延边三角形联结整流变压器的仿真

闫 石

(深圳市机场(集团)有限公司,广东 深圳 518128)

0 引 言

在城市轨道交通、电化学工业的供电系统中广泛使用的整流变压器不同于常规的Yd或Dy联结的配电变压器,有其特殊之处。本文对整流变压器的联结组别、移相原理进行分析,采用对称分量法对整流变压器的短路故障特征进行分析,并应用电磁暂态仿真软件(PSCAD/EMTDC)搭建等效模型,与理论分析进行对比验证,供同行参考。

1 整流变压器

城市轨道交通、电化学工业的供电系统普遍采用24脉波整流方式以减少大功率整流机组对城市电网的谐波污染。为实现24脉波整流方式,通常采用2台轴向双分裂四绕组结构的整流变。轴向双分裂四绕组整流变的一相芯柱上装有网侧2组绕组与阀侧2组绕组。网侧2组绕组并联,均为延边三角形联结,能形成3次谐波电流通路,以避免感应电压畸变并且使电压移相。阀侧2组绕组沿铁芯轴向上下布置,分别为y联结与d联结,分裂成2个支路,线电压形成30°相位差,较大的分裂阻抗可以替代平衡电抗器,以避免整流桥并联后的钳位现象。2台整流变的网侧线电压分别移相+7.5°、-7.5°,使阀侧线电压间形成15°或45°相位差。能形成24脉波的变压器联结组别很多,以制造、运维便利的D(-7.5°)y5d0联结、D(+7.5°)y7d2联结为例进行分析。图1、图2所示为D(-7.5°)y5d0联结、D(+7.5°)y7d2联结,图3、图4所示为其相量。

图1 D(-7.5°)y5d0联结

图2 D(+7.5°)y7d2联结

图3 D(-7.5°)y5d0相量

图4 D(+7.5°)y7d2相量

(1)

为使系统线电压移相-7.5°,则有

(2)

(3)

移相绕组与主绕组匝数比:

(4)

延边三角形的移相绕组、主绕组的电流:

(5)

忽略励磁电流,根据磁动势平衡,可得

(6)

式中:NY、NZ、Ny、Nd分别为网侧移相绕组、主绕组与阀侧y联结绕组、d联结绕组的匝数。

若网侧主绕组电流与阀侧绕组电流的相位差为β,则有

(7)

结合式(4)、式(5)可知

(8)

对于D(+7.5°)y7d2联结,同理可得

(9)

(10)

(11)

(12)

图5 阀侧线电压相量

2 建模仿真

采用PSCAD/EMTDC对前述分析进行建模仿真验证[1-5]。D(-7.5°)y5d0、D(+7.5°)y7d2联结的整流变模型可通过元件库中的3个单相自耦变压器元件、3个单相三绕组变压器元件构成,如图6、图7所示。根据式(1)～(3)可知,单相自耦变压器元件中的高电压(high voltage, HV)设置为Uφφ0+Uφ0φ0,即延边三角形的移相绕组电压与主绕组电压之和;低电压(low voltage, LV)设置为Uφ0φ0,即延边三角形的主绕组电压。由于3个单相自耦变压器元件是用来实现移相的,实际中是不存在的,其容量可设置较大,漏抗则设置为接近0的最小值,以满足短路阻抗接近0。由于整流变网侧的2个绕组并联,可用3个单相三绕组变压器元件实现Dyd联结,单相三绕组变压器原边绕组电压设置与单相自耦变压器元件的LV电压相同,副边绕组电压则分别设置为整流变的额定线电压、相电压。原、副边绕组间漏抗设置为整流变的短路阻抗,容量设置为整流变容量的1/3。仿真3 300 kVA,35/1.18/1.18 kV,8%、13%、20%的D(-7.5°)y5d0整流变的短路试验(如图8所示),得出的穿越阻抗29.801 Ω与计算值29.697 Ω相符,得出的半穿越阻抗48.361 Ω与计算值48.258 Ω相符,得出的分裂阻抗0.084 Ω与计算值0.084 4 Ω(1.18 kV侧)相符。仿真2台整流变带对称电抗负载运行时的电压、电流波形如图9、图10所示,与第1节的理论分析相符。

图6 D(-7.5°)y5d0联结模型

图7 D(+7.5°)y7d2联结模型

图8 D(-7.5°)y5d0联结模型阻抗值

图9 D(-7.5°)y5d0与D(+7.5°)y7d2的电压仿真波形

图10 D(-7.5°)y5d0与D(+7.5°)y7d2的电流仿真波形

3 序分量传变

因整流变为单侧电源供电,且只在原边装设有保护装置,故只需分析变压器副边侧发生不对称短路故障时,电流、电压的序分量传变至变压器原边侧后的变化[6-7]。

3.1 D(-7.5°)y5d0联结的序分量传变

3.1.1 D(-7.5°)y5d0联结y侧两相短路故障

D(-7.5°)y5d0联结y侧B、C相短路故障, y侧电流为

(13)

D侧电流为

(14)

y侧电压为

(15)

D侧电压为

(16)

仿真波形如图11(A、B相电流相位重叠)所示,D侧的A、B相电流同相并与C相电流反相,三相电压对称,与理论分析相符。

图11 D(-7.5°)y5d0联结y侧B、C相短路故障的仿真波形

3.1.2 D(-7.5°)y5d0联结d侧两相短路故障

D(-7.5°)y5d0联结d侧B、C相短路故障,d侧电流为

(17)

D侧电流为

(18)

d侧电压为

(19)

D侧电压为

(20)

仿真波形如图12(A、C相电流相位重叠)所示,D侧的A、C相电流同相并与B相电流反相,三相电压对称,与理论分析相符。

图12 D(-7.5°)y5d0联结d侧B、C相短路故障的仿真波形

3.2 D(+7.5°)y7d2联结的序分量传变

忽略系统阻抗,仅考虑整流变半穿越阻抗48.258 Ω,以故障前相位是0°为基准。

3.2.1 D(+7.5°)y7d2联结y侧两相短路故障

D(+7.5°)y7d2联结y侧B、C相短路故障, y侧电流为

(21)

D侧电流为

(22)

y侧电压为

(23)

D侧电压为

(24)

仿真波形如图13(A、C相电流相位重叠)所示,D侧的A、C相电流同相,并与B相电流反相,三相电压对称,与理论分析相符。

图13 D(+7.5°)y7d2联结y侧B、C相短路故障的仿真波形

3.2.2 D(+7.5°)y7d2联结d侧两相短路故障

D(+7.5°)y7d2联结d侧B、C相短路故障, d侧电流为

(25)

D侧电流为

(26)

d侧电压为

(27)

D侧电压为

(28)

仿真波形如图14(A、C相电流相位重叠)所示,D侧的A、C相电流同相并与B相电流反相,三相电压对称,与理论分析相符。

图14 D(+7.5°)y7d2联结d侧B、C相短路故障的仿真波形

4 结 语

应用电磁暂态仿真软件(PSCAD/EMTDC)元件库中的单相自耦变压器元件、单相三绕组变压器元件建立联结组别为D(-7.5°)y5d0、D(+7.5°)y7d2的整流变压器模型,仿真得出的正常运行波形、短路故障波形与理论分析相符,验证了模型的正确性,具有应用价值, 可为进一步的24脉波整流运行及其短路故障的仿真建模分析提供一定的参考。