换流变压器电压不平衡问题研究范文

《变压器杂志》2015年第十二期

摘要：

本文中作者通过分析电压不平衡产生的原因，提出了应用于现场试验的解决双端电压不平衡的方法，并通过仿真和现场试验进行了验证。

关键词：

换流变压器；局部放电；电压不平衡

1引言

长时感应电压带局放测量试验是换流变交接过程中的一项重要试验，是换流变投运前的质量控制考核环节，可以验证换流变在运行条件下无局部放电，是目前换流变各项现场试验中考核绝缘比较有效的试验。换流变现场局放试验因励磁变电压等级的限制，一般是从电压等级较小的一端加压，即阀侧加压。角接换流变因其变比较小，在阀侧单边加压存在两个问题：一是所需励磁变电压等级高，运输及现场试验安装十分不便；二是存在阀侧交流耐受试验电压值低于阀侧局放加压最高电压值的情况，如直流角接换流变阀侧交流耐压值为325kV，而局放试验激发电压值高达374.9kV，因此在做阀侧加压局放试验时应采用对称加压方式而不该采用单边加压方式。相关文献认为对称加压试验时，绕组两端都承受电压，更接近实际运行状况，且该方法考核高、低压绕组的轴向绝缘更为严格。另一文献在对向上直流换流变的现场局放试验的总结中亦认为角接换流变采用对称加压方式更为合理、方便。日前，在某工程换流变现场交接试验中，试验人员对角接换流变都采用了对称加压试验方法。在完成多起试验后，试验人员发现在加压过程中每台换流变不同程度地存在电压不平衡问题。两台同样变比的励磁变在同一台变频电源的输出下显示不同的阀侧电压，有时差别较大，需采取有效的措施加以解决。针对这个问题，国内外鲜有学者对此进行研究。为此，本文中笔者在总结阀侧对称加压的基础上针对这个问题进行分析，给出问题产生的原因，列举了其带来的危害，并提出了应用于现场试验的解决电压不平衡问题的方法，结合仿真和现场试验验证了本文中笔者提出的不平衡电压产生原因及解决方法。

2换流变对称加压试验

现场对称加压局放试验接线方法如图1所示，变频电源输出端换相倒接到两个型号相同励磁变网侧，使两励磁变阀侧电压对地呈现相反极性，考虑励磁变短路阻抗及负载差异，换流变阀侧总加压值应为两阀侧电压的矢量和。两边采用相同的补偿电抗，与两阀侧接线端入口电容完成并联补偿。以某站500kV角接换流变为例，其型号为ZZDFPZ-300400/500-250。变频电流输出电压频率可调节范围是30Hz~300Hz，本试验两端采用11.4Ω的固定电抗作为补偿，试验频率为280Hz。规程规定，当试验电源频率等于或小于2倍额定频率时，其全电压下的试验频率持续时间应为60s，当试验频率大于2倍额定频率时，试验电压持续时间为。

3电压不平衡问题

图3是在1.3倍试验电压下各部分的电压和电流值。此时3.1端电压为125.3kV、电流为322.7A，3.2端电压为146.7kV、电流为370.3A。两端电压与励磁变的额定变比存在差别，励磁变额定变比为452.38，3.1端电压与网侧电压的比值为450.72与之较为接近，3.2端电压与网侧电压的比值为542.9与励磁变额定变比相差较大。为分析电压不平衡产生的原因，对3.2端作简化电路图分析，并将两台励磁变的内部阻抗差异忽略不计，漏抗相等，如图4所示。其中C是换流变入口电容、L是补偿电抗、l是励磁变内部漏抗、T是理想变压器（励磁变等效为理想变压器与串联漏抗的形式）。现场试验表明，阀侧两套管的入口电容存在差异，且3.2套管的入口电容较3.1端大，数据将会在后续分析中给出。本试验采用两组相同电感值的电抗器进行补偿，就无法使两端都达到完全补偿的状态。调节试验频率使变频电源输出电流最小、功率因数接近于零时3.2端必然是欠补偿的。由计算可知，A点电压UA比理想变压器输出电压大，即发生了一定程度的串联谐振现象。因励磁变漏抗l通常较小，A点电压抬高不会太多，现场试验数据都在50kV之内。两端补偿情况不一致时，换流变两端电压极性不可能完全相反，其矢量和实际要比完全补偿时小，使施加电压达不到预期效果。其中一个方法就是增加两端电压使两端矢量和等于规定电压，但此方法会增大电压不平衡的问题，并且产生更大的环流。图3中可以看出从变频电源流入到两个励磁变的电流之和比变频输出电流大。这是因为两端补偿状态不同，3.1端此时处于过补偿状态，3.2端处于欠补偿状态，即一端呈现弱感性一端呈现弱容性，两电流在变频电源输出口处完成相互补偿。相当于励磁变2作为励磁变1的无功电流源供给无功消耗，在两个励磁变网侧和变频电源输出处三点之间形成了环流，实际环流大小约为两励磁变输入电流之和减去变频电源输出电流，在图3中约为46A。环流的产生也从侧面证明了3.2端容升效应的存在。这种环流会增大励磁变电流，减小励磁变的有功输出容量，故在试验中应尽量避免环流的产生。

4仿真分析

为验证相关结论，建立相同参数的仿真，首先需正确估算入口电容的大小。现场对本台角接换流变进行单端加压测试，阀侧试验电压为1.0Um/姨3/k，3.1端加压时3.2端接地，反之亦然。调节频率使其完全补偿，记录此试验频率，入口电容与试验频率存在以下关系。试验时记录下的试验频率分别为291Hz和242Hz，总入口电容值可由第1节的对称加压试验中算得为52.2nF。由此可计算两入口电容为C3.1=21.37nF，C3.2=30.83nF。因此，仿真中设置电源频率280Hz，3.1端入口电容21.37nF，3.2端入口电容30.83nF，在两个电容中间接地来模拟端子入口电容，两补偿电抗为11.4Ω，如图5所示。仿真结果如图6所示，3.2端电压因为容升效应其电压有效值为155kV，3.1端电压有效值为134kV，这两个电压与真实变比下的电压150.676kV有差别，但与实际情况相符，故本文中笔者所述原因可以解释现场出现的两端电压不一致的情况。对称加压电压不平衡问题的解决办法通常有两个。（1）针对入口电容不一致，可以采用补偿电抗进行完全补偿使输入到励磁变的无功电流接近于零，这也是避免励磁变尾端发生容升效应最有效的方法。用此方法做仿真，结果如图7a所示，完全补偿后励磁电流接近于零（理想情况下），两端电压有效值皆为151kV，表明该方法有效。这种方法在实际试验中并不常见，让电抗器在同一频率下完全补偿两侧的入口电容比较困难，可以使用可调感电抗器。（2）针对现场试验电压不平衡，如果相差太大，根据现场实际经验，较有为效的方法是调整励磁变的挡位，人为地加大（减小）较低（高）电压端的电压，从而使两端电压尽量接近。原则是在满足两端线电压达到试验要求电压的前提下，较低压的一端的中间变变比变大，如网侧从190kV变为220kV，或者较高压的一端的中间变变比变小。用仿真来模拟将3.2端变比减小后（由190kV变为170kV）的情况，结果如图7b所示，3.1端电压不变为134kV，3.2端电压变为139kV，两端电压差值变小了，方法是有效的。3.2端电压变小可以减小容性电流，使容升电压变小，达到减少两端电压差值，即减小环流的目的。解决电压不平衡的目的一是减小环流，充分利用励磁变容量；二是使两个励磁变网侧电流不超过其额定值。如果出现某端电流大于额定电流的情况，最有效的是方法二。以图3为例，如果3.2端的励磁变网侧电流大于额定电流2A，而3.1端较小，可以调节两个励磁变挡位使3.2端施加电压变小而使3.1端施加电压变大。

5结论

角接换流变因其变比较小，局放试验阀侧加压值较高，现场试验需采用对称加压方式。使用同一台变频电源的对称加压方法存在两端电压不平衡的现象。经现场试验及仿真分析可知双端电压不平衡产生的原因主要是两侧入口电容不一致，在使用相同补偿电抗时，在同一频率下入口电容值较大的一端与励磁变漏抗串联，会将此端电压抬高，即发生了一定程度的串联谐振。双端电压不平衡时，在两励磁变首端及变频电源输出端之间存在环流，不平衡程度越大则环流越大。为保证励磁变容量得到有效利用，需尽量减小环流，即抑制电压不平衡。本文中笔者证明，通过电抗器的完全补偿，可以有效地改变双端电压不平衡的问题且抑制环流。在现场试验时也可以通过改变励磁变分接挡位的方法，使两侧电压趋于相等，保证励磁变电流不超额定值。

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作者：楚金伟 李士杰 夏谷林 伍衡 周海滨 张新波 单位：南方电网超高压输电公司检修试验中心