；二是直流偏、励磁涌流干扰引起磁电流畸变，继而使继电保护装置出现误动。据此，作者通过分析换流变压器运行特性，可确定变压器的薄弱点，并制定出科学的改进方案，从而保障了直流输电系统运行的稳定性。

1 换流变压器绕组端的电场分析

在本章节，作者选用ELECTNET有限元仿真软件，对换流变压器绕组端的线性、非线性电场进行仿真分析，即：

1.1 线性电场分析

以一台±400kV换流变压器为例，并在不考虑端部出出线影响的情况下，建立图1所示的换流变压器端部绝缘模型。

备注：ab-上铁轭边界；ad-铁心柱边界；bc-旁轭边界；T、N、V-双调压、网侧、阀侧绕组与其静电环

图1 换流变压器端部绝缘模型

依据实测值，通过实体正圆弧拉伸模型来添加曲率半径，同时鉴于换流变压器采用的是轴对称结构，则二维电场仿真结果与实际基本相符。按材料边沿增密25%、曲线最大剖分角10°及最大尺寸2mm的标准有限元剖分得到52.5531万个三角形单元，并在其内线性插值。换流变压器绝缘结构的强度常表征为绝缘裕度，即其为许用场强与最大场强的比值。根据换流变压器端部绝缘模型，分别在N、V处施加电压。

针对场强集中在角环楔形结构内凹尖端的现象，建模分析得知，改进直角楔形的结构，并及时察觉绝缘纸板的缺陷，便可加以避免。

1.2 非线性极性反转电场分析

作者重点研究油纸绝缘电导率的非线性与换流变压器端极性反转电场分布的关系，即：首先，按材料邊沿增密25%、曲线最大剖分角10°及最大尺寸2mm的标准有限元剖分，并在三角形中线性插值，然后用二阶Newton-Raphson非线性求解器计算极性反转电压，注意每算一步迭代20次及其许用公差取0.1%。倘若使用图1所示模型计算，耗时37h，且精度低及仿真运算难收敛。为此，在综合考虑的基础上建立换流变压器网侧对阀侧端模型。有限元剖分得到10.5337万个三角形单元，其计算耗时8h，且收敛速度明显加快。为了探明油纸绝缘电导率与电场分布的关系，仿真采取油道分段加温法，并分别在网、阀侧设5个油道，仿真编号为1-10。根据电力线的分布来看，在1-6号仿真压板上，电力线出现回环、扭曲现象，表明大量电荷积聚于此；在7-10号压板上，未出现电荷积聚现象，表明压板上的电荷因场强或低温非线性的影响而出现积聚速度骤降或消散速度激增的现象。绝缘纸板、长时直流电压下及极性反转电压下的变压器油许用场强分别是40、10和12kV/mm。仿真结果显示，在任一情况下，绝缘纸板的绝缘裕度都非常大。

2 直流偏磁与励磁涌流仿真分析

以一台405.2MVA/530kV单相双绕组换流变压器为例，其采用了无励磁调压、OFAF强油风冷冷却装置、Iio联结及绕组端进线。下面，作者运用PSCAD/EMTDC提供的UMEC模块建立仿真模型，用以研究换流变压器的励磁电流特性，即：

2.1 直流偏磁时空载励磁电流仿真

在换流变压器仿真模型中，开关始终闭合，便可消除励磁涌流对变压器的影响。研究发现，在直流偏磁的影响下，换流变压器的励磁电流会发生改变，究其原因是励磁电流谐波含量变化的影响。根据数学函数推导结果，这一励磁电流的周期函数与狄里赫利条件相符，即可展开得到系列谐波总和的收敛傅里叶级数：

据此公式，运用MATLAB软件变换励磁电流，便可获得励磁电流在稳定时的谐波含量，即其具有下列特征：一是倘若没有直流电流分量，则励磁电流没有偶次谐波；二是在直流电流分量的递增中，励磁电流含有偶次谐波、七次谐波及其谐波含量同步增加；三是直流分量升至1.2%额定电流前，仅偶次谐波的含量出现剧增走势；四是直流电流分量升至规定值后，仅1-3次谐波呈持续增长走势。另据研究发现，倘若换流变压器出现直流偏磁现象，电能质量则会受到谐波电流的污染，同时当谐波过大时，会降低电力系统的电压及引起继电保护发生误动作等，从而严重危及电网运行的稳定性。

2.2 励磁涌流时空载励磁电流仿真

在模拟励磁涌流时，直流电流归零，并在模型中的开关上增设合闸触发角？琢，同时在0-2？仔区间每？仔/36开展一次仿真。仿真结果显示，若？琢=0或？仔，励磁电流出现最大幅值；若0<？琢<？仔，励磁电流的幅值呈递减走势；若？琢=？仔，电力系统进入稳态；若<？琢<？仔，励磁电流的峰值呈递增走势；若？仔<？琢<2？仔，其仿真结果与0<？琢<？仔的波形一致，仅存在正负性差异。

2.3 直流偏磁与励磁涌流的叠加作用

在模拟直流偏磁与励磁涌流叠加时的励磁电流时，合闸触发角？琢设为0，而直流电流取±10.2%额定电流。模拟结果显示，励磁电流在同向叠加时的峰值增大，而在反向叠加时减小及其衰减速率非常快。据此说明，若衰减时间过短，更易引起换流变压器发生保护装置误动作。

3 结束语

在本文，作者举例研究了直流输电中换流变压器的运行特性。首先，运用ELECNET有限元仿真软件，仿真分析了换流变压器端的电场，结果显示通过改进直角楔形的结果，可使其场强值下降；对于非线性主绝缘，油道温度梯度可使主绝缘电场的分布得以改善；限制非线性变换对材料或温度电导率的影响，可使压板上电荷的积聚得以改善。其次，运用PSCAD软件，仿真分析了换流变压器的直流偏磁、励磁涌流。总之，换流变压器的运行状态与高压直流输电系统的稳定运行息息相关，因此深入研究换流变压器的运行特性具有现实意义。

参考文献：

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