换流变压器铁心夹件接地电流谐波特性分析

苗彭，王启斌，武文杰，占南，林枫

(1.长园共创监测技术(南京)有限公司，江苏 南京 210003；2.江苏师范大学 科文学院，江苏 徐州 221116)

换流变压器是高压直流输电工程的关键设备，也是整流、逆变两端接口的核心设备，是工程取得发电效益的关键，也为直流输电系统的安全运行提供重要保障[1-3]。换流变压器与常规交流变压器的运行工况、结构原理有着较大差异，其阀侧绕组与换流阀桥臂相连[4-5]，导致阀侧绕组电压中不仅含有交流电压，还存在大量谐波电压，进而导致换流变压器中装有的非线性负载换流器[6-7]存在大量谐波电流。文献[8]指出，换流阀非线性成分很高，在换流阀不断导通和关断构成的整流与逆变过程中，会产生很大的谐波成分。文献[9]通过计算阀侧和网侧汇流处基波和谐波电流的幅值和相位，分析了换流变压器的谐波。文献[10]分析了特高压换流变压器绕组电流谐波对变压器损耗、内部温升及振动噪声等的影响，研究了不同次谐波畸变率和总谐波畸变率的变化趋势。

对铁心、夹件接地电流的谐波进行分析，不仅可以对事故做到早预防、早处理，还能为此类设备的状态检修提供可靠的数据依据。为此，本文通过采集换流变压器铁心、夹件接地电流的原始数据，分析研究其谐波特性，揭示谐波含有率与铁心、夹件接地电流过大、跳动之间的关系，并以计算出的谐波数据图表，展现接地电流中全电流、基波、谐波电流的变化趋势，以此验证铁心、夹件接地电流的谐波特性。

1 接地电流过大且跳动现象描述与问题排查

1.1 现象描述

本文以某±500 kV高压换流站的换流变压器铁心、夹件接地电流故障为案例进行分析，针对换流变铁心、夹件接地电流过大与跳动问题进行研究。该换流站也是国内首个将两端常规直流改造为三端常规直流[11-13]的换流站。该换流变压器的直流额定容量为3 000 MW，其绕组采用Y/Y联结方式。在监测过程中，运行维护人员发现，换流变压器铁心、夹件接地电流值存在数值过大并且有异常跳动的现象。以2022年6月25日12：00—15：40时段，负荷恒定2 700 MW时的数据为例，每3 min为1个周期进行观察，在线监测装置与手持式钳表KEW2413F检测到的接地电流值均存在几毫安至几十毫安的数据跳动，见表1。

表1 负荷恒定2 700 MW时接地电流监测数据Tab.1 Measurement data of ground current under 2 700 MW constant load

由表1可以看出：夹件的接地电流值已超过2.7 A，跳动范围最大在84 mA；铁心的接地电流值最大也能达到150 mA，电流值变化幅度在4.9 mA。说明与常规变压器相比，换流变压器确实存在较大的铁心、夹件接地电流。

目前还没有规范对夹件的接地电流做出明确要求，但可以以铁心的检测规范为参考。根据Q/GDW 11368—2014 《变压器铁心接地电流带电检测技术》，检测结果应符合以下要求：800 kV换流变压器接地电流不超过300 mA(注意值)，其他变压器不超过100 mA(注意值)。文中测试的换流变压器为±500 kV等级，其接地电流值明显大于100 mA注意值。因此，需要进一步探究换流变铁心、夹件接地电流基波、谐波和全电流之间的特性。

1.2 问题排查

为了明确问题原因，对铁心和夹件接地电气接线进行测试分析，简化后的电气原理示意图如图1所示。其中Ccore、Cclamp分别表示铁心、夹件相对绕组及套管的等效电容量，下标core和clamp分别表示与铁心与夹件相关的变量，下同。

图1 铁心和夹件接地电气原理图Fig.1 Electrical principle schematic diagram of core and clamp grounding

首先使用手持式钳表分别测试铁心和夹件引出的接线排上的各支撑绝缘子[14-15]接地电流，没有发现异常现象，这说明各支撑绝缘子的绝缘性能良好，与外壳没有出现短接情况。然后直接检测本体上方铁心、夹件引出的小磁套附近接线排处的接地电流，该方法与接地引线处检测到的电流值相比基本一致。最后检查该换流变压器的其他部位，没有发现铁心、夹件接地排与换流变压器壳体接触现象，铁心、夹件接地存在虚接或接触不良现象，以及铁心和夹件接地排之间短接情况。因此排除掉铁心和夹件多点接地[16-17]、壳体短接、接地虚接等电气连接异常的原因。为了更进一步探究铁心、夹件接地电流值过大与异常跳动的问题，需要进一步分析铁心、夹件接地电流原始信号。

2 接地电流测量方法

2.1 测试接线方法

本研究采用开合式泄漏电流传感器和接地电流监测装置对换流变压器的铁心、夹件接地电流进行带电测试。泄漏电流传感器采集铁心、夹件接地电流信号，传感器输出的电压信号接入接地电流监测装置，得出铁心、夹件接地电流的基波与2～50次各次谐波幅值。接地电流监测装置采样率为25 600 Hz，能更真实地还原接地电流的原始波形，满足2～50次谐波分析的需求。测试接线示意图如图2所示，其中CT为电流互感器。

图2 测试接线示意图Fig.2 Schematic diagram of test wiring

2.2 谐波分析方法

汉宁(Hanning)使用旁瓣互相抵消，可消去高频干扰和漏能。与矩形窗谱图相比，汉宁窗的主瓣加宽并降低旁瓣，旁瓣则明显减小，旁瓣衰减速度也较快。由此可知，从减少泄漏角度出发，汉宁窗优于矩形窗。测量的接地电流信号为多个频率分量，频谱表现十分复杂，且测试的信号是随机或未知的，汉宁窗的选择性也较矩形窗有所增加，所以选择汉宁窗更为合适。

本研究采用汉宁窗插值快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)算法[18～20]，对换流变压器铁心、夹件接地电流的基波及谐波电流进行分析。使用汉宁窗的方法可减小不同谐波电流之间的长范围泄漏问题[21]，并通过插值算法修正栅栏效应导致的观测误差，提高了分析精度。

本研究采用基2 FFT算法，首先对接地电流信号u(t)进行每半个周期内N个点采样，得到离散采样信号u(n)。然后对u(n)进行加汉宁窗处理，得到其加窗后的表达式为

XH(k)=u(n)w(n).

(1)

式中：t为时域周期时间；n为离散采样点数；k为窗口中的样本点。汉宁窗w(n)的时域表达式为

(2)

其次，对加窗后的序列进行FFT插值运算，得到如下频谱函数：

(3)

最后，由频谱函数进一步得到各次谐波幅值、相位的计算公式如下：

(4)

式中φm为向量相位。

3 接地电流信号分析

3.1 接地电流基波数据

3.1.1 铁心接地电流基波数据分析

多次测量换流变压器铁心接地电流，间隔时间为30 min，共计得到16组测量数据。以“极1011A”铁心接地电流数据为例，根据测得的原始数据(见表2)，计算出铁心接地电流的基波与全电流值，以及基波含有率，计算结果见表3。

表2 铁心接地电流测量数据Tab.2 Core grounding current measurement data

表3 铁心接地电流计算结果Tab.3 Calculation results of core grounding current

由表2和表3可以看出，多次测量的换流变压器铁心接地电流的全电流值在148.89～142.73 mA之间跳动，基波波动幅度为90.47～89.86 mA，波动幅度较小，基波平均含有率基本为61.86%。将测得的16组数据绘制成铁心接点全电流值与基波值折线图(如图3、图4所示)，以便更直观地展示出变化趋势。

图3 铁心接地电流全电流变化折线图Fig.3 Line diagram of full current change of core grounding current

图4 铁心接地电流基波变化折线图Fig.4 Line diagram of fundamental current change of core grounding current

从图3和图4可以看到，换流变压器铁心接地电流的基波与全电流变化趋势呈相反的相关性，即铁心接地电流的全电流减小时基波增大，全电流增大时则基波减小。另外，因为铁心接地电流基波变化幅度很小，为了更直观观察铁心接地电流基波和全电流的变化趋势，表4展示了铁心接地电流变化趋势描述情况。

表4 铁心接地电流变化趋势描述Tab.4 Description of change trend of core grounding current

表4中的电流变化趋势是指本次测量与上次测量的对比结果，即本次测量结果比上次大即为“升”，反之记为“降”，从中可以更直观看到换流变压器铁心接地电流的基波与全电流变化趋势呈相反的相关性。

同时，对比分析铁心接地电流的全电流与基波可知，换流变压器铁心接地电流的全电流波动幅度在6 mA左右，铁心接地电流基波波动幅度不到1 mA，铁心接地电流的基波分量稳定在90 mA左右，其值小于变压器铁心接地电流规范中的注意值100 mA，但铁心接地电流全电流值在146 mA左右，表明全电流中含有较多谐波。所以，继续分析换流变压器铁心接地电流的谐波特性是有必要的。

仅参考换流变接地电流全电流值作为铁心接地故障的判断依据，不能完全反映出换流变压器的运行状态，需要结合铁心接地电流基波值与谐波含有率等指标进行综合判断。

3.1.2 夹件接地电流基波数据

与铁心接地电流测试方法相同，对换流变压器夹件接地电流，在8 h内每隔30 min测量1次，共计16次。以“极1011A”夹件接地电流数据(见表5)为例，计算出夹件接点电流基波与全电流值，以及基波含有率，计算结果见表6。

表5 夹件接地电流测量数据Tab.5 Clamp grounding current analysis data

表6 夹件接地电流计算结果Tab.6 Calculation results of clamp grounding current

由表5和表6可以看出：多次测量的换流变压器夹件接地电流全电流值在2 839.54～2 757.23 mA之间波动，基波在203.67～172.33 mA之间波动，基波波动幅度明显小于全电流值；基波含有率为6.1%～7.4%，基波值占全电流值比例很小。

将表5中的夹件接地全电流值与基波值，绘制成折线图，以便观察铁心接地电流的基波与全电流的变化趋势，如图5和图6所示。

图5 夹件接地电流全电流变化折线图Fig.5 Line diagram of full current change of clamp grounding current

图6 夹件接地电流基波变化折线图Fig.6 Line diagram of fundamental current change of clamp grounding current

从图5和图6可以看出，夹件接地电流基波与全电流的变化趋势没有保持一致性，二者呈现相反的变化趋势，即夹件接地电流全电流值增大时，夹件接地电流基波值减小。例如第1次测量时夹件接地电流的全电流值为2 792.82 mA，基波值191.90 mA，第2次测量时全电流增加到2 839.54 mA，基波反而减小至172.33 mA，而基波含有率减小0.8%，间接说明对夹件接地电流全电流值变化起主要影响作用的是接地电流中包含的谐波电流。同时，对比分析夹件接地电流的全电流与基波可知，夹件接地电流的全电流值在8 h测量周期内最大波动82.32 mA，基波值波动31.33 mA，基波值的波动幅度小于全电流值。

目前还没有规范明确换流变压器夹件接地电流的注意值，参考对比铁心接地电流的全电流值与接地电流注意值，同时分析多次测量的夹件接地电流全电流与基波，可以发现平均2 793.93 mA的全电流值中，基波只有192.62 mA，占比6.89%，基波值远远小于全电流值。因此夹件接地电流的注意值不能仅关注全电流值。

与换流变压器铁心接地电流分析得到的结果一样，继续分析换流变压器铁心接地电流的谐波特性是有必要的。只参考换流变压器接地电流全电流值作为铁心接地故障的判断依据，不能完全反映出换流变压器的运行状态，需要结合铁心接地电流基波值与谐波含有率等指标做综合判断。

3.2 接地电流谐波含有率

3.2.1 铁心接地电流谐波含有率

根据监测装置采集到的夹件接地电流信号采样值，以“极1011A”铁心接地电流数据为例，根据传感器输出的接地电流原始数据，对2～50次谐波进行分析，此次数据采样时刻记为T1，各次谐波含有率及幅值数据见表7(其中全电流值145.87 mA，基波91.48 mA，基波含有率62.71%)，得出的谐波含有率柱状图如图7所示。

图7 “极1011A”铁心接地电流谐波含有率Fig.7 Harmonic rate of grounding current of pole 1011A core

表7 T1时刻铁心谐波数据Tab.7 Core harmonic data at time T1

由图7看出铁心接地电流中同样含有较大含量的谐波分量，包含2～50次谐波，其中48次谐波含有率达到25.20%。铁心145.87 mA的总电流里，基波91.48 mA，占比62.71%，总畸变率59.46%。

3.2.2 夹件接地电流谐波含有率

根据监测装置采集到的夹件接地电流信号采样值，以“极1011A”夹件接地电流数据为例，使用传感器输出的接地电流原始数据(见表8，其中全电流值2 792.8 mA，基波191.9 mA，基波含有率6.9%)，对2～50次谐波进行分析，数据采样时刻记为T1，得出谐波含有率柱状图如图8所示。

图8 极1011A夹件接地电流谐波含有率Fig.8 Harmonic rate of clamp grounding current of pole 1011A

表8 T1时刻夹件谐波数据Tab.8 Harmonic data of clamp at time T1

由表8、图8可以看出：夹件接地电流中包含2～50次谐波，其中4次谐波含有率最小，仅为0.4%，48次谐波含量最大达到65.7%；奇次谐波与偶次谐波含有率无明显差别。夹件2 792.8 mA的总电流里，基波只有191.9 mA，占比6.9%，其余全为谐波电流，总畸变率达到1 355.34%。

3.3 接地电流谐波变化幅度

3.3.1 铁心接地电流谐波变化幅度

在T1时刻10周波(200 ms)后的采样时刻记为T2，与对T1时刻的分析方法相同，对T2时刻铁心接地电流进行谐波分析，将得到的2～50次谐波数据与T1时刻数据进行对比，2个时刻夹件接地谐波变化数据见表9。

表9 T1与T2时刻铁心接地电流谐波变化Tab.9 Harmonic variation of core grounding current at time T1 and T2

由表9可知，9、17、23、25、26、27、33、35、37、43、45、46次谐波变化量超过10%，奇次偶次谐波含有率大小无明显区别，但35～50次谐波含量整体大于2～34次谐波。基波幅值变化量为2.09 mA，全电流幅值变化量3.35 mA。T1与T2时刻相差200 ms，可以看出铁心接地电流各次谐波幅值变化较快，由此造成检测到的铁心接地电流数值不停跳动。

3.3.2 夹件接地电流谐波变化幅度分析

与对T1时刻的分析方法相同，对T2时刻夹件接地电流进行谐波分析，将得到的2～50次谐波数据与T1时刻数据进行对比，2个时刻夹件接地电流谐波变化数据见表10。

由表10可知，7、9、18、29、31、33、40、41、43、45、46、50次谐波变化量超过50 mA。基波变化量6.41 mA，全电流变化幅度达到33.58 mA。T1与T2时刻相差20 0ms，各次谐波幅值变化较快，这是造成检测到的夹件接地电流数值不停跳动的主要原因。

4 结论

本研究得出以下结论：

a)换流变压器铁心、夹件接地电流至少包含2～50次谐波，且基波与全电流呈相反的变化趋势。

b)换流变压器铁心、夹件接地电流全电流值快速跳动由2～50次谐波含有率不停变化引起，但基波波动幅度明显小于全电流值。

c)换流变压器铁心、夹件接地电流谐波总畸变率较大，全电流值远大于基波值，因此结合铁心接地电流基波值与各次谐波含有率等指标进行综合判断，能更有效评判换流变压器的运行状态。