（电气工程专业论文）新型换流变压器及其滤波系统的短路故障研究.pdf

新型换流变压器及其滤波系统的短路故障研究 摘要 随着我国电网的高速发展 直流输电将在西电东送以及全国联网中占有非常 重要的地位 换流变压器是直流输电系统中的重大技术装备 相对于传统换流变 压器 由于采用了一种新颖的绕组连接方式 新型换流变压器具有自耦补偿 谐 波屏蔽等独特的优点 对新型换流变压器及其滤波系统短路故障的研究对该变压 器的设计及保护措施的制定具有现实意义 本论文主要做了如下几方面的工作 本文论述了我国高压直流输电的发展趋势 分析了新型换流变压器及其滤波 系统在高压直流输电中的应用前景 阐述了短路故障对变压器的危害 分析了对 新型换流变压器及其滤波系统进行短路故障研究的必要性 本文详细阐述了新型换流变压器及其滤波系统的接线方案 分析了该系统自 耦补偿和谐波屏蔽的工作原理及达到该功能所需的设计条件 以多绕组变压器理论为基础 结合磁势平衡方程 基尔霍夫定律 回路电压 电流方程的系统化建模方法 建立了新系统的数学模型 分析了负载电流与绕组 电流之间的矩阵变换关系及阀侧端口电压与网侧绕组相电压之间的矩阵变换关 系 以新型换流变压器及其滤波系统的数学模型为基础 考虑到新系统的特点 详细推导了新系统在不接入滤波支路和接入滤波支路的条件下 发生内部 外部 短路故障时 短路故障电流的计算公式 最后 建立了该系统的s i m u l i n k 仿真模型 并对各种短路故障进行了仿真分 析 通过对比仿真结果和公式计算结果 验证了本文所推导的短路电流计算公式 的正确性 关键词 高压直流输电 新型换流变压器 数学模型 短路故障 仿真分析 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fo u r c o u n t r y se l e c t r i cn e t w o r k h v d c t r a n s m i s s i o ns y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n w i d et r a n s m i s s i o nn e t w o r k c o n v e r t e rt r a n s f o r m e ri sav e r yi m p o r t a n tt e c h n i c a le q u i p m e n ti nh v d c r e l a t i v et o t r a d i t i o n a lc o n v e i r t e rt r a n s f 6 r m e r n o v e lc o n v e r t e rt r a n s f 6 r m e rh a v es o m ea d v a n t a g e s l i k et h es e l f 二c o u p l i n g c o m p e n s a t i o nf h n c t i o na n dh a r m o n i cs u p p r e s s i o n r e s e a r c ho n c u r r e n tc a l c u l a t i o n so fs h o r t c i r c u i t sf a u l to fn o v e lc o n v e r t e rt r a n s f b r m e ra n di t sf i l t e r s y s t e m n o v e ls y s t e mi ns h o r t i st h ef o u n d a t i o nf o rp r o t e c t i o ns t u d ya n dt h es e t t i n g c a l c u l a t i o no ft h er e l a yp r o t e c t i o no fn o v e ls y s t e m t h i sp a p e rm a k e sn u m b e r so fs t u d i e si n c l u d e st h ef o l l o w i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e sp r o s p e c ta n da p p l i c a t i o no fh v d ci nc h i n aa n da n a l y s e s t h en e c e s s i t yo fr e s e a r c ho nc u r r e n tc a l c u l a t i o n so fs h o r t c i r c u i t sf a u l to fn o v e l s y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n n g u r a t i o no fn o v e ls y s t e ma n di t sp r i n c i p l ew o r k a n da n a l y s e st h es e l f c o u p l i n g c o m p e n s a t i o nf u n c t i o na n dh a r m o n i cs u p p r e s s i o no f n o v e ls y s t e m as y s t e m a t i ca n a l y s i sm e t h o db a s e do n m u l t i w i n d i n gt r a n s f o r m e rt h e o r y c o m b i n i n gt h em a g n e t o m o t i v eb a l a n c e k i r c h h o f f sl a wa n dt h ev o l t a g e c u r r e n t e q u a t i o n so f1 0 0 pc i r c u i ti sp r o p o s e d a n do p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c se q u a t i o n so f n o v e ls y s t e mu n d e rt w oc o n d i t i o n so fs w i t c h i n go nt h ef i l e rb r a n c ha tt h ev a l v es i d e a n ds w i t c h i n g o f fi ta r ee s t a b l i s h e d c u r r e n tc a l c u i a t i o nu n d e rt h es h o r t c i r c u i t sf a u l to fn o v e lc o n v e r t e rt r a n s f l o r m e r u n d e rt h et w oc o n d i t i o n sw i t ha n dw i t h o u t6 1 t e rs y s t e ma r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so fn o v e lc o n v e r t e rt r a n s f o r m e ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fn o v e l s y s t e m a tl a s t ac o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e lf r o mt h eb u i l d i n gd ct r a n s m i s s i o ns y s t e m e x p l o i t a t i o np l a t f o r m b a s e do nt h ed e s i g n e dp a r a m e t e r si s e s t a b l i s h e d t h r o u g h c o m p a r i n gt h ec o m p u t e rs i m u l a l i o nr e s u l t sw i t ht h ec u r r e n tc a l c u l a t i o no n e s w h i c h s h o w st h a tt h ec u r r e n tc a l c u l a t i o nu n d e rt h es h o r t c i r c u i t sf a u l to fn o v e lc o n v e r t e r t r a n s f b r m e ri sc o r r e c t k e y w o r d s h v d c n o v e lc o n v e r t e rt f a n s f o r m e r m a t h e m a t i cm o d e l s h o r t c i r c u i t s f a u l t s i m u l i n k i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担 作者签名 起奎 毋 日期 渺孑年中月切日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被 查阅和借阅 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文 本学位论文属于 l 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密回 请在以上相应方框内打 作者 导师 日期 獬印肋日 日期 钦哪年中思如日 硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 由于我国电力负荷的高速增长以及我国能源分布不平衡的状况 发展高压直 流输电技术已是大势所趋 换流变压器是高压直流输电系统中的重要技术装备 对其进行短路故障的研究具有重要意义 1 1 1 我国发展高压直流输电技术的必要性 自19 7 8 年改革开放以来 我国的电力工业一直以较快的速度发展 进入2 1 世 纪后更是取得了前所未有的成就 2 0 0 4 年全国的发电量达到2 18 6 2 t w h 比2 0 0 3 年增长了1 4 7 5 其中 水电发电量为3 31t w h 同比增长17 6 火电发电量为 18 0 2 2 t w h 同比增长了1 4 1 4 核电发电量为5 0 5 t w h 同比增长15 1 至2 0 0 4 年底 全国的总装机容量达到4 4 2 3 9 g w 比上年增长了13 近十年来增幅首次 达到1 0 以上 其中 水电装机容量高达1 0 2 2 4 g w 火电装机容量达到3 2 9 4 8 g w 核电装机容量达到6 8 4 g w 1 2 根据国家电网公司的预测 2 0 0 5 年至2 0 2 0 年我国 用电需求仍将保持较高的增长率 为满足我国未来电力负荷增长的需要 在确保一次能源充足供应的同时 还 要合理开发可再生能源 优化配置 但我国能源资源具有总量多 人均量少和区 域分布严重不平衡三大特点 从而对我国电力资源的有效利用提出了严峻的挑战 我国水能 煤炭资源较丰富 水资源总量和经济可开发量均居世界第一 煤 炭可开采储量居世界第二 石油和天然气资源分列世界第1 0 位和第2 2 位 然而 我国水力资源多分布在西南 西北地区 煤炭资源主要集中在山西和内蒙一带 而用电较密集的负荷中心又主要分布在沿海地区 若把这些水力资源和煤炭资源 的一部分转化为电力资源 并向用电中心输送 此输电距离都在9 0 0 k m 以上 输 送功率大于1 o 10 9 w 因此 西电东送成为必然 建设远距离 大容量的交直 流输电系统是大势所趋 1 4 1 我国己存在发展特高压电网的需求 主要表现在如下几个方面 5 1 2 1 用电负荷快速增长 2 5 0 0 k v 电网不能满足持续发展的电力输送 效率和安全的要求 自我国第一条5 0 0 k v 超高压输电线路从1 9 8 1 年投运以来 经过2 0 多年的发展 我国基本建设形成了5 0 0 k v 骨干电网 近年来 我国电网线损率一直在7 6 7 8 内波动 随着用电负荷密度的增加 输电容量的要求越来越大 若仍采用交流 5 0 0 k v 加 5 0 0 k v 直流输电进行电力输送 会增加电网线损和输电线路密度 同时 新型换流变压器及其滤波系统的短路故障研究 也会增加电网的短路电流水平 不利于电网的安全运行 3 西电东送 南北互供 全国联网和超大容量 超远距离输电的要求 目前 我国的直流输电容量已经达到1 2 3 6 g w 根据我国2 1 世纪国家能源工 业建设的基本战略方针 大力开发西部水 火电资源 实施西电东送 到2 0 2 0 年 西电东送容量将达到1 2 亿千瓦 如果到2 0 2 0 年西电东送容量要达到1 2 亿千瓦 按交流5 0 0 k v 送电 需1 2 0 回交流输电线路 按直流 5 0 0 k v 送电 只需4 0 回直流 输电线路 按特高压直流 8 0 0 k v 送电 只需2 5 回直流输电线路 在未来2 0 年内 实现我国电力工业的发展目标 西电东送 南北互供 我国必须大力发展特高 压直流输电技术 我国正在运行的直流输电系统电压等级均为 5 0 0 k v 当输电距离超过 15 0 0 k m 时 如果采用现有的 5 0 0 k v 电压等级 则电压降将超过1o 此时 5 0 0 k v 直流输电在经济性方面不再具有优势 这就需要更高的电压等级 我国特高压直 流输电的电压等级定为 8 0 0 k v 8 0 0 k v 级特高压直流输电与 5 0 0 k v 高压直流 输电相比 其电压更高 输送容量更大 送电距离更远 单位输送容量投资约为 5 0 0 k v 直流输电的7 2 4 大规模火电厂 水电基地建设的需要 5 土地和环保压力 6 煤炭的运输 综合上面几个因素 在我国建设特高压电网是必要的和紧迫的 目前 在我 国除了刚刚投入运行的最大的直流输电工程 三峡 华东直流输电工程外 正在研究的直流输电工程还有西南水电向华东 华中和广东的输送 俄罗斯西伯 利亚向中国送电 石南向泰国送电以及一些大区联网等工程 今后 随着我国经 济的快速发展和用电量的持续增加 直流输电必将在我国西电东送 全国联网以 及周边国家的联网送电中得到更大的发展 1 1 2 高压直流输电技术的发展及其优缺点 输电是从直流开始的 1 8 8 2 年 历史上首次远距离输电实验获得成功 直流 发电机发出的电力 传送到5 7 k m 外的德国慕尼黑 为博览会供电i l3 1 由于电压 不高 那时的直流输电效率只有2 5 7 5 的电能被消耗在输电线路上 为了减少 线路损耗 必须设法提高电压 降低电流 变压器的出现使交流电压可以大幅度 提升 从而提高输电效率 然而 人们并未放弃对直流输电的探索 问题的焦点是如何获得高压直流 电 19 2 9 年瑞典阿西亚 a s e a 公司首创h v d c 高压直流 输电技术 以此为 起点 2 0 世纪3 0 至4 0 年代 各国建成多条试验性高压直流输电线路 科学家放 弃了以往采用多台直流发电机串联获取高压的办法 转而采用交流发电机 经换 2 硕士学位论文 流设备把低压交流电转换为高压直流电 高压直流电经输电线路送到用户一端的 换流站 再把直流电转换为交流电以供使用 第二次世界大战以后 电力需求迅速增长 在电网不断扩大的情况下 交流 输电又呈现出明显的局限性 诸如交流输电的稳定性问题等 高压直流输电技术 因其在远距离大容量输电 海底电缆和地下电缆输电以及区域电网互联工程中的 优势 在各国电力系统中得到了广泛应用和关注 从1 9 5 4 年瑞典g o t l a n d 高压直 流输电工程投入工业化运行以来 全世界已投入运行的高压直流输电工程总数已 近1 0 0 个 总输送容量约7 0 0 0 0 m w 特别是八十年代以后 大功率电力电子技 术及微机控制技术等高新技术的发展 进一步促进了高压直流输电技术的应用和 发展 高压直流输电具备了交流输电所不能比拟的优点和特殊性1 1 4 简要论述如 下 1 远距离高压直流输电比交流便宜 对于我国来说 两者之间的架空输电线路等价余力约为7 0 0 8 0 0 k m 电缆供 电的等价距离是4 0 k m 大于该距离时 高压直流输电比交流便宜 2 线路损耗小 对环境的危害小 在电压登记相同 输送功率相同时 高压直流输电线路有功损耗较之小刘减 少三分之一 没有无功损耗 不存在电容电流损耗 不存在磁滞损耗 涡流损耗 高压直流输电线路所具有的 空间电荷 效应 使其产生的电晕损耗和无线电干 扰均较小 更容易满足绿色环保要求 3 输送容量大 对于5 0 0 k v 来说 直流输电容量比交流大2 倍以上 不论使用架空输电线路 还是用电缆 4 无交流电网的稳定问题 交流输电容许输送功率省网络结构和参数限制 且随着输电容量的不断增长 稳定问题就越来越成为交流输电的制约问题 另外 在交流电网中 所有上网的 同步发电机均要同步运行 远距离输电时 电流会在两端产生相位差 而频率也 时常会波动 这两种因素会引起交流系统非同步运行 从而需要用复杂庞大的补 偿系统和综合性很强的技术加以调整 否则会在设备中产生环流 损坏设备 或 造成非同步运行的停电事故 而高压直流输电没有相位和功角 线路无阻抗 只 要电压将 网损等技术指标符合要求 就可达到传输的目的 无需考虑稳定问题 其输送容量和距离不受同步运行稳定性限制 还可提高稳定性 5 可实现异频联网及同频率下的异步联网 高压直流输电在理论上不受输电系统的限制 输送功率也不会因两侧交流电 网静稳或暂稳性能变差而降低 可实现 背靠背 交流电网互联 支路联网时 3 新型换流变压器及其滤波系统的短路故障研究 两端交流电网可按各自的频率和相位运行 不需要进行同步调整 而且支路联网 时 既可对两个交流电网实现统一调度 又相互隔离 两个交流电网之间还可互 为备用 相互支持 从而提高联网后整个系统的稳定性及供电经济性 6 可限制短路电流 避免大面积停电事故 用交流输电线路连接两个交流电网时 由于系统短路容量增加 致使短路电 流增大 极可能超过原有断路器遮断容量 就必须更换断路器和增设限流装置 增大投资 而用支路联网时 直流系统的 定电流控制 将快速把短路电流限制 在额定功率附近 其输电线路基本上不向发生短路的交流系统输送短路电流 短 路容量不因互联而增大 也不必要更换各自电网断路器及载流设备 还可避免大 面积停电事故的发生 对电器设备比较有利 以提高电网运行的安全性 7 线路走廊小 按同电压5 0 0 k v 考虑 一条士5 0 0 k v 直流输电线路的走廊约4 0 m 一条5 0 0 k v 交流输电线路的走廊约为5 0 m 但是一条同电压的直流输电线路输送容量约为交 流输电线路的2 倍 直流输电的线路走廊 其传输效率约为交流线路的2 倍甚至更 多一点 8 宜于电缆供电 在有色金属和绝缘材料相同的条件下 即同型号电缆的绝缘介质的直流强度 远高于交流强度 在直流下耐压能力和最高允许工作电压几乎是交流的3 倍 运行 中基本上只要芯线电阻损耗 当处于同一电压时 2 跟芯线高压直流输电电缆的传 输功率密度约为3 根芯线交流的3 倍 另外 高压直流输电电缆绝缘老化较慢 寿 命较长 年运行费用也比相应交流电缆低得多 为此 高压直流输电电缆更适合 于海底跨海供电及通过地下向大城市供电 9 调节更快速 更准确 能提高交流系统的稳定性 换流站采用的是快速可控的功率器件一晶闸管 可方便 快速 灵活 准确 地实现有功潮流的增减和双向传送 向交流系统提供功率 频率及电压支持 当 交流系统发生故障或受到扰动时 利用直流输电的调节作用 能有效地提高交流 系统的稳定性 10 可靠性高 高压直流输电为双极系统 各自独立调节和工作 可独立传输电力 一极故 障时 另一极仍可输送至少一半的电能 近似交流输电双回线的功能 而在交流 输电系统中 任一相发生永久故障 就必须全线停电 尽管高压直流输电尤其独特的优点 但也有一些局限 1 换流器的费用高 这是限制高压直流输电应用的最主要原因 在输送相同容量时 直流线路单 位长度的造价比交流低 而高压直流输电两端换流设备造价比交流变电站贵很多 4 硕士学位论文 换流装置由许多高电压 大电流可控硅元件串并联而成 并附带有均压电阻器 电容器 电抗器 冷却装置以及电子触发板等组成 约占高压直流输电总投资的 1 3 这就引起了所谓的 等价距离 问题 2 消耗无功功率多 换流器在运行时 需要消耗较大的无功功率 一般情况下 整流器和逆变器 所需的无功分别为有功功率的3 0 5 0 和4 0 6 0 3 产生谐波影响 由于换流站采用了大量的电力电子元件 运行过程中必然产生大量谐波注入 电网造成电力系统谐波污染 谐波引起的交流电网的电压畸变 使整流器工作不 稳定 而对逆变器则可能发生连续的换相失败而无法工作 无论在正常负荷状态 或在暂态过程中 系统谐波从各个方面影响继电器工作 可能导致继电器保护装 置误动作 与此同时 谐波会对自动装置以及通讯线路造成不利的影响 4 缺乏直流开关 直流没有波形过零点 灭弧比较困难 目前把换流器的控制脉冲信号闭锁 能起到部分开关功能的作用 但在多端供电方式 就不能单独切断事故线路 而 要切断整个线路 5 不能用变压器来改变电压等级 高压直流输电主要用于长距离大容量输电 交流系统之间异步互联和海底电 缆送电等 与高压直流输电比较 现有的交流5 0 0 k v 输电f 经济输送容量为1 0 0 0 k w 输送距离为3 0 0 5 0 0 k m 已不能满足需要 只有提高电压等级 采用超高压输电 方式 才能获得较高的经济效益 但是 随着高压直流技术的发展 高压直流系统的可靠性己经得到改善 换 流站的费用正在逐步降低 换流技术日趋成熟 控制的复杂性也得到解决 所以 尽管高压直流输电有一些缺点 但依然有着广阔的发展前景 1 1 3 国内外发展高压直流输电技术的现状 从2 0 世纪7 0 年代开始 美国 前苏联 巴西 加拿大及南非等国考虑特大容 量 超远距离输电的潜在需求 在进行特高压交流输电研究的同时 也启动了特 高压直流输电技术的研究工作 c i g r e i e e e 美国e p r i 巴西c e p e l 加拿大 i r e q 西门子及a b b 等研究机构和制造商 在特高压直流输电关键技术研究 系 统分析 环境影响研究 绝缘特性研究和工程可行性研究等方面 1 5 艺0 1 开展了大 量的研究工作 结果表明 1 在1 0 0 0 3 0 0 0 k m 的距离输送大量的电力 从经济和环境等角度综合考虑 选取 8 0 0 k v 为优先的输电方式 2 8 0 0 k v 直流输电系统的设计 建设和运行在技术上是完全可行的 但应 5 新型换流变压器及其滤波系统的短路故障研究 开展相应的工程研究以进一步优化系统的性能和经济指标 3 开展高于 8 0 0 k v 直流输电系统 无论从技术上还是经济上都是不切合实 际的 美国a e p 和b p a 意大利e n e l 前苏联电力部和日本东京电力公司均于 2 0 世纪7 0 8 0 年代分别建设了特高压输电试验基地和试验线路 以便实施特高压 输电前期工程科研工作 涉及特高压绝缘 环境影响 监控保护 系统设计和工 程规划 其中特别提到前苏联的埃基巴斯图兹火电至欧洲负荷中心的 7 5 0 k v 直 流输电工程 虽然其早在1 9 8 0 年就处于降压运行状态 但其中的所有设备都通过 了型式试验 因此 俄罗斯在特高压直流输电技术方面积累了大量的工程经验 可为我国 十一五 期间 攻关特高压输电技术提供参考和必要的技术帮助 直流输电技术在我国起步较晚 自我国第一条直流输电工程于19 8 7 年在舟山 投入运行以来 到2 0 0 6 年已有1 0 多条直流输电线路相继投入运行 其中包括葛洲 坝 南桥 天生桥 广州 龙泉 政平 江陵 鹅城 贵州安顺 广东肇庆 三峡 常州 三峡一广东 贵州 广东 灵宝背靠背 舟山以及嵊泗及架空线混合的小型直流输 电工程 另外还有三峡 上海以及贵州 广州第二回直流输电工程计划2 0 0 7 年建成 目前 我国拥有世界上先进的直流输电技术 如换流站中首次采用g i s 全封 闭组合电气及户内直流开关场 既有传统的电触发也有大功率光触发可控硅换流 阀 光t a 及有源滤波器技术 直流线路用7 2 0 m m 2 大截面导线及o p g w 复合地线光 缆 我国直流输电技术应用的日益广泛 必将促进直流设备国产化进程的加快 目前 国家计划通过3 个阶段逐步实现直流工程的全面国产化 自舟山直流工程 开始到三峡第一条直流工程等4 个工程 为国产化的初始阶段 再经过三广 贵广 直流建设 为国产化的第二阶段 即从阀元件到换流变 平波电抗器等主要设备 基本掌握设计 制造 试验技术 再通过华中一西北背靠背工程等二三个工程 实 现全面国产化的第三阶段 其主要标志为直流输电工程设计 设备制造 施工调 试和运行管理全面实现独立自主 并建立完善的质保体系 2 1 2 传统高压直流输电系统中存在的问题 高压直流输电系统由整流站 直流线路和逆变站构成 其中主要设备为 换 流装置 换流变压器 直流电抗器 滤波器 无功补偿装置 直流避雷器 换流变压器是直流输电中的重大技术装备 它不仅关系交直流的变换和输送 也涉及到谐波的过滤和运行安全问题 而传统的换流变压器虽然广泛应用但并不 完善 存在一些问题 原有换流变压器的接线方式和存在的问题 直流输电是首端通过整流 将送入交流变为直流 至末端再通过逆变 把直 6 硕士学位论文 流又变换为交流的输电方式 其中的关键设备是换流变压器及其两侧相联的配套 设备 图1 1 所示为直流输电的常用电路图 换流变压器的网侧连接三相电力系 统 由于换流器在换相过程中 产生大量的高奇次谐波 并消耗大量的无功功率 因此通常在网侧接有相应容量的交流滤波器 r 其作用是对基波实行无功补偿 并对高次谐波进行滤波 以防谐波大量注入系统 换流变压器输出侧为六相 接 有两组由晶闸管阀桥组成的换流器 两组串联构成脉冲的双极直流输出 直流输 电可以是一极对地单独运行 也可正负两极同时运行 送电端换流器的电压与电 流方向相反 成为逆变器 实际送端与受端的接线相似 只是换流器的电流方向 不同 使功率传输方向变反了 直流线路的首末端所接的平波电抗器起着抑平波 纹的作用 图1 1h v d c 系统换流站的电路图 图1 1 所示接线在当今h v d c 输电工程中广泛采用 我国也不例外 实际运 行中还存在一些问题 这里有必要把所发现的问题提出来 以便探寻改进和完善 主要问题有 l 网侧所接的f r 只考虑了交流系统的无功补偿和滤波 未克服通过换流 变压器的奇次谐波对变压器本体带来的问题 直流线路经换流器回馈的交流电流 均要通过换流变压器的原副方绕组 其中的无功和谐波含量 便要在变压器的绕 组和铁心中增大附加发热 振动噪音 传统方案没有从改进滤波方法上求得解决 2 该方案也无法采用有源滤波技术 换流变压器是大容量装置 即使谐波含 量相对不大 如按5 计 则1 0 0 万千伏安的换流变压器 其谐波含量可达5 万 千伏安 要即时产生和调控这大容量的滤波装置 在技术上和经济上都是很难实 现的 而直流输电无论是首端和末端系统 都是高压线路和电气设备密集地区 其 首端与邻近电厂的大电机相连 如三峡电站 末端连通系统接近供用中心也有大 型旋转机组 为电网运行和设备安全 不容许大量谐波电流注入 7 新型换流变压器及其滤波系统的短路故障研究 1 3 新型换流变压器及其滤波系统在滤波和无功补偿上的特点 传统观点认为 无法在换流变压器绕组内部完全消除谐波 重要的是要在变 压器设计中考虑这些谐波的影响 谐波的存在显著增加了变压器绕组 铁心和钢 结构件中的杂散损耗 在这些部件的热设计中和变压器试验时 必须考虑这些影 响而留出相应的裕度 确保具有适当的冷却设备 2 2 1 所以 对于换流变压器及 其滤波系统的研究停止不前 而新型换流变压器绕组具有独特的联结方式 其特点在于由二次绕组引出抽 头接辅助滤波与无功补偿装置 利用变压器磁势平衡的普遍原理及谐波回路零阻 抗方法 根据变压器绕组的自耦作用与谐波磁势平衡 结合低成本的滤波支路 实现对基波补偿 谐波屏蔽的效果 使得换流装置产生的有害谐波仅限制在变压 器阀侧绕组中 同时 实现了在阀侧向换流装置提供所需的无功功率 新型换流 变压器适合于有大量非线性负荷的直流输电系统 从谐波抑制与无功补偿方面改 善了传统直流输电系统所存在的缺陷和不足 2 3 1 1 4 新型换流变压器及其滤波系统短路故障研究的必要性 变压器是电力系统中的一种基本且重要的设备 变压器的稳定 安全的运行 是电力系统稳定 安全运行的基础 近些年来 变压器因绕组短路故障引起的损 坏事故明显地增长 而且大多数故障导致变压器损坏严重 1 变压器常见短路故障 绕组发生短路故障类型 通常有匝间短路 股间短路 相间短路 一 二次 绕组间短路 绕组短路造成变压器内部组件变形 从绕组发生短路故障的型式上 看 纠结式绕组为最多 连续式和螺旋式绕组也时有发生 近些年来 随着绕组 型式的改进和匝绝缘的加厚 使绕组的匝间短路故障得到了一些抑制 从绕组发 生短路故障的型式上看 除普通导线外 组合导线和换位导线也出现了一些股或 匝间短路故障 此外 由多股导线并绕的螺旋式绕组也会出现股间短路 而波及 线段间 匝间 的故障 2 变压器短路故障现象 1 绕组发热 导致变压器过热 2 出现强大的短路电流 变压器振动大 3 变压器三相电压及绕组直流电阻不平衡 4 严重的绕组短路引起继电保护动作及跳闸 还会造成变压器烧毁事故 5 导线绝缘损伤的线圈在压装中暂时未形成短路 运行中受过电压或过载 大电流冲击 或受其他电气故障的波及 最终形成短路 6 造成变压器内部组件变形 8 硕士学位论文 3 变压器短路故障的危害 短路故障发生后 故障绕组会产生很大的短路电流 各种损耗加大 反过来会 破坏绝缘 引起变压器损坏 有的还有可能扩大成系统事故 后果极为严重旧利 综上所述 变压器的短路故障对其正常运行构成极大威胁 而新型换流变压 器要设计制造 并在工程中应用 必须要得知该变压器可能通过的最大短路电流 以便分析其短路效应和制定保护措施 1 5 本论文完成的主要工作 本论文针对新型换流变压器及其滤系统 主要完成了如下几方面的工作 1 绪论部分 首先给出了研究课题的工程背景 随着我国经济的快速发展 电力负荷增长迅速 然而我国能源分布极不平衡 水力资源多分布在西南 西北 地区 煤炭资源主要集中在山西和内蒙一带 而用电较密集的负荷中心又主要分 布在沿海地区 未来的建设中 优化配置资源 将电力资源成功向用电中心输送 使得高压直流输电技术拥有了广阔的前景 其次 详细介绍和高压直流输电的独 特优势和传统高压直流输电系统在滤波和无功补偿方面存在的问题 介绍了新型 换流变压器应用在高压直流输电系统中的价值及其优势 最后 说明了新型换流 变压器及其滤波系统的短路电流故障研究的意义 2 研究了新型换流变压器及其滤波系统的工作原理 详细介绍了新型换流 变压器的接线方案与特点 分析了新型换流变压器自耦作用的原理和优点 研究 了传统换流变压器无功补偿的局限性 并分析了新型换流变压器在无功补偿方面 相对与传统换流变压器优势 最后 研究了新型换流变压器在谐波屏蔽方面的独 特优势 并得出达到谐波屏蔽的设计要求 3 针对新型换流变压器及其滤波系统特殊的接线形式 本论文从多绕组变压 器原理出发 提出了以磁势平衡方程 基尔霍夫定律和回路电压 电流方程及滤 波支路电压方程为基础 建立了新型换流变压器不接入阀侧滤波支路和接入阀侧 滤波支路两种条件下的数学模型 以数学模型为基础 求解了负载电流 绕组电 流 滤波支路电流与网侧电压以及阀侧端口电压相互之间的关系 4 本文在新型换流变压器及其滤波系统数学模型的基础上 结合其具体接线 和电路特点 推导出了该变压器在接入滤波支路和不接入滤波支路的情况下的外 部短路和内部公共绕组短路故障时短路电流的计算公式 5 为了验证新型换流变压器及其滤波系统短路故障分析的正确性 在新型换 流变压器及其滤波系统设计参数的基础上 建立了新型换流变压器及其滤波系统 仿真模型 进行各种短路故障的仿真分析 通过对比仿真计算结果和理论计算值 验证了前文理论推导的正确性 最后 结论部分对全文的研究工作和研究成果进行了总结 9 新型换流变压器及其滤波系统的短路故障研究 第2 章新型换流变压器及其滤波系统的接线方案与原 理研究 换流变压器属高压直流输电系统中重大装备之一 其是否能安全 稳定运行 直接关系到直流输电系统的安全运行 换流变压器主要有电气隔离和实现电压变 换的功能f 25 1 换流变压器接在换流器与网侧滤波器及并联电容器组之间 与换流 站交流母线相连的绕组称之为网侧绕组 与换流器相连的绕组称之为阀侧绕组 新型换流变压器具有一种新颖的绕组结构 阀侧绕组采用延边三角形接线 为3 倍次谐波电流提供通路 通过匝比配合 实现l2 脉波换流 其延边绕组与公 共绕组构成自耦变压器接线 可减少换流器换向时的电流冲击 在公共绕组上连 接滤波支路 并调至谐振点 配之以变压器巧妙的零阻抗设计 可以在阀侧实现 无功补偿 可实现网侧绕组中无5 7 1l 13 次特征谐波 即谐波屏蔽 与传统 换流变压器相比 虽然该新型换流变压器阀侧绕组采用延边三角形接线形式 每 相多一套绕组 增加了绕组的制造难度 但对于1 2 脉动换流变压器而言 所有阀 侧延边绕组与网侧绕组及阀侧公共绕组与网侧绕组之间的匝比相同 两组桥换相 电抗易保持相同 有利于谐波消除 本章将详细阐述新型换流变压器及其滤波系统的接线方案 分析新型换流变 压器的自耦与无功补偿作用 并研究该变压器谐波屏蔽功能和达到该功能的设计 要求 2 1 新型换流变压器及其滤波系统的接线方案研究 传统的换流变压器的接线方案和电压相量图见图2 1 两个二次侧绕组间对 应的线电压间相差兰电角度 从而使输出整流电压在每个交流电周期内脉动1 2 6 次 形成1 2 脉动整流心钊 但是由于铁心饱和 换流变压器的激磁电流和磁通的 关系是非线性的 激磁电流随时间变化为非正弦波 除基波外 还有一系列高次 谐波 其中三次谐波电流的幅值相对较大 因此 必须有三角形绕组成为谐波通 路 新型换流变压器副边为两个延边三角形绕组 这样就在两个二次绕组内部都 形成一个三角形联接的内绕组 内部绕组进行零短路阻抗设计 并将内部绕组和 外接滤波的电容和电感组进行联接 形成高奇次谐波通路 自我谐波 不仅可对5 7 1 1 等高次谐波进行滤波 且可以对电力系统进行无功补偿 本文中的新型换流变压器的接线方案见图2 2 正是基于前面所述的构思 在新型换流变压器的两个二次绕组内部都形成了一个三角形内绕组 其构成了对 1 0 硕士学位论文 3 的倍数次谐波通路 进行自我滤波 墨1 1 瀚瀚k 遴 图2 1 传统换流变压器的接 线方案与电压相量图 图2 2 新型换流变压器的绕组接 线方案与电压相量图 设换流变压器一次侧绕组上的电压是三相对称的 即 一 u 月 2 u 1s i n 耐一妒 吭 风s i n 一妒一姿 j 玩 旭s i n 耐一妒 争 2 1 其中u 为一次母线相电压有效值 9 为a 相电压初始相位 各绕组匝数分别 为既 形 则对于传统换流变压器 在理想变压器条件下 以一次侧 a 相电压为基准 可以推导出二次侧的线电压的数学表达式 新型换流变压器及其滤波系统的短路故障研究 吼 占 而 s i i l 一缈 要 吼 励 s 呶耐一9 娑 西z 龇耐一妒一争 2 2 吼 曰 如 s i n 一妒 要 d 2 2 4 2 芝u 2s i n 耐一妒 万 吼 c 而 s 叫耐一妒一要 其中以为二次侧线电压有效值 对于新型换流变压器 各绕组匝数为 睨圳 吸m 川 呢2 6 2 睨2 以 2 2 既l l 1 6 l 1 l 2 2 2 6 2 2 2 二次侧的延边绕组与公共绕组的匝数比为职 职 露 一次侧和二次侧相电压 比为k 职 吸 在理想变压器条件下 以一次侧a 相电压为基准 可以推 导出新型换流变压器的二次侧的线电压的数学表达式 r仃 u 4 l 占l 2 u 2s i n 耐一9 e 一日 吼 互d s i n 耐一9 万一p 吼 c 而 s i n 陋一9 一要一p 面 s i 姒一缈 日 j 2 3 吼 凰s i n 拟一9 一要 p 广 霄 u b 2 c 2 2 u 2s i n 耐一缈 一j p 其中以为二次侧线电压有效值 从式 2 2 2 3 可以看出新型换流变压器的二次侧线电压相量相对于传 统换流变压器的二次侧星形连接绕组的线电压相量分别逆时针和顺时针移相三 1 2 电角度 新型换流变压器的二次侧线电压有效值可以用延边绕组电压玑和公共绕组 电压 来表示 参见电压相量图2 根据余弦定理可得到 2 4 p 为二次侧相电压与线电压之间的偏移角 为了使得新型换流变压器能够满 1 2 硕士学位论文 足1 2 相脉波换相的要求 两个二次侧绕组线电压间必须相差詈的电角度 因此 得孚一9 一日 要 从而可得p 各 从而又可以得到 jol z 玑 s i n 磊 也 s i n 三 s 哼 因此可得玑 o 5 7 7 3 同样七一0 5 7 7 3 新 型换流变压器的二次侧电压相量相对于传统换流变压器的二次侧星形连接绕组的 电压相量分别逆时针和顺时针移相乏电角度 电压波形无本质的区别 取得了 和 接线构成1 2 相脉波的同样效果 只是在选取触发脉冲的参考点时 要注意前 移冬电角度m 2 利 2 2 自耦作用 中间抽头将二次侧绕组分成自耦相联的三角形绕组和延边绕组两部分 相当 于自耦变压器的公共绕组和串联绕组 相互是电磁耦合的 已知输出电压u 和 公 共绕组电压 则抽头分开两部分绕组的电压 可按式 2 4 求得 从而可得 延边绕组电压 r r 2u d u u 一一了t 旷r 砭 副方抽头两端绕组是电磁耦合的 同自耦变压器的串联绕组与公共绕组相似 该两绕组维持磁势平衡 应有u u d d 的关系 此时延边绕组电流 其 电磁容量为3 u 而传送的通过容量为 3 u 则得前者对后者的比值系数 r a 3 该相对值a 小于l 表明可节约材料 2 公共绕组和延边绕组是电磁耦合的 同时内部三角形也相互耦合 当一次侧 母线某一相电压突变时 会引起二次侧的相应地电压变化 由于二次侧内部三角 形绕组之间的耦合作用 一次侧绕组磁势的变化相当于有对应的延边绕组和内部 三角形绕组共同承担 这将大大地降低二次侧绕组的电压电流变化斜率和幅值 从而保护换流变压器的绝缘材料 减小工作噪声 考虑到h v d c l 2 脉动换流器在 换相过程中 由于换相电抗x 的存在 使得换相过程中出现换相阀间的两相甚至 三相绕组发生短路现象 本文中换流变压器的新颖绕组结构通过自身耦合作用将 使得相电流在换相角内难以达到最大短路电流 从而避免了对阀侧换流器的电流 冲击 也减少了换相谐波和换相无功消耗 新型换流变压器及其滤波系统的短路故障研究 2 3 阀侧无功补偿作用 换流器在工作过程中需要消耗相当多的无功功率 在正常运行情况下 换流 站所需配置的滤波和无功补偿装置提供的无功功率约为直流输送功率的 3 0 5 0 逆变站所需配置的滤波和无功补偿装置提供的无功功率约为直流传输 功率的4 0 6 0 因此 整流站和逆变站必然采用有效的无功补偿措施 传统高压直流输电系统中 滤波和无功补偿装置均安装于交流网侧 按照常 理 滤波器和并联电容器组应安装于阀侧母线上是最理想的方案 且这种方案最 接近谐波源和无功消耗源 一方面 由于考虑到换流器在工作过程中 使得换流 变压器阀侧电压是一个由直流电压和严重畸变的交流电压组成的复合电压 而滤 波器是电容器 电抗器和电阻器构成的不同的拓扑电路 由于电容器和电抗器为 储能单元 在工作过程中不断的充放电 引起电磁震荡 在阀侧电压紊乱的情形 下 滤波器的电磁震荡会造成阀侧电压的波动 这对于换流器的正常换相与可靠 运行是很不利的 且会增加换流阀组的损耗 另一方面 该种滤波方式仍属于传 统无源滤波的范畴 无法消除系统阻抗给滤波器设计带来的不良影响 从而影响 滤波效果 且阀侧母线滤波支路在运行中要承受交流成分与直流成分的双重影响 这对滤波装置的性能考核要求较高 综合上述两个方面的考虑 目前广泛采用交 流网侧滤波和无功补偿方案 新型换流变压器的滤波方案 有别于传统的无源滤波 也有别于有源滤波 称之为感应滤波新技术 该滤波方案在新型换流变压器的阀侧绕组的中间抽头处 接入特征次谐波滤波器 考虑到6 脉动换流器工作中主要以5 7 11 和13 次谐 波为主 因此 新型滤波方案在阀侧绕组抽头处接入5 7 1 1 和1 3 次特征谐波 滤波器 在阀侧实现谐波抑制 同时还可兼顾阀侧补偿部分无功功率 可降低通 过换流变压器的无功电流 阀侧补偿无功功率的多少具体由滤波器提供的无功容 量决定 图2 2 中的绕组结构是无法进行无功补偿的 因此 在二次侧公共绕组部分 接入电容 具体接法见图2 3 对基波进行无功补偿 安装补偿容量可以根据平 均功率因素提高值来确定 若负荷容量为s m v a 要求输送功率因数从c o s 九提 高到c o s 则安装补偿容量 mv a r 厂 一 一 q 1 一c o s 2 九一 1 一c o s 2 s 2 5 由于抽头接入电容 相当于把换流变压器常用的外接补偿装置移至变压器内 侧 使得同等负荷条件下 通过绕组的电流减少 可节约铜材料消耗 降低铜损 耗 图2 3 中的电容采用星形接法 而不采用三角形接法 主要是为了避免一相 1 4 硕士学位论文 电容绝缘损坏形成相间短路 若以点d 为零电压参考点 则口 6 和e 节点相对于 点的电压对称的 抚 肛 抚 艮口2 抚 肛a 一 一 一 一 一 一 黜1 0 4 一麓c i o b 一2 i c 口2 i o c 4 越c a io b 一2 i d ib c q 2 id 分 i 0 2 i d 双 式中 算子口 p 一拶 t 为无功补偿电流 l 为公共绕组电流 同时 在三相负 荷相等