直流输电电磁涌流的解决方案优化

陈英

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司， 广东 湛江 524057）

1 引言

海上采油平台的采油、外输等动力源以及通讯设备都是由铺设在海底的电缆输送。海底电缆发生故障会严重影响采油井的正常生产，造成重大生产损失。中海油某海上平台由于海底电缆红相击穿，故改造为直流进行输电，即将高压交流电通过中心平台整流站整流成直流，通过两相完好的海底电缆进行输送电能，通过井口平台逆变站将直流电逆变成油田需要的交流电，再供平台自用。

2 直流输电结构

直流输电由一个整流站和一个逆变站组成，整流站设在中心平台，逆变站设在井口平台，中间由30km海底电缆相连。中心平台将10.5kV交流电通过整流站整流为15kV直流电，并通过海底电缆输送给平台5逆变站，逆变成400V/35kV，50Hz的交流电供本平台用电并为下游用户提供电力供应。中心平台整流站由两极组成，每极分别由1台移相变压器和12个功率单元组成。移相变压器在合闸瞬间会产生电磁涌流，对海上平台小微电网冲击巨大。

图1 直流输电结构图

3 励磁涌流的特点及危害

3.1 励磁涌流的产生

电力变压器空载投入电网时，由于铁芯剩磁的存在，导致合闸瞬间剩磁与新建立的磁场相互叠加，而变压器铁芯励磁材料具有非线性特性，造成合闸磁通饱和，励磁电流成百倍增长，从而产生励磁涌流。

3.2 励磁涌流的特点

涌流含有数值很大的高次谐波分量，主要是偶次谐波，因此，励磁涌流的变化曲线为尖顶波。励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的10～25倍。励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关，饱和越深，电抗越小，衰减越快。因此，在开始瞬间衰减很快，以后逐渐减慢，持续时间为数十周波到数秒。一般情况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是涌流的衰减速度往往比短路电流衰减慢一些。

图2 励磁涌流数值曲线

3.3 励磁涌流的危害

（1）谐波造成电网污染及发热。

（2）涌流峰值会造成电源侧开关柜保护跳闸，引起大面积断电。

（3）涌流峰值会造成发电机差动保护跳闸，引起大面积断电。

（4）涌流峰值会造成保护开关烧熔。

4 直流输电解决系统及改造

4.1 直流输电预充电原设计方案

为解决启动冲击问题，在设计阶段即设计了预充电回路。预充电回路由充电电阻，输入输出接触器构成。中心平台至井口平台直流输电设备启动的原理如图3所示，平台供电进线为10kV主电网直接供电，10kV母线电压经平台主变压器降压后变换为400V平台主电，平台主变压器为DY11组别，即变压器副边400V电压相位超前变压器原边10kV母线电压30°相位角。

图3 改造前直流输电系统预充电原理图

直流输电设备输入移组变压器主进线为10kV母线电压，由于直流输电设备阀组由功率开关管和直流电容器组成，直流电容器直接合闸供电时会产生非常大的冲击电流，容易引起设备损坏甚至威胁平台10kV主电网安全，故直流输电设备启动前需要进行预充电。

4.2 预充电系统存在的问题

直流输电多绕组变压器除为功率阀组供电的副边绕组外，还设计了预充电的辅助第三绕组，设备启动前控制系统先控制预充电接触器KM12和KM13合闸，三相400V动力电源通过预充电电阻R和直流输电变压器辅助第三绕组为直流输电阀组预充电，由于充电电阻R的限流作用，功率阀组直流电容两端的电压逐渐升高，避免了直接合闸产生的冲击电流。功率阀组预充电结束后，需要先断开预充电接触器KM12和KM13，之后再将直流输电设备进线接触器QF合闸。确认QF可靠合闸后，再将KM11接触器闭合，辅助第三绕组输出400V电压为控制系统提供第二路动力电源，保证了直流输电设备控制系统电源的可靠性。由于KM12和KM13分闸到QF接触器合闸之间的时间间隔很短，引起QF合闸时功率阀组直流电容两端的电压仍然很高，QF合闸不会对功率阀组造成电流冲击。但由于QF合闸前辅助第三绕组的400V交流电压已经断开，因此直流输电多绕组变压器已经完全断电，闭合QF高压接触器时由于变压器励磁涌流作用的影响，10kV主电网母线电压会出现明显跌落，导致部分开关柜综合保护装置低电压报警。同时，由于长时间运行和受潮引起的系统绝缘性能下降，预充电过程中系统漏电流增大，导致预充电电阻R上的充电压降增加，最终导致预充电电压不足，系统预充电失败。

4.3 预充电系统改造方案

根据原理分析，为避免系统启动时出现预充电失败的情况，需要对系统预充电电阻R进行改进，重新设计预充电电阻阻值和功率。理论上减小充电电阻阻值即可减小充电过程中预充电电阻R上的充电压降，从而使预充电过程中功率阀组直流电容两端电压可以达到更高水平，减小甚至消除预充电失败的概率。但在减小充电电阻阻值的同时，需要对充电电阻的发热情况进行分析和计算，以合理设计充电电阻功率，避免因发热严重导致充电电阻损坏。

为了避免直流输电变压器进线高压合闸时出现励磁涌流冲击，则需要在高压合闸时保持预充电回路接触器KM12和KM13闭合，等待高压进线开关QF闭合之后再分开预充电回路接触器KM12和KM13，由于直流输电变压器未出现完全失电的情况，则进线高压合闸时不会出现明显的励磁涌流冲击。但由于预充电回路电源和进线10kV高压电源之间的等效阻抗很小，因此为实现上述操作，必须保证预充电回路电源和进线10kV高压电源电压幅值满足直流输电变压器绕组变比关系同时两组电源相位同步。根据之前的分析，平台主变组别为DY11，所以平台上的400V电源在相位关系上会超前10kV主电网电源30°相位角，而直流输电变压器原边主绕组和辅助第三绕组为YY0组别，故为实现上述操作，必须将预充电回路电源相位延迟30°。所以在直流输电预充电回路系统中需要加入一个调相变压器，变压器输入和输出电压之间存在30°相位差。综合上述分析，改造后的充电系统原理图如图4所示。通过调相变压器保证直流输电变压器原边主绕组10kV电压和预充电回路400V电源电压幅值满足变压器变比关系，同时两电源相位完全同步。在充电过程中当功率阀组直流电压达到阀值后可以先合进线开关QF，之后再分预充电回路接触器KM12和KM13，控制系统备用电源接触器KM11，可以避免励磁涌流冲击。

图4 改造后直流输电系统启动原理图

4.4 预充电系统改造效果

2016年5月10日停产大修期间，对中心平台直流输电设备整流站预充电系统进行了改造，更换了新的充电回路电阻，同时增加了调相变压器以保证系统能够实现改造方案设计的充电逻辑。进过现场测试，改造前400V充电回路电源与10kV进行高压电源之间确实存在30°的相位差，测试波形如图5所示。由于两电源相位不同步，因此不能实行先合进线开关QF再分预充电回路接触器KM12和KM13的操作逻辑，否则两两位不同的电源并联会形成较大环流，损坏设备甚至危及电网安全。

图5 改造前预充电电源和高压相位差

加入调相变压器后，预充电回路电源相位被延后了30°，则预充电回路电源和进行高压电源相位完全同步，示波器测得的两电源相位关系如图6所示。同时由于两电源电压幅值满足直流输电变压器变比关系，因此两电源可以短时间并联运行，满足了改造方案充电操作逻辑的要求。厂家研发人员修改控制程序中的预充电动作逻辑，经低压测试验证逻辑正确后开始实际高压测试。现场测试确认变压器合闸冲击电流由之前的几百安培降低至几十安培，预充电和变压器合闸过程对10kV主电网基本不产生任何影响。而由于重新设计和更换了预充电回路充电电阻，充电过程中功率阀组直流电压可以由之前的500V左右提高至600V以上，预充电失败的情况不会再次出现。

图6 改造后预充电电源和高压相位同步

5 结论

直流输电移相变压器功率在小微电网中占比较大，空载合闸瞬间将会产生较大的电磁涌流，进而影响电网的稳定，在系统中增加与充电回路可以有效的减小电磁涌流的影响。但当预充电回路与电网存在相位差时，变压器铁芯预充磁时形成的磁场将与新建立的磁场相互叠加，而变压器铁芯励磁材料具有非线性特性，造成合闸磁通饱和，励磁电流成百倍增长，从而产生更严重的励磁涌流。

通过调相变压器，将预充磁回路相位调整到与电网相同后，变压器合闸涌流基本消失，系统启动合闸时对10kV主电网影响明显减小，极大地方便了直流输电设备的运行操作和维护工作，同时也有效地提高了系统供电的及时性和稳定性。

◆参考文献

[1] 王仁祥. 电力新技术概论[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2] 傅知兰主编. 电力系统电气设备选择与实用计算[M].北京：中国电力出版社，2004.

[3] 刘天琪，邱晓燕. 电力系统分析理论[M].北京：科学出版社，2005.