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，當電子系統中存在導線斷裂、果肉斷裂的非全相操作或嚴重的不相容性操作時，以及降低開關的非全相熔斷，很容易引起鐵磁感和衰減。鐵磁諧振不僅造成過電壓,還會引起過電流,導致瓷絕緣閃絡、避雷器爆炸、PT高壓熔絲熔斷等,甚至燒毀PT,嚴重影響系統的安全運行,因此一直是人們普遍關注的問題,并做了大量的研究,包括理論分析、各種試驗以及利用計算機進行數值仿真[9,10,11,12,13,14,15]等,提出了一系列抑制鐵磁諧振的措施,研制了相應的裝置,在系統運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的研究。德陽換流站自2009年12月交付使用以來,站用變500kV側失去電源后,先后5次出現了電壓長時間不消失現象,經過分析排除了開關存在絕緣恢復性能不良問題,認為可能的原因是分閘操作激發引起鐵磁諧振過電壓。隨著我國直流輸電的廣泛應用,換流站的鐵磁諧振過電壓防護需求較大,開展換流站鐵磁諧振機制及影響因素的研究具有重要的理論意義和工程應用價值。本文以德陽換流站為例,利用電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC對換流站的鐵磁諧振過電壓進行仿真,分析了站用變勵磁特性拐點、站用變容量等對鐵磁諧振的影響,在此基礎上對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站仿真系統為分析換流站鐵磁諧振過電壓,采用電磁暫態軟件PSCAD/EMTDC對其進行仿真,換流站仿真系統如圖1所示。仿真時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;系統電壓525kV;系統阻抗2+j10uf057;變壓器的參數如表1所示,變壓器勵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飽和時引起,站用變在不同電壓下的勵磁電流如表2所示。由表2可以看出,在0.8~1.05Ue間,站用變勵磁阻抗快速變小。工頻下,2臺斷路器均處于熱備用狀態時,均壓電容并聯值為2500pF,自系統母線看過去的站用變系統等值阻抗呈現容性特征,這時將可能出現諧振。振蕩過程中各相電壓電流關系如圖3所示,ua1為I母線對地電壓,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。以系統電壓處于正半周時段為例,說明該換流站用變鐵磁諧振過程。系統電壓正半周、換流變500kV側電壓處于負值平坦段期間,自系統看去,包括均壓電容在內的站用變系統呈容性,由此決定流過均壓電容的電流與系統電壓間的相位關系。當站用變端電壓在0.8Ue以下,CVT主電容與勵磁阻抗構成第1組參數關系。由CVT主電容與站用變勵磁阻抗確定的自由振蕩頻率決定了此時段站用變電壓變化過程呈現第1種參數諧振特征。均壓電容的容性電流特征影響了第1組參數下站用變電壓變化過程。受流過均壓電容的吸出電流影響,換流變電壓負向進入勵磁特性拐點附近,使勵磁阻抗快速減小形成第2組參數關系。在第2組參數下,勵磁電抗大幅減小導致CVT放電電流快速增大,CVT主電容與勵磁電感決定的振蕩頻率和能量交換電流遠高于前者,導致出現站用變500kV端電壓快速變化,電壓變化過程表現為第2組參數諧振特征。在站用變磁場能量作用下,完成CVT反極性充電,站用變電壓進入正半周。由于損耗的存在,站用變勵磁參數處于第1組參數邊界狀態,從而進入下一個振蕩過程。在系統電壓負半周期間發生相似過程。站用變采用三柱式鐵心結構,使三相勵磁阻抗相互影響,鐵磁諧振期間三相勵磁阻抗同時發生相似變化。均壓電容電流的引導作用,使鐵磁諧振過程呈現與工頻同步的特征。上述特點使站用變系統鐵磁諧振表現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分析磁強電壓損失的影響因素2.1鐵磁諧振現象為考察斷路器斷弧時刻相位對激發鐵磁諧振的影響,仿真時斷弧時間間隔取為1ms,5022開關處于熱備用狀態,斷開5021開關仿真結果如表3所示,表中只給出了諧振時刻的結果。5022開關處于冷備用狀態時,分5021開關,只在0.606s時出現了諧振現象,且動態過程時間小于0.2s,相地電壓峰值491kV;斷口電壓峰值912kV。根據上述仿真結果可以看出站用變斷開電源的過程可以激發鐵磁諧振現象。站用變鐵心與斷路器斷口電容、CVT主電容等元件構成諧振系統,鐵磁諧振現象導致斷開站用變電源后,站用變500kV側電壓不消失。發生振蕩激發條件與分閘角度有關。當一臺斷路器處于熱備用狀態時拉開另一臺斷路器,容易激發鐵磁諧振,分閘操作激發鐵磁諧振的概率約為60%~65%。一臺斷路器處于冷備用狀態時,拉開另一臺斷路器,激發鐵磁諧振的概率大幅下降,分閘操作激發鐵磁諧振的概率約為5%~10%,斷路器處于不同的備用狀態,對發生諧振的概率有較大的影響。不同時刻斷開斷路器產生諧振過電壓的持續時間以及幅值均不同。2.2變中性點添加電阻仿真改變勵磁特性拐點位置對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。仿真結果表明,改變勵磁特性拐點位置會影響鐵磁諧振表現形式。拐點電壓的小量提高(如提高到1.15倍)將使諧振難以進入穩定狀態,鐵磁諧振動態過程時間加長,使出現危險高值過電壓的可能性增加。只有將站用變勵磁特性拐點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電壓消除鐵磁諧振。2.3中性點加裝電阻對諧振的影響在站用變500kV中性點加裝消諧電阻的仿真結果如表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加裝電阻器,對抑制此類鐵磁諧振無作用。這與站用變鐵心為三柱式結構及鐵磁諧振能量交換過程未涉及站用變零序回路有關。2.4電壓發生情況保持站用變勵磁特性形狀不變,改變站用變容量時,鐵磁諧振過電壓發生情況如表6所示。仿真中斷口電容取2500pF,CVT主電容取5000pF,開關在0.602s開斷。仿真結果表明,增大站用變容量有助于抑制鐵磁諧振的發生。2.5高頻電流的頻率在設備實際參數條件下,0.607s時刻斷路器斷弧激發的鐵磁諧振過程如圖4所示,0.609s時刻斷路器斷弧激發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磁曲線的拐點特性有關。鐵磁諧振期間出現頻率約為250Hz的高頻電流分量。鐵磁諧振進入穩定狀態后,變壓器支路250Hz高頻電流峰值約為6.4A,流過2臺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。在目前參數下,可能存在鐵磁諧振動態過程較長的情況。在動態過程期間流過變壓器勵磁支路的高頻電流峰值接近18A,流過2臺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荷的比較斷路器均壓電容為2500pF、CVT主電容為5000pF,一臺開關為熱備用狀態。斷開運行開關的同時投入阻尼負荷,不同斷弧角度時需要投入阻尼負荷的數值如表7所示。當一臺開關為冷備用狀態,斷開運行開關的同時投入阻尼負荷,不同斷弧角度時需要投入阻尼負荷的數值如表8所示。由表7和表8可以看出,如采用斷開站用變開關后臨時投入消諧電阻,則消諧電阻的投入將帶一定延時。需考慮延時投入消諧電阻對消諧效果的影響。在斷弧時刻為0.600s時,投入消諧負荷的延遲時間Tys與消諧容量Pzn間的關系如圖6所示。由圖6可以看出:快速投入消諧負荷,可有效減小消諧負荷容量。如不能保證在30ms時間內可靠投入消諧負荷,則可靠消諧的負荷值隨投入延時發生巨大波動。根據仿真結果,當消諧負荷大于150kW時,可以有效消諧;考慮一定的裕度,建議實際采用的消諧負荷取仿真值的2倍。3.21除諧振的效果利用10kV側并聯低壓電抗器消除諧振的效果見表9。根據表9仿真結果可知,不能采用站用變10kV側加裝并聯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側空載條件下,改變斷路器均壓電容值,當分閘角度變化時激發鐵磁諧振的情況見表10。表中電容值是2臺斷路器的總均壓電容值。由表10可以看出:當斷路器均壓電容數值為900pF時,仍有發生鐵磁諧振的可能,發生概率約為5%。當斷路器均壓電容數值為800pF時,個別角度下鐵磁諧振處于臨界狀態,鐵磁諧振在0.1s內自動消失。當斷路器均壓電容數值為750pF時,按0.5ms步長檢查分閘(斷弧)時刻變化對激發諧振的影響,仿真中未發生鐵磁諧振現象。3.4改變CVT主電容斷路器均壓電容2500pF、10kV側空載條件下,改變CVT主電容值。當一臺開關為冷備用狀態,斷開運行開關時,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)本文對換流站的鐵磁諧振機制和影響因素進行了研究,結果表明均壓電容值對鐵磁諧振的影響很大。斷路器的備用狀態對鐵磁諧振發生的概率影響較大,當處于熱備用狀態時,概率約為60%~65%,處于冷備用狀態時,概率約為5%~10%,且斷路器在不同時刻斷開諧振過電壓持續的時間以及產生的過電壓峰值均有很大的差異;增大勵磁特性的拐點以及站用變容量有助于抑制鐵磁諧振的發生,但中性點增加電阻對抑制鐵磁諧振不起作用。鐵磁諧振將引起高次的諧