1、換流變壓器故障分析及改進(jìn)措施摘要:換流變壓器是高壓直流輸電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其故障問(wèn)題已經(jīng)成為世界各地電力行業(yè)所關(guān)注的主要問(wèn)題之一。本文從12脈動(dòng)整流器的原理出發(fā)，分析了換流變壓器故障的主要來(lái)源即換流變壓器的故障主要發(fā)生在其二次繞組，而一次側(cè)則基本不受影響。然后以正在建設(shè)的糯扎渡至鶴山800kV高壓直流輸電工程為研究對(duì)象，在EMTDC/PSCAD環(huán)境中進(jìn)行建模和分析，仿真驗(yàn)證了二次側(cè)繞組發(fā)生故障的主要原因并且針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出了三種改進(jìn)措施。關(guān)鍵詞：換流變壓器二次繞組EMTDC/PSCAD改進(jìn)措施由于功率半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展以及性能的提高，自1954年第一個(gè)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的高壓直流輸電工程投入以來(lái)，

2、高壓直流輸電已越來(lái)越受歡迎，已被廣泛應(yīng)用于世界各地長(zhǎng)距離大容量輸電。隨著世界上首個(gè)出OOkV特高壓直流輸電工程（云南楚雄至廣東穗東）的正式投產(chǎn)，第二條云廣線（糯扎渡至鶴山）于2012年4月15日也順利開(kāi)工，電網(wǎng)建設(shè)如火如荼。換流變壓器是高壓直流輸電的核心裝備，這是由于其處在交流電與直流電互相變換的核心位置以及在設(shè)備制造技術(shù)方面的復(fù)雜性和設(shè)備費(fèi)用的昂貴等所決定的。另外換流變壓器的可靠性及可用性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也是很關(guān)鍵的，直流輸電系統(tǒng)中大部分的故障都發(fā)生換流變壓器中1。因此研究高壓直流輸電系統(tǒng)中換流變壓器的故障及相關(guān)解決方案具有重大意義。1換流變壓器中故障的主要來(lái)源在目前大部分高壓直流輸電工程中

3、換流變壓器一般采用單相三繞組變壓器，但是對(duì)于大容量直流輸電工程則采用單相雙繞組變壓器。換流變壓器一次側(cè)繞組通過(guò)中性點(diǎn)接地，二次繞組通過(guò)不同的聯(lián)結(jié)組來(lái)達(dá)到30度的相位差，這樣就可以實(shí)現(xiàn)12脈沖晶閘管換流器的換相，圖1為其原理圖。一般情況下，高壓直流輸電采用12脈沖晶閘管換流器是用來(lái)消除五次諧波和7次諧波。對(duì)于三相雙繞組變壓器型式而言每個(gè)6脈動(dòng)換流器交流電流中的6(2k-1)次的諧波，在兩個(gè)換流變壓器之間環(huán)流，而不進(jìn)入交流電網(wǎng)，12脈動(dòng)換流器的交流電網(wǎng)中將不含這些諧波，因此也能有效地改善交流側(cè)的諧波性能。對(duì)于采用一組三繞組換流變壓器的12脈動(dòng)換流器，其變壓器網(wǎng)側(cè)繞組織也不含6(2k-1)次的諧波，

4、但是閥側(cè)繞組中則有(2k-1)1次諧波流過(guò)2。因此，無(wú)論哪種變壓器的連接型式，換流變壓器的二次繞組中都有大量的五次諧波和七次諧波流過(guò)，二次側(cè)繞組應(yīng)該設(shè)計(jì)為能夠抵制這些諧波的影響。CIGRE高壓直流輸電系統(tǒng)分析報(bào)告指出3，在過(guò)去的幾年中出現(xiàn)了22次故障，其中發(fā)生在二次側(cè)繞組的故障就有14次。在印度，幾乎所有的故障都發(fā)生在換流變壓器的二次側(cè)繞組。此類(lèi)故障已被歸因于腐蝕性油形成的硫化銅沉淀物，因?yàn)樵趽Q相過(guò)程中瞬變電壓會(huì)上升，導(dǎo)致溫度升高。也就是說(shuō)重復(fù)電壓瞬變引起得局部放電是最終導(dǎo)致?lián)Q流變壓器發(fā)生故障的主要原因4。文獻(xiàn)5中指出諧波漏磁通引起的換流變壓器溫度問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致其故障的發(fā)生。格蘭特和麥克德米德在

5、文獻(xiàn)6中指出，換流變壓器絕緣退化是由于其幾十年的正常運(yùn)行的熱老化引起的。2建模與分析2.1仿真實(shí)例本文以正在建設(shè)的糯扎渡至鶴山800kV高壓直流輸電工程為研究對(duì)象，分析二次側(cè)繞組諧波及其對(duì)換流變壓器的影響。利用電磁暫態(tài)仿真軟件EMTDC/PSCAD搭建其系統(tǒng)仿真模型。該工程全長(zhǎng)約1451km,是中國(guó)第二條800kV高壓直流輸電線路，額定輸送容量5000MW，額定電壓出OOkV，滿(mǎn)載時(shí)直流電流為3.125A，工程采用的換流變壓器類(lèi)型為單相雙繞組變壓器，接線型式為Y0/Y及Y0/兩種，本文則分別采用三相雙繞組和三相三繞組的變壓器型式來(lái)對(duì)換流變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電流、電壓波形及諧波分量進(jìn)行模擬。2

6、.2仿真結(jié)果與分析仿真模型采用三相雙繞組變壓器型式時(shí)，測(cè)得整流端換流變壓器一次側(cè)二次側(cè)電流及二次側(cè)電壓波形如圖3所示。當(dāng)采用三相三繞組變壓器型式時(shí)，其波形如圖4所示。圖5則為兩種不同換流變壓器型下?lián)Q流變壓器一次側(cè)電流、二次側(cè)電流及二次側(cè)電壓的頻譜對(duì)比圖，其中左圖為換流變壓器三相雙繞組型式下的頻譜，右圖為三相三繞組型式下對(duì)應(yīng)的頻譜。由仿真結(jié)果可以得出如下結(jié)論。（1）對(duì)于三相雙繞組變壓器型式而言，其一次側(cè)、二次側(cè)電流中都含有5、7側(cè)諧波，但12脈動(dòng)換流器的交流電網(wǎng)中將不含這些諧波，因此也能有效地改善交流側(cè)的諧波性能。對(duì)于采用一組三繞組換流變壓器的12脈動(dòng)換流器，其變壓器網(wǎng)側(cè)繞組織也不含5、7次的諧

7、波，但是閥側(cè)繞組中則有5、7次諧波流過(guò)?？梢?jiàn)無(wú)論采用哪種換流變壓器型式，其二次側(cè)都會(huì)有5、7次諧波電流流過(guò)。（2）對(duì)換流變壓器二次側(cè)繞組的電壓和電流進(jìn)行分析，結(jié)果表明，當(dāng)整流器觸發(fā)角為13時(shí)，電壓和電流的總諧波失真（THD）大于20%,可知二次側(cè)繞組有非常重的諧波負(fù)載。由于這些高次諧波的存在，二次側(cè)繞組的絕緣問(wèn)題就變得很?chē)?yán)重了。（3）從二次側(cè)繞組的電壓波形可以觀察到電壓的變化率（dv/dt）約為1.5kV/Q。這些瞬變電壓經(jīng)常出現(xiàn)在換流變壓器的二次側(cè)繞組中，并且隨著觸發(fā)角的增加而增加，會(huì)進(jìn)一步降低換流變壓器的二次側(cè)繞組的絕緣性能。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)換流變壓器時(shí)，應(yīng)該考慮到二次側(cè)繞組這些諧波問(wèn)題并且分

8、段絕緣技術(shù)應(yīng)當(dāng)落實(shí)到位。然而，從電壓波形我們還可以看出二次側(cè)繞組承受的應(yīng)力也是非常大的，這導(dǎo)致了局部放電現(xiàn)象。因此，換流變壓器的故障最終將不可避免。3相關(guān)改進(jìn)措施由于換流變壓器具有足夠大的短路阻抗，當(dāng)電流換相時(shí)變壓器二次側(cè)繞組中將會(huì)出現(xiàn)電壓瞬變，對(duì)換流變壓器造成不利影響。通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)降低瞬變電壓。減少換相重疊角：在換流器的直流側(cè)引入電容，可減少換相重疊角7，如圖5所示。該電容不僅能夠防止直流母線電壓下降而且能夠降低電源電感的影響而減少換相重疊角。因此，換相過(guò)程變快時(shí)，換相過(guò)程中的電壓瞬變也被遏制。當(dāng)對(duì)此裝置進(jìn)行系統(tǒng)模擬時(shí)，電壓峰值會(huì)降低。換向過(guò)程中最大的電壓峰值由原來(lái)的200kV降為15

9、0kV，電壓THD值也從原來(lái)的20%減少到17%，只有5次諧波電流在換流變壓器的二次側(cè)繞組中存在較多。R-C電路中電容值是由連接到每6脈沖晶閘管的換流變壓器的電抗值決定的。電阻的阻值則通過(guò)重復(fù)的計(jì)算機(jī)模擬得到。在換流變壓器的二次側(cè)繞組加濾波器：目前，對(duì)直流輸電系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制的實(shí)用方法是采用濾波裝置，在換流器的交流側(cè),濾波裝置大都并聯(lián)在換流變壓器交流側(cè)的母線上。換流變壓器閥側(cè)變流裝置對(duì)變壓器形成諧波源，而濾波器接在網(wǎng)側(cè)的交流系統(tǒng)母線上，這樣，諧波功率和無(wú)功功率都要通過(guò)變壓器的原副邊繞組傳送到交流電網(wǎng)和網(wǎng)側(cè)的電力濾波裝置，不僅要占用變壓器的繞組容量，還要增加繞組的額外銅損和鐵損，增加電磁

10、干擾和絕緣困難，并導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)和噪聲。所以如果有一個(gè)的方法能夠在換流變壓器的二次側(cè)添加濾波器，那么它將會(huì)減少二次側(cè)繞組的諧波并且一次側(cè)濾波器的成本也可降低。（3）在換流變壓器的二次側(cè)繞組中引入RC緩沖器：當(dāng)勵(lì)磁電壓的頻率與繞組部分的固有頻率相等時(shí)，變壓器繞組中會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓8。在這種情況下，過(guò)電壓在繞組內(nèi)部建立的高振幅諧振會(huì)破壞變壓器內(nèi)部絕緣。為了避免這些問(wèn)題，可以從二次繞組終端引入RC緩沖器然后接地，或采用RC緩沖器直接與二次繞組并聯(lián)。Soyal9指出，低于避雷器的保護(hù)級(jí)別的高頻瞬態(tài)電壓會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)部電壓應(yīng)力，可能導(dǎo)致繞組部分介質(zhì)擊穿。RC緩沖器可以抑制這些操作過(guò)電壓。然而，沒(méi)有直接的方法來(lái)

11、決定R和C的值，必須通過(guò)反復(fù)的計(jì)算機(jī)模擬，模擬過(guò)程中保持損耗在最低限度。4結(jié)語(yǔ)因此，分析換流變壓器二次側(cè)的應(yīng)力，可以歸納如下：電壓中的諧波和二次側(cè)繞組的電流都會(huì)引起應(yīng)力。這主要是5次和7次諧波由變壓器阻抗大所引起的換向重疊，會(huì)導(dǎo)致電壓的變化率大。這些副作用可以通過(guò)以下技術(shù)使之最小化：（1）在直流環(huán)節(jié)連接一個(gè)電容，（2）在二次側(cè)連接無(wú)源濾波器，（3）在相繞組和繞組接地端子之間連接RC緩沖器。在這三種解決方案中，直流環(huán)節(jié)的電容器和無(wú)源濾波器的組合似乎要得到最好的結(jié)果。然而，由于在PSCAD/EMTDC軟件的限制，變壓器繞組瞬態(tài)建?？赡懿荒軠?zhǔn)確地進(jìn)行。為了獲得準(zhǔn)確的二次側(cè)濾波器和RC緩沖器上的應(yīng)力減

12、少的結(jié)果，準(zhǔn)確的變壓器繞組瞬態(tài)模型是非常必要的。參考文獻(xiàn)韓民曉，文俊，徐永海高壓直流輸電原理與運(yùn)行M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.趙婉君.高壓直流輸電工程技術(shù)M.北京沖國(guó)電力出版社,2004:1-43.BASTOSGM,BrandaoJC,SANTELLIJ,etal.HVDCConverterTransformerPerformaneeonITAIPUSystemC/CIGREParisSymp,Paris,Franee:s.n.,2006.MCDERMIDW,GLODJOA,BROMLEYJC.AnalysisofWindingFailuresinHVDCConverterTransf

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