500kv換流站鐵磁諧振仿真分析

0換流站鐵磁諧振問題的研究由于變量的磁飽和特性，當(dāng)電子系統(tǒng)中存在導(dǎo)線斷裂、果肉斷裂的非全相操作或嚴(yán)重的不相容性操作時(shí)，以及降低開關(guān)的非全相熔斷，很容易引起鐵磁感和衰減。鐵磁諧振不僅造成過電壓,還會(huì)引起過電流,導(dǎo)致瓷絕緣閃絡(luò)、避雷器爆炸、PT高壓熔絲熔斷等,甚至燒毀PT,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行,因此一直是人們普遍關(guān)注的問題,并做了大量的研究,包括理論分析、各種試驗(yàn)以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真[9,10,11,12,13,14,15]等,提出了一系列抑制鐵磁諧振的措施,研制了相應(yīng)的裝置,在系統(tǒng)運(yùn)行中取得了一定的效果[16,17,18,19,20,21],但鮮見換流站鐵磁諧振相關(guān)的研究。德陽換流站自2009年12月交付使用以來,站用變500kV側(cè)失去電源后,先后5次出現(xiàn)了電壓長(zhǎng)時(shí)間不消失現(xiàn)象,經(jīng)過分析排除了開關(guān)存在絕緣恢復(fù)性能不良問題,認(rèn)為可能的原因是分閘操作激發(fā)引起鐵磁諧振過電壓。隨著我國(guó)直流輸電的廣泛應(yīng)用,換流站的鐵磁諧振過電壓防護(hù)需求較大,開展換流站鐵磁諧振機(jī)制及影響因素的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文以德陽換流站為例,利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC對(duì)換流站的鐵磁諧振過電壓進(jìn)行仿真,分析了站用變勵(lì)磁特性拐點(diǎn)、站用變?nèi)萘康葘?duì)鐵磁諧振的影響,在此基礎(chǔ)上對(duì)比分析了各種消諧措施的抑制效果,得出適合超(特)高壓換流站鐵磁諧振的抑制措施。1交換流站鐵磁損失位移模擬分析1.1站仿真系統(tǒng)為分析換流站鐵磁諧振過電壓,采用電磁暫態(tài)軟件PSCAD/EMTDC對(duì)其進(jìn)行仿真,換流站仿真系統(tǒng)如圖1所示。仿真時(shí)考慮變壓器套管電容和繞組分布電容的影響。CVT主電容5000pF;斷路器斷口均壓電容2500pF;系統(tǒng)電壓525kV;系統(tǒng)阻抗2+j10uf057;變壓器的參數(shù)如表1所示,變壓器勵(lì)磁特性曲線由廠家直接提供,如圖2所示。1.2鐵磁諧振過程鐵磁諧振過電壓主要是由帶鐵心的電感元件隨著電流的或磁通的變化出現(xiàn)飽和時(shí)引起,站用變?cè)诓煌妷合碌膭?lì)磁電流如表2所示。由表2可以看出,在0.8~1.05Ue間,站用變勵(lì)磁阻抗快速變小。工頻下,2臺(tái)斷路器均處于熱備用狀態(tài)時(shí),均壓電容并聯(lián)值為2500pF,自系統(tǒng)母線看過去的站用變系統(tǒng)等值阻抗呈現(xiàn)容性特征,這時(shí)將可能出現(xiàn)諧振。振蕩過程中各相電壓電流關(guān)系如圖3所示,ua1為I母線對(duì)地電壓,ua2為CVT主電容上承受的電壓,ia1(ib1,ic1),ia2(ib2,ic2),ia3(ib3,ic3)分別為圖1中ia,b,c,1、ia,b,c,2、ia,b,c,3處的a相(b,c相)電流。以系統(tǒng)電壓處于正半周時(shí)段為例,說明該換流站用變鐵磁諧振過程。系統(tǒng)電壓正半周、換流變500kV側(cè)電壓處于負(fù)值平坦段期間,自系統(tǒng)看去,包括均壓電容在內(nèi)的站用變系統(tǒng)呈容性,由此決定流過均壓電容的電流與系統(tǒng)電壓間的相位關(guān)系。當(dāng)站用變端電壓在0.8Ue以下,CVT主電容與勵(lì)磁阻抗構(gòu)成第1組參數(shù)關(guān)系。由CVT主電容與站用變勵(lì)磁阻抗確定的自由振蕩頻率決定了此時(shí)段站用變電壓變化過程呈現(xiàn)第1種參數(shù)諧振特征。均壓電容的容性電流特征影響了第1組參數(shù)下站用變電壓變化過程。受流過均壓電容的吸出電流影響,換流變電壓負(fù)向進(jìn)入勵(lì)磁特性拐點(diǎn)附近,使勵(lì)磁阻抗快速減小形成第2組參數(shù)關(guān)系。在第2組參數(shù)下,勵(lì)磁電抗大幅減小導(dǎo)致CVT放電電流快速增大,CVT主電容與勵(lì)磁電感決定的振蕩頻率和能量交換電流遠(yuǎn)高于前者,導(dǎo)致出現(xiàn)站用變500kV端電壓快速變化,電壓變化過程表現(xiàn)為第2組參數(shù)諧振特征。在站用變磁場(chǎng)能量作用下,完成CVT反極性充電,站用變電壓進(jìn)入正半周。由于損耗的存在,站用變勵(lì)磁參數(shù)處于第1組參數(shù)邊界狀態(tài),從而進(jìn)入下一個(gè)振蕩過程。在系統(tǒng)電壓負(fù)半周期間發(fā)生相似過程。站用變采用三柱式鐵心結(jié)構(gòu),使三相勵(lì)磁阻抗相互影響,鐵磁諧振期間三相勵(lì)磁阻抗同時(shí)發(fā)生相似變化。均壓電容電流的引導(dǎo)作用,使鐵磁諧振過程呈現(xiàn)與工頻同步的特征。上述特點(diǎn)使站用變系統(tǒng)鐵磁諧振表現(xiàn)為諧振電壓與工頻同步、三相相位相差180uf0b0(其中一相與另兩相相差180uf0b0)、諧振期間零序電壓基本為零的特征。2分析磁強(qiáng)電壓損失的影響因素2.1鐵磁諧振現(xiàn)象為考察斷路器斷弧時(shí)刻相位對(duì)激發(fā)鐵磁諧振的影響,仿真時(shí)斷弧時(shí)間間隔取為1ms,5022開關(guān)處于熱備用狀態(tài),斷開5021開關(guān)仿真結(jié)果如表3所示,表中只給出了諧振時(shí)刻的結(jié)果。5022開關(guān)處于冷備用狀態(tài)時(shí),分5021開關(guān),只在0.606s時(shí)出現(xiàn)了諧振現(xiàn)象,且動(dòng)態(tài)過程時(shí)間小于0.2s,相地電壓峰值491kV;斷口電壓峰值912kV。根據(jù)上述仿真結(jié)果可以看出站用變斷開電源的過程可以激發(fā)鐵磁諧振現(xiàn)象。站用變鐵心與斷路器斷口電容、CVT主電容等元件構(gòu)成諧振系統(tǒng),鐵磁諧振現(xiàn)象導(dǎo)致斷開站用變電源后,站用變500kV側(cè)電壓不消失。發(fā)生振蕩激發(fā)條件與分閘角度有關(guān)。當(dāng)一臺(tái)斷路器處于熱備用狀態(tài)時(shí)拉開另一臺(tái)斷路器,容易激發(fā)鐵磁諧振,分閘操作激發(fā)鐵磁諧振的概率約為60%~65%。一臺(tái)斷路器處于冷備用狀態(tài)時(shí),拉開另一臺(tái)斷路器,激發(fā)鐵磁諧振的概率大幅下降,分閘操作激發(fā)鐵磁諧振的概率約為5%~10%,斷路器處于不同的備用狀態(tài),對(duì)發(fā)生諧振的概率有較大的影響。不同時(shí)刻斷開斷路器產(chǎn)生諧振過電壓的持續(xù)時(shí)間以及幅值均不同。2.2變中性點(diǎn)添加電阻仿真改變勵(lì)磁特性拐點(diǎn)位置對(duì)鐵磁諧振的影響見表4,仿真中斷口電容取2500pF,CVT主電容取5000pF。仿真結(jié)果表明,改變勵(lì)磁特性拐點(diǎn)位置會(huì)影響鐵磁諧振表現(xiàn)形式。拐點(diǎn)電壓的小量提高(如提高到1.15倍)將使諧振難以進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),鐵磁諧振動(dòng)態(tài)過程時(shí)間加長(zhǎng),使出現(xiàn)危險(xiǎn)高值過電壓的可能性增加。只有將站用變勵(lì)磁特性拐點(diǎn)位置提高到目前位置的1.2倍以上,才有可能通過提高拐點(diǎn)電壓消除鐵磁諧振。2.3中性點(diǎn)加裝電阻對(duì)諧振的影響在站用變500kV中性點(diǎn)加裝消諧電阻的仿真結(jié)果如表5所示。仿真中斷口電容2500pF,CVT主電容5000pF。由表5可見在站用變中性點(diǎn)加裝電阻器,對(duì)抑制此類鐵磁諧振無作用。這與站用變鐵心為三柱式結(jié)構(gòu)及鐵磁諧振能量交換過程未涉及站用變零序回路有關(guān)。2.4電壓發(fā)生情況保持站用變勵(lì)磁特性形狀不變,改變站用變?nèi)萘繒r(shí),鐵磁諧振過電壓發(fā)生情況如表6所示。仿真中斷口電容取2500pF,CVT主電容取5000pF,開關(guān)在0.602s開斷。仿真結(jié)果表明,增大站用變?nèi)萘坑兄谝种畦F磁諧振的發(fā)生。2.5高頻電流的頻率在設(shè)備實(shí)際參數(shù)條件下,0.607s時(shí)刻斷路器斷弧激發(fā)的鐵磁諧振過程如圖4所示,0.609s時(shí)刻斷路器斷弧激發(fā)的鐵磁諧振過程如圖5所示?？梢钥闯?鐵磁諧振期間高頻電流的頻率與變壓器勵(lì)磁曲線的拐點(diǎn)特性有關(guān)。鐵磁諧振期間出現(xiàn)頻率約為250Hz的高頻電流分量。鐵磁諧振進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后,變壓器支路250Hz高頻電流峰值約為6.4A,流過2臺(tái)斷路器斷口電容的高頻電流峰值約為2.0A。流過CVT主電容的高頻電流峰值約為4.4A。在目前參數(shù)下,可能存在鐵磁諧振動(dòng)態(tài)過程較長(zhǎng)的情況。在動(dòng)態(tài)過程期間流過變壓器勵(lì)磁支路的高頻電流峰值接近18A,流過2臺(tái)斷路器斷口電容的高頻電流峰值約為5A。流過CVT主電容的高頻電流峰值最大值達(dá)到12.2A。3鐵磁耦合抑制措施研究3.1不同斷弧工況下投入消諧負(fù)荷的比較斷路器均壓電容為2500pF、CVT主電容為5000pF,一臺(tái)開關(guān)為熱備用狀態(tài)。斷開運(yùn)行開關(guān)的同時(shí)投入阻尼負(fù)荷,不同斷弧角度時(shí)需要投入阻尼負(fù)荷的數(shù)值如表7所示。當(dāng)一臺(tái)開關(guān)為冷備用狀態(tài),斷開運(yùn)行開關(guān)的同時(shí)投入阻尼負(fù)荷,不同斷弧角度時(shí)需要投入阻尼負(fù)荷的數(shù)值如表8所示。由表7和表8可以看出,如采用斷開站用變開關(guān)后臨時(shí)投入消諧電阻,則消諧電阻的投入將帶一定延時(shí)。需考慮延時(shí)投入消諧電阻對(duì)消諧效果的影響。在斷弧時(shí)刻為0.600s時(shí),投入消諧負(fù)荷的延遲時(shí)間Tys與消諧容量Pzn間的關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出:快速投入消諧負(fù)荷,可有效減小消諧負(fù)荷容量。如不能保證在30ms時(shí)間內(nèi)可靠投入消諧負(fù)荷,則可靠消諧的負(fù)荷值隨投入延時(shí)發(fā)生巨大波動(dòng)。根據(jù)仿真結(jié)果,當(dāng)消諧負(fù)荷大于150kW時(shí),可以有效消諧;考慮一定的裕度,建議實(shí)際采用的消諧負(fù)荷取仿真值的2倍。3.21除諧振的效果利用10kV側(cè)并聯(lián)低壓電抗器消除諧振的效果見表9。根據(jù)表9仿真結(jié)果可知,不能采用站用變10kV側(cè)加裝并聯(lián)低壓電抗器的方法消除諧振。3.3鐵磁振幅隨交流歸因的變化CVT主電容5000pF,10kV側(cè)空載條件下,改變斷路器均壓電容值,當(dāng)分閘角度變化時(shí)激發(fā)鐵磁諧振的情況見表10。表中電容值是2臺(tái)斷路器的總均壓電容值。由表10可以看出:當(dāng)斷路器均壓電容數(shù)值為900pF時(shí),仍有發(fā)生鐵磁諧振的可能,發(fā)生概率約為5%。當(dāng)斷路器均壓電容數(shù)值為800pF時(shí),個(gè)別角度下鐵磁諧振處于臨界狀態(tài),鐵磁諧振在0.1s內(nèi)自動(dòng)消失。當(dāng)斷路器均壓電容數(shù)值為750pF時(shí),按0.5ms步長(zhǎng)檢查分閘(斷弧)時(shí)刻變化對(duì)激發(fā)諧振的影響,仿真中未發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象。3.4改變CVT主電容斷路器均壓電容2500pF、10kV側(cè)空載條件下,改變CVT主電容值。當(dāng)一臺(tái)開關(guān)為冷備用狀態(tài),斷開運(yùn)行開關(guān)時(shí),鐵磁諧振隨分閘角度變化的情況見表11。由表11可見,將CVT主電容值改為10000pF,不能完全消除鐵磁諧振。4鐵磁振幅的消除1)本文對(duì)換流站的鐵磁諧振機(jī)制和影響因素進(jìn)行了研究,結(jié)果表明均壓電容值對(duì)鐵磁諧振的影響很大。斷路器的備用狀態(tài)對(duì)鐵磁諧振發(fā)生的概率影響較大,當(dāng)處于熱備用狀態(tài)時(shí),概率約為60%~65%,處于冷備用狀態(tài)時(shí),概率約為5%~10%,且斷路器在不同時(shí)刻斷開諧振過電壓持續(xù)的時(shí)間以及產(chǎn)生的過電壓峰值均有很大的差異;增大勵(lì)磁特性的拐點(diǎn)以及站用變?nèi)萘坑兄谝种畦F磁諧振的發(fā)生,但中性點(diǎn)增加電阻對(duì)抑制鐵磁諧振不起作用。鐵磁諧振將引起高次的諧