±800 kV特高压换流站换流变空载充电励磁涌流分析

顾元强

（国网江苏省电力有限公司 检修分公司，江苏 南京 211100）

0 引 言

换流变充电操作是直流系统启动调试、极开路实验以及投运阶段最基本的操作，是直流系统稳定运行的前提保证。换流变充电时，由于换流变铁芯磁路饱和会出现较大的励磁涌流，因此在生产过程中励磁涌流引起的换流变充电异常时有发生。

本文将根据某换流站的实际情况，介绍励磁涌流的产生机理与基础、某换流站换流变充电步骤以及相应交流场开关的合闸策略，结合高低端换流变自身固有特性参数（空心电抗、励磁曲线、合闸电阻等）及分层接入交流系统强弱，分析对某换流站高低端换流变励磁涌流的影响。最后对极1高端一起充电异常进行分析，分析理解异常产生的根本原因。

1 励磁涌流的产生机理

当换流变处于正常运行或者外部故障的状态时，其铁芯往往处于非饱和状态，即表现出绕组的励磁电感大、励磁电流相对于额定电流小的特点。换流变空载合闸或者外部故障排除后，在电压恢复过程中，换流变铁心饱和，励磁电感变小，此时产生大的暂态励磁电流，即励磁涌流[1]。

参照典型单变压器空载等效电路，假设t为零时换流变空载合闸，合闸时电源电压相角为α，电源侧电压为：

则换流变空载合闸时的磁链方程为：

式中，LT=Lσ+Lm，RT=Rσ+Rm，RT为换流变等效电阻；LT为换流变等效电感；Rs为交流系统等效电阻；Ls为交流系统等效电感；Rσ为换流变一次回路漏电阻；Lσ为换流变一次回路漏电感；Rm为换流变励磁电阻；Lm为换流变励磁电抗；Φr为换流变铁芯剩磁；Φm为换流变铁芯稳态磁链幅值；φ为阻抗角；τ为时间常数。

从式（2）可知，由于合闸回路电感要远大于回路电阻，即φ≈90°。所以，当合闸角α=0时，由于周期磁通、非周期磁通和剩磁的作用，励磁涌流将在半个周期后达到最大值。交流系统中地Rs、Ls将影响稳态磁通Φm和时间常数τ。当Rs和Ls增大时，Φm减小，即换流变励磁涌流的幅值减小，Ls越大，Rs越小，τ越大，衰减速率越小。换流变RT、LT将影响稳态磁通Φm和时间常数τ，影响规律同交流系统中的Rs和Ls。

2 换流变励磁涌流影响因素分析

2.1 某换流站换流变充电过程

某换流站换流变压器的充电由运行人员在工作站上手动操作两侧隔离刀闸和开关完成，并且同时需要满足相关联锁条件[2]。其就地测控系统采用许继的DFU410测控装置，实现数据采集、同期联锁控制以及SOE事件记录等功能。

开关的合闸就地由DFU410装置的同期联锁控制判别[3]。装置提供应用于两个系统间并网操作的合闸同期检测及同期合闸控制功能。同期合闸的子网可以通过DFU410DIA手动设置为同频或非同频网，也可以选择由程序自动判别网络状态，从而选择最佳的同期合闸判据。

对于同频系统并网，装置在检测到压差Δu（2.00 V）、频差 Δf（20 mHz）、角差 Δα（10.00°）满足条件下的情况下即可快速合闸。对于非同频系统并网，装置在检测压差Δu（2.00 V）、频差Δf（0.10 Hz）、频率加速度 dΔf/dt（0.2 Hz/s）满足的前提下，准确快速地捕捉第一次出现的同期合闸点，以设定的导前时间发出同期合闸命令，实现快速无冲击合闸。

装置同时支持检无压操作，即可选择一侧失压一侧有压，或两侧均失压情况下的合闸控制输出。在出现失压故障、交流模拟量输入模块故障、通道故障、断路器位置异常时装置将闭锁同期出口。

2.2 合闸电阻、均压电容对于励磁涌流的影响

一是合闸电阻对换流变励磁涌流的限制作用。在同样的初始相角合闸，断路器带有1 500 Ω合闸电阻投入时，合闸电阻对励磁涌流有较好的抑制作用，励磁涌流峰值明显减小[4]。

二是均压电容对换流变励磁涌流的限制作用。断路器合闸时，预充电压高低和预充时间长短将影响换流变铁芯的非周期分量。增大均压电容和延长预充时间，都可以换流变励磁涌流得到抑制[5]。由于均压电容过大，重燃电流的幅值和衰减时间也会相应增大，进而负面作用于双断口断路器。另外，在双断口断路器的均压电容超过4 000 pF时，时间常数将随着均压电容的增大而减小，且其速率很小。所以综合考虑，将4 000 pF定为均压电容建议值。

某换流站高端和低端换流变进线开关均配置了1 500 Ω合闸电阻，而低端换流变进线开关同时配置了均压电容。由此对比，低端换流变相比于高端换流变，在空载合闸时，合闸电阻和均压电容能够更好地抑制励磁涌流。

2.3 本体参数对于励磁涌流的影响

通常换流变励磁曲线可分为磁路饱和段和磁路不饱和段。励磁曲线的饱和段可用空心电抗的特性曲线做渐近线，空心电抗LA的特性曲线为：

式中，ΦK为饱和特性的拐点。

工程中，空心电抗值一般取换流变漏抗的两倍。因此LA越大，饱和段越平坦，涌流越小。ΦK越大，饱和直线与Y轴的交点越大，换流变不饱和段越宽，涌流越小[6]。

由于某换流站分层接入的特殊性，高端和低端换流变分别接入500 kV和1 000 kV交流系统，因此低端换流变的空心电抗大于高端换流变的空心电抗值[7]。在拐点值保持不变时，低端换流变能更好的抑制换流变空载充电时的励磁涌流。

变压器的空载损耗是变压器的铁损和铜损之和，铁损取决于电压，与负载无关。铜损与负载电流有关，负载电流越大，铜损越大[8]。由于铁芯非线性及磁滞效应等，励磁电流不是正弦波，励磁电流与它所产生的主磁通呈非线性关系。励磁电流呈尖顶波，除基波分量以外，三次谐波分量为最大，如表1所示。变压器空载时，励磁电流占了空载电流的主要成分，因此励磁电流亦为尖顶波[9]。

表1 某换流站高端、低端换流变不同激磁电流下的谐波分量

变压器带载后，一次电流的增大，而励磁电流不变，谐波的比例减小，波形逐渐接近正弦波。由表1可知，高端换流变励磁电流谐波比例减小速率小于低端换流变，低端换流变的一次电流波形可以更快速的接近于正弦波。

2.4 系统阻抗对于励磁涌流的影响

从式（2）中可得出，交流系统等效阻抗也对换流变励磁涌流有限制作用。在直流输电工程中常用短路比（Short Circuit Ratio，SCR）来衡量交流系统的强弱。对于某换流站分层介入系统，直流侧高低端换流器之间平均分配直流功率，交流侧通过变压器等条件实现电气联系。分层接入短路比为：

式中，RHCSCRi为第i层的短路比；|Zi|为第i层的阻抗；|Zij|为两层交流系统见的耦合阻抗。在式（4）的分层接入方式下，500 kV和1 000 kV受端系统的短路比均有显著提高，较强的受端系统对较弱的受端系统具有一定的支撑能力[10]。然而某换流站1 000 kV交流系统仍然较弱，其系统阻抗也小于500 kV交流系统，因此1 000 kV交流系统对于低端换流变励磁涌流的影响体现在低端换流变励磁涌流较于高端系统衰减慢。

3 某换流站某次极1高端换流变充电异常分析

3.1 事件概述

某换流站双极高端同时接入500 kV交流系统，异常动作前极2高端换流变已接入交流系统运行，2020年10月3日19：03，在对极1高端换流变进行空载充电后，500 kV交流母线电压急速下降，极2高端交流电压换相失败预测动作、AMIN换相失败预测动作告警，Q控投入5652小组交流滤波器，35 s后切除，电压恢复。

3.2 异常分析

异常发生后，检查阀组内置故障录波，整个异常发生过程如图1所示。

图1 异常发生时网侧电流及相关数据模拟量

C相换流变在充电前未进行消磁工作，充电后500 kV交流系统侧产生了典型的励磁涌流，交流系统C相产生大量谐波，导致极2高端交流电压换相失败预测动作、AMIN换相失败预测动作告警以及极1高端谐波换相失败预测动作告警。由于变压器的空载电流主要用于励磁，而励磁电流属于无功电流，因此变压器空载时的功率因数较低，同时消耗大量无功，导致系统电压在瞬时急速将下降。

4 结 论

本文依据某换流站的实际情况，综合上述各项分析，得出低端换流变充电时较于高端换流变对于励磁涌流衰减速率更快，效果更好。同时由于系统波动以及变压器剩磁，易引起励磁涌流，引起某换流站换流变充电异常，严重时将出现保护误动作情况，影响系统稳定运行。