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换流变套管末屏电压互感器波形畸变分析与处理

北极星电力网技术频道    作者:宋志明,王莉,郝俊芳   2012/3/21 11:33:45   

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引言

高压直流(HVDC)在远距离、大功率输电和异步联网中占有越来越重要的地位。直流输电系统中的大功率电力电子变换装置的非线性导致直流输电系统在运行过程中存在大量谐波与无功功率,不仅严重影响系统的电能质量,还危及用户设备及周围通信系统,甚至引起系统振荡,尽管采用具有感应滤波技术的新型变流器后能够有效抑制和补偿谐波,但是换流站还是多次由于电压波形畸变导致电压中性点偏移。分析波形畸变原因,查找问题所在,消除谐波,防止保护误动作,预防由于电压波形畸变产生的其他不良后果,对输电系统正常稳定运行具有重要意义。

1问题的提出

银川东换流站多次发生因中性点偏移造成的保护误动作。由故障录波发现,闭锁时末屏电压不正常,在直流系统未运行、运行中和闭锁后,都有末屏电压信号畸变现象。设备生产厂家查验换流变后,确认末屏电压互感器无问题。图1是银川站换流变进线断路器合闸后的末屏电压录波图,解锁后的电压波形与之类似。

图1  畸变波形录波

图1中星侧末屏电压A相没有畸变和谐振,B相和C相存在畸变,畸变后的有效值达到约420KV,实际末屏电压仅有约130KV(179KV/1.414) 。B相和C相的高电压可能是谐振导致。

2畸变原因分析

末屏电压互感器实际上就是一种特殊的CVT电容式电压互感器。一般国内厂家在设计和生产CVT互感器时,都会考虑与次级电磁式电压互感器(TV) 配套使用时所产生的铁磁谐振问题。产品内部一般装设中压变压器,并装设有阻尼回路和补偿电抗器,阻尼回路用来抑制谐振,补偿电抗器用来补偿接入电感元件后的转换误差。即使CVT不接入二次TV,也不装设中压变压器,由于CVT互感器自身电路存在的寄生电感、线路电感等感性元件,也存在谐振问题。因此,银川站的套管末屏电压互感器实际上与一般常规做法不同。

末屏电压测量环节基本原理如图2

图2中电容器参数为:Cth=594pF;Ctl=5870pF;C1=1.221uF;C2=0.475uF;C3=0.681uF。

从图2可以看出,末屏电压互感器采用电容器分压。由于二次TV采用电磁式互感器,实际是一个电感。因此,等效电容和等效电感会在某个特定频率谐振,导致信号畸变,严重时测量电压会超出实际信号数倍,使二次TV铁芯过流发热,甚至烧毁。

图2 末屏电压测量原理图

由图1中B,C两相畸变波形结合图2分析,当末屏电压变化时,以电压上升段为例,电容C1和电容C2充电。当未接入二次TV时,C1上面充有电荷,C2上也会充有同样多的电荷。接入二次TV以后,情况发生了改变,二次TV提供了充电支路。由于电容电压不能突变,同时C1的电容值远小于C2,因此C1和TV回路的时间常数远小于C2和TV支路,导致TV原边电压上升,超出正常工作电压,励磁电流大大增加,激磁电抗减小产生谐振。这个过程类似于小电流接地系统发生单相接地故障时互感器的谐振。

由上所述,末屏电压互感器和二次TV配合,产生的谐振导致了B,C两相波形畸变。因此,需要计算二次TV的等效电感,以便确认谐振频率。

3TV激磁电抗的计算

对图2中元件参数进行简化,可以得到图3所示等效电路。其中:

C1=594pF=0.594nF;

C2=5870pF+0.221uF+0.475uF+0.681uF=1382.87nF;

L为二次TV的等效电感,参数未定,可以根据电压大致计算出来;R包括线路电阻和二次TV内阻等的等效电阻,可以近似为零。

 

暂不考虑电阻的影响,等效电路图如图3(a)进一步简化,得到图3(b)。

图3 测量回路等效电路

波形畸变状态时,分接头档位为16档,换流母线电压350KV。实际末屏电压为146.3KV。录波数据显示,星侧三相电压分别为174.9KV,173.95KV,179.56KV%角侧三相末屏电压分别为148.6KV,158.6KV,15.6KV。

当接入二次TV后,测量后按(1)式计算所得的末屏电压约为176.1kv相比接入前的146.3kv略有提高。由于末屏电压互感器的容抗远大于二次TV的感抗,相当于抵消了部分电容,等效电容减小,阻抗增大,分压比自然也会有所增加,电压也就相对比接入前略有提高。

针对简化电路图3(b),分压比可有(2)式计算:

K=Z1/(Z1+Z2)        (2)

式中:Z1=Zc1;Z2=Zc1//ZL;Zc1=1/jwC1,Zc2=1/jwC2,Z1=jwL。

 

由分压比算式(2)得到二次TV接入前后的分压比和阻抗。

综合(4)、(7)两个算式,可有推算出二次TV介入前后分压比的比值,式中w=2πf=100π,取f=50Hz,一次末屏电压不变,因此:

由(9)式求出L

将(8)式带入(10)式,计算得:L约等于43H。激磁阻抗为XL=2πfL 13.5KΩ。

4结果分析

经过实测,在60V电压下,电流约为1.24mA,计算出阻抗XL=48kΩ(%在原边电压20V~120V范围内,阻抗的变化区间为35~50KΩ可以大致取48KΩ(60V时)作为激磁阻抗,则4台TV并联后的等效阻抗为12KΩ,考虑元件误差等因素,其值与计算值13.5KΩ大致相等,不同电压下激磁阻抗测量值见表1:

推导计算方法与实测数据计算出来的激磁阻抗几乎相等,说明计算采用的电压数据是不受铁芯饱和和谐振影响下的数值。实测数据计算的激磁阻抗验证了第2节分析结果 “末屏电压互感器和二次TV配合,产生的谐振导致了B、C两相波形畸变”是正确的,消除波形畸变的措施是消除谐振。

5解决措施

理论上讲,消除和抑制谐振影响的措施有许多,但是在实际应用方面有些是不现实的。

可以实现的有效措施是:

1) 在每相信号的主电路上并联电容。这种方法降低了容抗,使容抗与TV电抗之间的比值小于0.03,破坏谐振产生的条件。这种办法简单易行,比较有效。

2) 在每相信号的主电路上串联一段电缆。原理也是增加容抗。这种办法需要重新敷设电缆,且电缆的容抗比较难以计算。不易操作,需要大量的试验。

3) 在二次TV的中性点接地处串接电阻。装设的电阻可以起到阻尼和抑制谐波电流的作用。一般情况下,三相系统可能平衡或不平衡,三相系统平衡时电阻消耗能量,当三相系统不平衡严重时,电阻才起抑制作用。为了保证不对开口电压产生太大影响,可以选择非线性电阻,这样既不会影响保护,又起到抑制谐波的作用。这是抑制谐波的常用办法。装设电阻方法如图4所示。

图4  中性点接地处串联电阻

4) 在末屏电压互感器和二次TV之间装设中压变压器。如前文所述,末屏电压互感器就是一种CTV。因此,按照CTV的做法,在末屏电压互感器处增加阻尼回路、补偿电抗器和中压变压器,是解决谐振问题的有效方法。电路如图5所示。

图5  装设中压变压器电路

6结束语

文中所涉及的末屏电压互感器波形畸变问题,曾多次导致保护误动作,并伴有二次;3铁芯发热、测量受干扰等。宁东银川换流站采用了本文所述措施后,取得了明显的消谐效果。目前,宁东直流系统安全稳定运行,输送容量达到400万KV,这只是“西电东送”战略的一小部分,今后直流输电的作用将更加明显,安全可靠的处理好工程中的每一个问题将对整个系统具有重要的意义。

来源:现代电力
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