500kv换流站铁磁谐振仿真分析

500kv换流站铁磁谐振仿真分析

0换流站铁磁谐振问题的研究由于变量的磁饱和特性，当电子系统中存在导线断裂、果肉断裂的非全相操作或严重的不相容性操作时，以及降低开关的非全相熔断，很容易引起铁磁感和衰减。铁磁谐振不仅造成过电压,还会引起过电流,导致瓷绝缘闪络、避雷器爆炸、PT高压熔丝熔断等,甚至烧毁PT,严重影响系统的安全运行,因此一直是人们普遍关注的问题,并做了大量的研究,包括理论分析、各种试验以及利用计算机进行数值仿真[9,10,11,12,13,14,15]等,提出了一系列抑制铁磁谐振的措施,研制了相应的装置,在系统运行中取得了一定的效果[16,17,18,19,20,21],但鲜见换流站铁磁谐振相关的研究。德阳换流站自2009年12月交付使用以来,站用变500kV侧失去电源后,先后5次出现了电压长时间不消失现象,经过分析排除了开关存在绝缘恢复性能不良问题,认为可能的原因是分闸操作激发引起铁磁谐振过电压。随着我国直流输电的广泛应用,换流站的铁磁谐振过电压防护需求较大,开展换流站铁磁谐振机制及影响因素的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以德阳换流站为例,利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对换流站的铁磁谐振过电压进行仿真,分析了站用变励磁特性拐点、站用变容量等对铁磁谐振的影响,在此基础上对比分析了各种消谐措施的抑制效果,得出适合超(特)高压换流站铁磁谐振的抑制措施。1交换流站铁磁损失位移模拟分析1.1站仿真系统为分析换流站铁磁谐振过电压,采用电磁暂态软件PSCAD/EMTDC对其进行仿真,换流站仿真系统如图1所示。仿真时考虑变压器套管电容和绕组分布电容的影响。CVT主电容5000pF;断路器断口均压电容2500pF;系统电压525kV;系统阻抗2+j10uf057;变压器的参数如表1所示,变压器励磁特性曲线由厂家直接提供,如图2所示。1.2铁磁谐振过程铁磁谐振过电压主要是由带铁心的电感元件随着电流的或磁通的变化出现饱和时引起,站用变在不同电压下的励磁电流如表2所示。由表2可以看出,在0.8~1.05Ue间,站用变励磁阻抗快速变小。工频下,2台断路器均处于热备用状态时,均压电容并联值为2500pF,自系统母线看过去的站用变系统等值阻抗呈现容性特征,这时将可能出现谐振。振荡过程中各相电压电流关系如图3所示,ua1为I母线对地电压,ua2为CVT主电容上承受的电压,ia1(ib1,ic1),ia2(ib2,ic2),ia3(ib3,ic3)分别为图1中ia,b,c,1、ia,b,c,2、ia,b,c,3处的a相(b,c相)电流。以系统电压处于正半周时段为例,说明该换流站用变铁磁谐振过程。系统电压正半周、换流变500kV侧电压处于负值平坦段期间,自系统看去,包括均压电容在内的站用变系统呈容性,由此决定流过均压电容的电流与系统电压间的相位关系。当站用变端电压在0.8Ue以下,CVT主电容与励磁阻抗构成第1组参数关系。由CVT主电容与站用变励磁阻抗确定的自由振荡频率决定了此时段站用变电压变化过程呈现第1种参数谐振特征。均压电容的容性电流特征影响了第1组参数下站用变电压变化过程。受流过均压电容的吸出电流影响,换流变电压负向进入励磁特性拐点附近,使励磁阻抗快速减小形成第2组参数关系。在第2组参数下,励磁电抗大幅减小导致CVT放电电流快速增大,CVT主电容与励磁电感决定的振荡频率和能量交换电流远高于前者,导致出现站用变500kV端电压快速变化,电压变化过程表现为第2组参数谐振特征。在站用变磁场能量作用下,完成CVT反极性充电,站用变电压进入正半周。由于损耗的存在,站用变励磁参数处于第1组参数边界状态,从而进入下一个振荡过程。在系统电压负半周期间发生相似过程。站用变采用三柱式铁心结构,使三相励磁阻抗相互影响,铁磁谐振期间三相励磁阻抗同时发生相似变化。均压电容电流的引导作用,使铁磁谐振过程呈现与工频同步的特征。上述特点使站用变系统铁磁谐振表现为谐振电压与工频同步、三相相位相差180uf0b0(其中一相与另两相相差180uf0b0)、谐振期间零序电压基本为零的特征。2分析磁强电压损失的影响因素2.1铁磁谐振现象为考察断路器断弧时刻相位对激发铁磁谐振的影响,仿真时断弧时间间隔取为1ms,5022开关处于热备用状态,断开5021开关仿真结果如表3所示,表中只给出了谐振时刻的结果。5022开关处于冷备用状态时,分5021开关,只在0.606s时出现了谐振现象,且动态过程时间小于0.2s,相地电压峰值491kV;断口电压峰值912kV。根据上述仿真结果可以看出站用变断开电源的过程可以激发铁磁谐振现象。站用变铁心与断路器断口电容、CVT主电容等元件构成谐振系统,铁磁谐振现象导致断开站用变电源后,站用变500kV侧电压不消失。发生振荡激发条件与分闸角度有关。当一台断路器处于热备用状态时拉开另一台断路器,容易激发铁磁谐振,分闸操作激发铁磁谐振的概率约为60%~65%。一台断路器处于冷备用状态时,拉开另一台断路器,激发铁磁谐振的概率大幅下降,分闸操作激发铁磁谐振的概率约为5%~10%,断路器处于不同的备用状态,对发生谐振的概率有较大的影响。不同时刻断开断路器产生谐振过电压的持续时间以及幅值均不同。2.2变中性点添加电阻仿真改变励磁特性拐点位置对铁磁谐振的影响见表4,仿真中断口电容取2500pF,CVT主电容取5000pF。仿真结果表明,改变励磁特性拐点位置会影响铁磁谐振表现形式。拐点电压的小量提高(如提高到1.15倍)将使谐振难以进入稳定状态,铁磁谐振动态过程时间加长,使出现危险高值过电压的可能性增加。只有将站用变励磁特性拐点位置提高到目前位置的1.2倍以上,才有可能通过提高拐点电压消除铁磁谐振。2.3中性点加装电阻对谐振的影响在站用变500kV中性点加装消谐电阻的仿真结果如表5所示。仿真中断口电容2500pF,CVT主电容5000pF。由表5可见在站用变中性点加装电阻器,对抑制此类铁磁谐振无作用。这与站用变铁心为三柱式结构及铁磁谐振能量交换过程未涉及站用变零序回路有关。2.4电压发生情况保持站用变励磁特性形状不变,改变站用变容量时,铁磁谐振过电压发生情况如表6所示。仿真中断口电容取2500pF,CVT主电容取5000pF,开关在0.602s开断。仿真结果表明,增大站用变容量有助于抑制铁磁谐振的发生。2.5高频电流的频率在设备实际参数条件下,0.607s时刻断路器断弧激发的铁磁谐振过程如图4所示,0.609s时刻断路器断弧激发的铁磁谐振过程如图5所示。可以看出,铁磁谐振期间高频电流的频率与变压器励磁曲线的拐点特性有关。铁磁谐振期间出现频率约为250Hz的高频电流分量。铁磁谐振进入稳定状态后,变压器支路250Hz高频电流峰值约为6.4A,流过2台断路器断口电容的高频电流峰值约为2.0A。流过CVT主电容的高频电流峰值约为4.4A。在目前参数下,可能存在铁磁谐振动态过程较长的情况。在动态过程期间流过变压器励磁支路的高频电流峰值接近18A,流过2台断路器断口电容的高频电流峰值约为5A。流过CVT主电容的高频电流峰值最大值达到12.2A。3铁磁耦合抑制措施研究3.1不同断弧工况下投入消谐负荷的比较断路器均压电容为2500pF、CVT主电容为5000pF,一台开关为热备用状态。断开运行开关的同时投入阻尼负荷,不同断弧角度时需要投入阻尼负荷的数值如表7所示。当一台开关为冷备用状态,断开运行开关的同时投入阻尼负荷,不同断弧角度时需要投入阻尼负荷的数值如表8所示。由表7和表8可以看出,如采用断开站用变开关后临时投入消谐电阻,则消谐电阻的投入将带一定延时。需考虑延时投入消谐电阻对消谐效果的影响。在断弧时刻为0.600s时,投入消谐负荷的延迟时间Tys与消谐容量Pzn间的关系如图6所示。由图6可以看出:快速投入消谐负荷,可有效减小消谐负荷容量。如不能保证在30ms时间内可靠投入消谐负荷,则可靠消谐的负荷值随投入延时发生巨大波动。根据仿真结果,当消谐负荷大于150kW时,可以有效消谐;考虑一定的裕度,建议实际采用的消谐负荷取仿真值的2倍。3.21除谐振的效果利用10kV侧并联低压电抗器消除谐振的效果见表9。根据表9仿真结果可知,不能采用站用变10kV侧加装并联低压电抗器的方法消除谐振。3.3铁磁振幅随交流归因的变化CVT主电容5000pF,10kV侧空载条件下,改变断路器均压电容值,当分闸角度变化时激发铁磁谐振的情况见表10。表中电容值是2台断路器的总均压电容值。由表10可以看出:当断路器均压电容数值为900pF时,仍有发生铁磁谐振的可能,发生概率约为5%。当断路器均压电容数值为800pF时,个别角度下铁磁谐振处于临界状态,铁磁谐振在0.1s内自动消失。当断路器均压电容数值为750pF时,按0.5ms步长检查分闸(断弧)时刻变化对激发谐振的影响,仿真中未发生铁磁谐振现象。3.4改变CVT主电容断路器均压电容2500pF、10kV侧空载条件下,改变CVT主电容值。当一台开关为冷备用状态,断开运行开关时,铁磁谐振随分闸角度变化的情况见表11。由表11可见,将CVT主电容值改为10000pF,不能完全消除铁磁谐振。4铁磁振幅的消除1)本文对换流站的铁磁谐振机制和影响因素进行了研究,结果表明均压电容值对铁磁谐振的影响很大。断路器的备用状态对铁磁谐振发生的概率影响较大,当处于热备用状态时,概率约为60%~65%,处于冷备用状态时,概率约为5%~10%,且断路器在不同时刻断开谐振过电压持续的时间以及产生的过电压峰值均有很大的差异;增大励磁特性的拐点以及站用变容量有助于抑制铁磁谐振的发生,但中性点增加电阻对抑制铁磁谐振不起作用。铁磁谐振将引起高次的谐