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《變壓器雜志》2015年第十二期

摘要：

本文中作者通過分析電壓不平衡產生的原因，提出了應用于現場試驗的解決雙端電壓不平衡的方法，并通過仿真和現場試驗進行了驗證。

關鍵詞：

換流變壓器；局部放電；電壓不平衡

1引言

長時感應電壓帶局放測量試驗是換流變交接過程中的一項重要試驗，是換流變投運前的質量控制考核環節，可以驗證換流變在運行條件下無局部放電，是目前換流變各項現場試驗中考核絕緣比較有效的試驗。換流變現場局放試驗因勵磁變電壓等級的限制，一般是從電壓等級較小的一端加壓，即閥側加壓。角接換流變因其變比較小，在閥側單邊加壓存在兩個問題：一是所需勵磁變電壓等級高，運輸及現場試驗安裝十分不便；二是存在閥側交流耐受試驗電壓值低于閥側局放加壓最高電壓值的情況，如直流角接換流變閥側交流耐壓值為325kV，而局放試驗激發電壓值高達374.9kV，因此在做閥側加壓局放試驗時應采用對稱加壓方式而不該采用單邊加壓方式。相關文獻認為對稱加壓試驗時，繞組兩端都承受電壓，更接近實際運行狀況，且該方法考核高、低壓繞組的軸向絕緣更為嚴格。另一文獻在對向上直流換流變的現場局放試驗的總結中亦認為角接換流變采用對稱加壓方式更為合理、方便。日前，在某工程換流變現場交接試驗中，試驗人員對角接換流變都采用了對稱加壓試驗方法。在完成多起試驗后，試驗人員發現在加壓過程中每臺換流變不同程度地存在電壓不平衡問題。兩臺同樣變比的勵磁變在同一臺變頻電源的輸出下顯示不同的閥側電壓，有時差別較大，需采取有效的措施加以解決。針對這個問題，國內外鮮有學者對此進行研究。為此，本文中筆者在總結閥側對稱加壓的基礎上針對這個問題進行分析，給出問題產生的原因，列舉了其帶來的危害，并提出了應用于現場試驗的解決電壓不平衡問題的方法，結合仿真和現場試驗驗證了本文中筆者提出的不平衡電壓產生原因及解決方法。

2換流變對稱加壓試驗

現場對稱加壓局放試驗接線方法如圖1所示，變頻電源輸出端換相倒接到兩個型號相同勵磁變網側，使兩勵磁變閥側電壓對地呈現相反極性，考慮勵磁變短路阻抗及負載差異，換流變閥側總加壓值應為兩閥側電壓的矢量和。兩邊采用相同的補償電抗，與兩閥側接線端入口電容完成并聯補償。以某站500kV角接換流變為例，其型號為ZZDFPZ-300400/500-250。變頻電流輸出電壓頻率可調節范圍是30Hz~300Hz，本試驗兩端采用11.4Ω的固定電抗作為補償，試驗頻率為280Hz。規程規定，當試驗電源頻率等于或小于2倍額定頻率時，其全電壓下的試驗頻率持續時間應為60s，當試驗頻率大于2倍額定頻率時，試驗電壓持續時間為。

3電壓不平衡問題

圖3是在1.3倍試驗電壓下各部分的電壓和電流值。此時3.1端電壓為125.3kV、電流為322.7A，3.2端電壓為146.7kV、電流為370.3A。兩端電壓與勵磁變的額定變比存在差別，勵磁變額定變比為452.38，3.1端電壓與網側電壓的比值為450.72與之較為接近，3.2端電壓與網側電壓的比值為542.9與勵磁變額定變比相差較大。為分析電壓不平衡產生的原因，對3.2端作簡化電路圖分析，并將兩臺勵磁變的內部阻抗差異忽略不計，漏抗相等，如圖4所示。其中C是換流變入口電容、L是補償電抗、l是勵磁變內部漏抗、T是理想變壓器（勵磁變等效為理想變壓器與串聯漏抗的形式）。現場試驗表明，閥側兩套管的入口電容存在差異，且3.2套管的入口電容較3.1端大，數據將會在后續分析中給出。本試驗采用兩組相同電感值的電抗器進行補償，就無法使兩端都達到完全補償的狀態。調節試驗頻率使變頻電源輸出電流最小、功率因數接近于零時3.2端必然是欠補償的。由計算可知，A點電壓UA比理想變壓器輸出電壓大，即發生了一定程度的串聯諧振現象。因勵磁變漏抗l通常較小，A點電壓抬高不會太多，現場試驗數據都在50kV之內。兩端補償情況不一致時，換流變兩端電壓極性不可能完全相反，其矢量和實際要比完全補償時小，使施加電壓達不到預期效果。其中一個方法就是增加兩端電壓使兩端矢量和等于規定電壓，但此方法會增大電壓不平衡的問題，并且產生更大的環流。圖3中可以看出從變頻電源流入到兩個勵磁變的電流之和比變頻輸出電流大。這是因為兩端補償狀態不同，3.1端此時處于過補償狀態，3.2端處于欠補償狀態，即一端呈現弱感性一端呈現弱容性，兩電流在變頻電源輸出口處完成相互補償。相當于勵磁變2作為勵磁變1的無功電流源供給無功消耗，在兩個勵磁變網側和變頻電源輸出處三點之間形成了環流，實際環流大小約為兩勵磁變輸入電流之和減去變頻電源輸出電流，在圖3中約為46A。環流的產生也從側面證明了3.2端容升效應的存在。這種環流會增大勵磁變電流，減小勵磁變的有功輸出容量，故在試驗中應盡量避免環流的產生。

4仿真分析

為驗證相關結論，建立相同參數的仿真，首先需正確估算入口電容的大小。現場對本臺角接換流變進行單端加壓測試，閥側試驗電壓為1.0Um/姨3/k，3.1端加壓時3.2端接地，反之亦然。調節頻率使其完全補償，記錄此試驗頻率，入口電容與試驗頻率存在以下關系。試驗時記錄下的試驗頻率分別為291Hz和242Hz，總入口電容值可由第1節的對稱加壓試驗中算得為52.2nF。由此可計算兩入口電容為C3.1=21.37nF，C3.2=30.83nF。因此，仿真中設置電源頻率280Hz，3.1端入口電容21.37nF，3.2端入口電容30.83nF，在兩個電容中間接地來模擬端子入口電容，兩補償電抗為11.4Ω，如圖5所示。仿真結果如圖6所示，3.2端電壓因為容升效應其電壓有效值為155kV，3.1端電壓有效值為134kV，這兩個電壓與真實變比下的電壓150.676kV有差別，但與實際情況相符，故本文中筆者所述原因可以解釋現場出現的兩端電壓不一致的情況。對稱加壓電壓不平衡問題的解決辦法通常有兩個。（1）針對入口電容不一致，可以采用補償電抗進行完全補償使輸入到勵磁變的無功電流接近于零，這也是避免勵磁變尾端發生容升效應最有效的方法。用此方法做仿真，結果如圖7a所示，完全補償后勵磁電流接近于零（理想情況下），兩端電壓有效值皆為151kV，表明該方法有效。這種方法在實際試驗中并不常見，讓電抗器在同一頻率下完全補償兩側的入口電容比較困難，可以使用可調感電抗器。（2）針對現場試驗電壓不平衡，如果相差太大，根據現場實際經驗，較有為效的方法是調整勵磁變的擋位，人為地加大（減小）較低（高）電壓端的電壓，從而使兩端電壓盡量接近。原則是在滿足兩端線電壓達到試驗要求電壓的前提下，較低壓的一端的中間變變比變大，如網側從190kV變為220kV，或者較高壓的一端的中間變變比變小。用仿真來模擬將3.2端變比減小后（由190kV變為170kV）的情況，結果如圖7b所示，3.1端電壓不變為134kV，3.2端電壓變為139kV，兩端電壓差值變小了，方法是有效的。3.2端電壓變小可以減小容性電流，使容升電壓變小，達到減少兩端電壓差值，即減小環流的目的。解決電壓不平衡的目的一是減小環流，充分利用勵磁變容量；二是使兩個勵磁變網側電流不超過其額定值。如果出現某端電流大于額定電流的情況，最有效的是方法二。以圖3為例，如果3.2端的勵磁變網側電流大于額定電流2A，而3.1端較小，可以調節兩個勵磁變擋位使3.2端施加電壓變小而使3.1端施加電壓變大。

5結論

角接換流變因其變比較小，局放試驗閥側加壓值較高，現場試驗需采用對稱加壓方式。使用同一臺變頻電源的對稱加壓方法存在兩端電壓不平衡的現象。經現場試驗及仿真分析可知雙端電壓不平衡產生的原因主要是兩側入口電容不一致，在使用相同補償電抗時，在同一頻率下入口電容值較大的一端與勵磁變漏抗串聯，會將此端電壓抬高，即發生了一定程度的串聯諧振。雙端電壓不平衡時，在兩勵磁變首端及變頻電源輸出端之間存在環流，不平衡程度越大則環流越大。為保證勵磁變容量得到有效利用，需盡量減小環流，即抑制電壓不平衡。本文中筆者證明，通過電抗器的完全補償，可以有效地改變雙端電壓不平衡的問題且抑制環流。在現場試驗時也可以通過改變勵磁變分接擋位的方法，使兩側電壓趨于相等，保證勵磁變電流不超額定值。

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作者：楚金偉 李士杰 夏谷林 伍衡 周海濱 張新波 單位：南方電網超高壓輸電公司檢修試驗中心