±660kV换流变故障分析

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  摘 要 本文主要结合了现场实际针对换流变在安装中,运输等出现的问题予以汇总,防止由于安装运输等的原因影响运行,从换流变的原理结合实际工作及发现的问题,给换流变的安装及试验给予指导,防止类似问题的发生,保证设备一次投运成功。
  关键词 换流变;短路阻抗;阀臂;潮流翻转;晶闸管
  中图分类号:TM407 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2015)04-0259-03
  换流变压器是换流站中使用的一种特殊类型的变压器。换流变压器一次侧绕组接到交流系统,称为网侧绕组;二次侧绕组接到换流阀,称为阀侧绕组。换流变压器的作用是将送端交流系统的电功率送到整流器,或从逆变器接受电功率送到受端交流系统。它利用两绕组的磁耦合传送功率,同时实现了交流系统和直流系统部分的电绝缘与隔离,以免交流电力网的中性点接地和直流部分的电绝缘与隔离,以免交流电力网的中性点接地和直流部分的接地造成某些元件的短路。另一方面是实现电压的变换,使换流变压器网侧交流母线和换流桥的直流侧电压能分别符合两侧的额定电压及容许电压偏移。实际上,它对于从交流电网入侵换流器的过电压还起到抑制的作用。换流变压器在直流输电系统中是一个关键设备,换流变比普通的变压工作环境要恶略得多,在阀侧线圈中换流器触发相位不一致时将有直流分量流过,使铁芯趋于饱和,导致增加铁损和噪声。换流变正常换相是两相交替短路过程,而换相失败是三相瞬间短路过程,应此换流变压器必须有足够大的漏抗,以防换流器设备损坏。
  换流的结构特点:
  换流变压器的阀侧绕组所承受的电压为直流电压叠加交流电压,并且两侧绕组中均有一系列的谐波电流。因此,换流变的设计,制造和运输均与普通电力变压器有所不同。
  1 短路阻抗
  换流变压器的短路阻抗在发生阀臂短路故障时起着限制故障电流的作用。以往由于晶闸管元件过负荷能力有限,换流变器的短路阻抗设计比普通电力变压器大,一般为16%~19%.但从减小换向压降,减小无功及及引起的能耗和减小动态过电压来看,短路阻抗小一些为宜。目前,有大容量的晶闸管元件可供选择,必要时可以留有较大的备用过载容量。因此可在此基础上,考虑环流变压器的短路阻抗值。
  三相参数不对称是引起非特征谐波的原因之一。为了减小非特征谐波,换流变压器的三相短路阻抗实测值与规范值的容许差别要尽可能小。普通电力变压器短路阻抗容许偏差为±(7.5%~10%),而换流变压器容许的偏差要小得多。换流变压器主分接下的阻抗容许偏差为±5%,且在其他分接范围内的阻抗应不超过主分接时阻抗值的±10%。常用分接的范围应由用户与制造单位协商确定。对分接范围超过30%的换流变压器,其分接范围内的阻抗偏差应由用户与制造单位在签订合同之前进行协商。对设计成用于同一目的的或能互换的相同或相似的换流变压器,各台变压器在主分接上的阻抗容许偏差为±3.75%,对设计成用于同一目的的或能能互换的相同或相似的特高压换流变压器,各台变压器在主分接下的阻抗及在整个分接范围内的阻抗变化,均应不超过其平均实测值的±3%。特高压换流变压器的要求更为严格,主分接上的阻抗容许偏差为±3.75%,对设计成用于同一目的的或能互换的相同或相似的特高压换流变压器,各台变压器在主分接下 的阻抗及在整个分接范围内的阻抗变化,均应不超过其平均实测值的±2%。
  为了使三相漏抗差值小,在换流变压器的结构设计中也要加以考虑。例如,单相三绕组的普通电力变压器常采用三个同心圆筒套叠的形式,不易做到网侧与两个阀侧绕组之间的漏抗相等。现在厂家采用图示所示的结构,这两个芯柱之外还各套者一个阀侧绕组,三个单相换流变压器的两组三相阀侧分别接成Y形和△形,这种结构显然有利于漏抗差值的减小。
  2 绝缘设计
  换流变压器绝缘设计与普通电力变压器绝缘设计最显著的不同是普通电力变压器只考虑结构的交流耐压强度,而换流变压器阀侧绕组要承受直流偏压的作用,该直流偏压叠加在交流电压上。阀侧绕组在交直流电压共同作用下工作,阀侧绕组对地电位很高。当功率潮流翻转时,承受直流偏压的极性也随之改变。
  在交流电压作用下,油,纸的绝缘特性于再直流电压作用下是不同的,应此,不能沿用一般电力变压器对绝缘的要求,必须充分考虑直流电场对变压器中油,纸的影响,以及在套管下端头部分油,纸和瓷中场强的分布的情况。同时要考虑到直流电压极性快速变化时引起复合绝缘中电荷分布的变化使油隙受到过大的电压应力。有种的介电强度最弱,所以承受直流电场作用区域的油隙必须进行适当分割,而且隔板形状必须有利于限制油与纸板分界面上的电场强度。由于换流变压器阀侧绕组对轭部电压增大,绕组对轭部的距离必然增大,使绕组端部的轭向偏磁和局部损耗增大。这些情况是要加以注意的。
  与普通不需要对某些部位进行特殊考虑的交流情况不同,在直流电场设计中,必须对油-纸界面及其绝缘的不连续性给予充分重视。从设计的角度来说,实际存在的直流电场和交流电场的综合作用,将使问题更加复杂。
  交流电压的分布由材料尺寸及介电系数决定,因而湿度或温度的变化不会引起交流电压分布的明显变化。而直流电压的分布由材料尺寸及电阻率决定湿度或者温度的变化都会引起绝缘材料电阻率的变化,从而引起直流电压分布的变化。考虑到这一点,特高压直流换流变压器必须保持较高的干燥水平。运行中变压器无论负载情况如何,一般都要保持油循环的连续性,以维持尽可能均匀的温度分布。从而确保直流电场分布不会由于材料电阻率的热效应而发生畸变。此外,必须保持绝缘的高度清洁,其中包括经常性的滤油措施,油的任何颗粒状污染,包括各种纤维和金属粒子,在直流电场作用下将发生位移。这些颗粒一旦与电极或固体绝缘材料接触,就会引起电晕放电,甚至击穿。
  换流器在运行中将在交,直流两侧产生谐波电流和谐波电压。线路和换流器的运行方式本生就决定了交流侧会才产生(6k±1)次(6脉动)或(12k±1)(12脉动)的特征谐波电流,而电流脉冲断开点处的瞬时尖峰发生振荡,产生了更多的谐波分量。漏磁的谐波分量可能使换流变压器的某些金属部件和油箱产生局部过热现象,同时变压器的杂散损耗将增加,这些谐波电流产生的磁伸缩现象还会引起震动和对听觉较为敏感频带的噪声。换流变的设计,制造及现场安装必须要考虑这些因素。变压器绕组,铁芯和钢结构的热设计中和变压器试验时,必须考虑谐波电流的影响而留出相应的裕度,确保具有适当的冷却设备。在换流变压器中有较强谐波偏磁通过的地方,用非磁性材料制造紧固件,在绕组与外壳之间要采取磁屏蔽措施。在现场,必要时可建造吸音墙或换流变压器安装在隔音室内。   经过换流变压器的直流电流产生的直流磁通致使铁芯磁化曲线不对称,即直流偏磁。对换流变压器来说,产生直流偏磁的主要原因油:换向过程中,换流器触发相位不相等;工频电流流过直流线路换流站交流母线出现正序二次谐波电压;单极大地返回期间因电流注入接地极引起换流站地电位升高。以上的直流磁通造成换流变压器铁芯严重饱和,励磁电流畸变严重,产生大量谐波,使换流变压器无功功率增加,输电系统电压降低,甚至造成系统保护动作。换流变压器本事铁芯由于磁路高度饱和,漏磁会非常严重,可能导致内部金属结构件的局部过热,破坏绝缘系统,甚至降低使用寿命。
  有载调压调节范围为使直流输电系统经常运行在最佳状态,换流变压器一般带有较多负荷调节的分接头,可调范围很大,一般达到-5%~+30%,每档距较小,常为1%~2%,以达到分接头调节和换流器触发角控制联合工作时无调节死区和避免频繁往返动作的目的。
  3 现场试验项目
  1)测量绕组连同套管的直流电阻。换流变压器绕组电阻相互差值应小于均值的2%。在相同温度下,其结果与出厂试验所测值相比偏差不应超过±2%。
  2)检查所有分接头的电压比。主分接电压比的偏差应不超过±0.5%,其它分接电压比的偏差应在阻抗电压值(%)的1/10内,但不超过±1%(均与出厂值相比)。
  3)检查换流变压器的引出线极性,应与设计要求、铭牌及标记相符。
  4)绕组连同套管的绝缘电阻测量,吸收比或极化指数的测量。绕组绝缘电阻值应不低于出厂值的70%(测试条件相近),吸收比不能低于1.3或极化指数不小于1.5。
  5)测量铁心对地绝缘电阻。用不低于1000V的绝缘电阻表测量,持续时间为1min,应不小于500 MΩ。
  6)测量绕组连同套管的tanδ和电容量。实测tanδ值不应大于出厂试验值的130%(测试条件相近)。
  7)直流泄漏电流测量。应在绕组连同套管的绝缘电阻、tanδ和电容量测量等试验合格后进行。试验在绕组端部进行,试验电压应根据绕组电压选定,试验中应读取1min时的泄漏电流值。 一般规定,泄漏电流值不应大于30μA。
  8)低压空载电流测量。在380V电压下测量变压器空载
  电流。
  9)绝缘油试验。在现场进行击穿电压、tanδ、含水量等的测量及油中气体色谱分析,具体要求与前面所述例行试验中的绝缘油试验。
  10)密封试验。换流变压器装配完后,在储油柜油面以上施加0.03MPa压力,至少持续24h,不应有渗漏。
  11)套管试验。测量电容型套管的tanδ及电容量,实测值应和工厂测量结果相近,其差值应±10%范围内。还应测量套管末屏对地绝缘电阻。
  12)套管型电流互感器试验。测量直流电阻、绝缘电阻、电流比,校验励磁特性和极性。
  13)有载分接开关检查与试验。
  ①取出切换开关,检查切换触头。
  ②测量限流电阻的阻值,其结果与铭牌值的偏差在±10%内范围内。
  ③检查切换装置的动作顺序,在切换过程中,应无开路现象;电气和机械限位动作正确;在操作电流电压为额定电压及85%额定电压时,全过程的切换中应可靠动作。
  ④换流变压器不励磁,操作10个循环。
  ⑤注入有载分接开关油箱中的油应符合规定。
  14)绕组连同套管的局部放电测量。测量方法和试验程序应符合下述规定。
  ①试验电压应基于最高设备电压U。试验电压和施加时间依次为:施加1.1倍的最高工作相电压5min,1.1倍最高工作相电压5min。
  ②在60 min试验期间,最大的局部放电量不超过300PC,应与出厂试验的局部放电水平基本一致。试验时绕阻中性点端子接地,有载调压分接开关置于额定分接位置。注意,最高工作相电压为U相/√3。建议在网侧绕组上施加1.1倍的最高工作相电压1h,以消除前面直流试验的剩余电荷。
  15)油箱箱壳表面的温度分布试验。采用红外测温仪等设备测量油箱箱壳表面的温度分布,检查有无过热点及其分布。
  16)冷却器的运行试验。冷却器持续工作24h,应无渗漏油和吸入空气。
  17)油泵试验。油泵开动后应无异常声响和明显振动。
  18)控制和辅助设备回路接线检查及工频耐压试验或绝缘电阻测量。冷却器油泵和风扇电机、有载分接开关的电机传动、信号电路等进行2000V、1min工频耐压试验,或用2500V绝缘电阻表测量绝缘电阻。
  19)辅助装置的检查。根据产品使用说明书,对温度计、气体继电器、压力释放装置、油位指示器等进行检查。
  20)冲击合闸试验。在额定电压下进行5次冲击合闸试验,每次间隔时间不少于10min,应无异常现象。
  21)频率响应试验。
  22)噪声测定。换流变压器投运后,在额定电压、额定频率及所有冷却器开启情况下,测量离换流变压器2m处的器声水平,并测量敏感地点的实际噪声水平。
  银川东换流站±660kV换流变安装时发现如下问题:
  1)2010年12月22日做Y-D换流变330kV侧升高座CT时二次绕组无阻值,用摇表测二次开路,及时与厂家沟通发现由于长途运输CT托架螺丝脱落,导致CT移位,二次线脱落。12月23日晚厂家处理后,一切恢复正常。
  二次绕组断裂情况 处理后情况 处理后试验升高座
  CT试验正常
  2)2011年1月20日做Y-D换流变330kV侧升高座CT时,6S变比直阻均正确但特性升不起来,出厂值为拐点电压140伏,现场测试为4伏,厂家协商怀疑是剩磁导致,安装完毕后从M端子升流,经多次处理无效果,厂家更换备用相升高座CT,问题解决。
  3)换流变容量比较大,尺寸超过了运输尺寸,因此线圈分成三个,有载也分成三个,有载与本体连在一起超宽,是单独运输的,现场再组装,2010年12月23日,做Y-D备用换流变常规试验时,发现直阻之间差值异常,检查三个有载调压动作不同步,中间减档,另两个加档,经厂家检查发现,中间连接器与另两个不一致,造成直阻的差值异常。厂家取下连接器重新正确安装,问题得以解决。
  试验数据如下:
  档位 直阻(mΩ)
  20 56.88
  21 56.57
  22 56.27
  23 53.78
  24 53.32
  25 53.06
  26 52.71
  27 52.43
  28 52.25
  29 51.82
  30 51.62
  31 51.20
  更改有载连接器方向后:
  档位 直阻(mΩ)
  20 56.34
  21 55.56
  22 54.78
  23 54.02
  24 53.25
  25 52.44
  26 51.64
  27 50.95
  28 50.19
  29 49.44
  30 48.76
  31 47.97
  4)2010年10月10日,下午做极ⅡY-Y换流变B相阀侧升高座4S,5S,的变比为3000/1,2475/1.5,实测为4S变比为2475/1.5,5S变比为3000/1,厂家认可后从升高座内部改线,恢复为正确的变比。
  特高压输电是当今世界最先进的送电技术,随着特高压电网在中国的建设,我们会面临许多的建设和试验工作,本论文仅以银川东±660工程中换流变高压试验中遇到的问题及处理方法提供指导和借鉴,文中不足之处,敬请专家指正。
  参考文献
  [1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].中国电力出版社,2010.
  [2]刘振亚.特高压直流电气设备[M].中国电力出版社,2009.
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