±1100 kV特高压直流工程换流变最优短路阻抗

±1100 kV特高压直流工程换流变最优短路阻抗

郭贤珊,付颖  

(国家电网有限公司,北京市 西城区 100031)

摘要

换流变压器是直流输电系统中最重要的设备之一,短路阻抗是确定整个直流系统成套设计方案的最重要输入条件,对直流主回路参数、短路电流、绝缘配合、无功配置、设备制造、大件运输、技术经济性等具有决定性作用。定量分析了±1100 kV特高压直流工程中以上因素对阻抗选择的影响,并提出了全寿命周期成本分析方法。基于此分析,以±1100 kV昌吉—古泉特高压直流工程为例,提出了该工程的最优阻抗推荐值,并应用于实际工程。

关键词 : ±1100 kV直流输电;换流变压器;短路阻抗;绝缘配合;可靠性;全寿命成本

基金项目: 国家重点研发计划(2016YFB0900805)。

0 引言

±1100 kV特高压直流输电技术具有经济输电距离更长、输送能力更强、输电损耗更低等优势,将实现特高压直流输电技术的再次创新与革命 [1] 。换流变压器是直流输电系统中最重要的设备之一,发挥着交直转换和交直隔离的重要作用。换流变压器短路阻抗是确定整个直流系统成套设计方案的重要输入条件,对直流主回路参数、短路电流、绝缘配合、无功配置、变压器制造和运输等具有决定性作用。合理选择换流变短路阻抗,可以使换流变的损耗、造价、尺寸等技术参数达到最优,同时又能与换流阀等设备能力最优匹配满足直流系统的各项要求,使整个直流系统的技术经济性最优。因此,短路阻抗的优化选择对直流输电工程具有重要作用,是成套设计的最重要工作之一。

以往直流工程短路阻抗的选取大部分基于厂家的设计经验,更多的是考虑换流变能否运输来决定阻抗大小。部分文献涉及到了短路电流、无功消耗和设备成本等三个方面的因素,并未全面考虑各影响因素及阻抗导致的全寿命周期成本的影响。本文基于对±1100 kV换流变阻抗各影响因素的综合考虑,在初步选定换流变短路阻抗范围的基础上,研究了不同的换流变短路阻抗对直流系统设计参数的影响,着重计算了阀短路电流、最大换相角、绝缘水平、无功消耗水平、降压过负荷运行需求等技术参数。最终确定了适合±1100 kV昌吉—古泉特高压直流工程送受端换流变的最优短路阻抗。

1 换流变压器的技术特点和作用

换流变压器是超特高压直流输电工程中最重要的设备之一,是交、直流输电系统中的换流、逆变两端接口的核心设备。换流器的换相过程实际上是换流变的两相短路过程 [2] ,如图1所示,六脉动换流器阀1和换流阀3开始换相过程,换流变的A相和B相发生短路,A相中的电流i d1 在换相电压的作用下逐渐换相到B相,记为i d3 ,从而完成一次换相过程。直流电流I 、换流变线圈电流i d1 和i d3 的变化过程如图2所示。

因为换流变阀侧与直流系统相连,在运行中既承受直流电压又承受交流电压,且要通过直流电流和谐波电流,运行应力非常复杂 [3-5] ,这些应力都与换流变的阻抗密切相关。

图1 换相过程 
Fig.1 Commutation procedure of converter

图2 换相过程中换流变线圈中的电流波形 
Fig.2 The current waveform of converter transformer during commutation

2 换流变压器短路阻抗的定义

在变压器绕组中,根据磁通的路径,可以分为主磁通和漏磁通两部分。漏磁通只与产生它的绕组匝链,不起能量转换与传递的作用,只产生自感电动势,引起自感压降,这一电感称为漏电感。换流变压器由于漏电抗远大于电阻,所以可忽略电阻分量对阻抗的影响,直接用漏电抗代表换流变的短路阻抗。1100 kV换流变压器容量巨大(昌吉换流站容量607 MVA),由2个线圈并联组成,铁芯也采用多柱并联结构,其磁路长,典型结构如图3和图4所示。由于其耐压水平高,所以线圈匝数和层数很多,层间绝缘也较厚,线圈直径很大;阀侧操作冲击绝缘水平非常高,±1100 kV换流变压器按2100 kV绝缘水平设计,所以其线圈高度比常规交流变高很多,导致铁芯开窗巨大。以上几个因素导致了±1100 kV特高压换流变的漏磁通要比普通交流变压器大很多,因此其短路阻抗要比常规交直流变压器大很多。典型换流变的漏磁场分布如图5所示。

图3 换流变压器典型的内部结构 
Fig.3 Typical inner structure of converter transformer

图4 换流变压器线圈排列示意图 
Fig.4 Typical winding arrange of converter transformer

图5 换流变压器磁场分布 
Fig.5 Magnetic field distribution of converter transformer

3 影响阻抗选择的因素分析

3.1 换流阀可承受的最大短路电流水平

直流系统发生故障时,换流变阻抗在短路回路中起着限制短路电流的作用,对换流阀有一定的保护作用。为防止阀短路冲击电流过大而损坏阀元件,换流变压器应具有足够大的短路阻抗,以将短路电流限制在换流阀承受范围内 [6-7] 。因此,限制换流阀的短路电流是阻抗选择的最重要因素,若阻抗选择过小,可能导致换流阀短路电流过大而损毁。

发生阀短路时,最大的故障电流计算公式如式

(1)和(2)。对应于第1峰值的阀短路电流为

对应于第2、3峰值的阀短路电流为

其中式中,U di0a 为触发角为α时的空载直流电压;I dN 为系统额定直流电流;I 为系统直流电流;d xtotR 为换流变的最小感性压降和阻波器(PLC)感性压降之和;d xR 为换流变的相对感性压降(通常为换流变阻抗值的一半);d rR 为换流变的相对阻性压降;U TR 为换流器的导通压降;U di0RISCαm in 为最小触发角(α=5°)时空载直流电压;U dR 为系统额定直流电压;S SCRmax 为系统最大短路容量;Q fN 为无功补偿设备发出的无功;Q convR 为换流器本身消耗的无功;k为甩负荷系数。

可以看出,短路阻抗与短路电流成反比关系,短路阻抗越小时,系统对应的短路电流越大,对换流阀的要求越高。反过来根据换流阀短路电流的限制值,可以获得最小短路阻抗值。

3.2 换相要求

换相角u的影响因素如式(6)所示 [8] 

式中,I 为直流电流;U di0 为理想空载直流电压;U di0N 为理想空载直流电压额定值;d 为相对电感压降(换流变阻抗的一半);u为换相角;α为触发角。α通常为额定值15°左右,变化较小。随着换流变阻抗的不断提高,对应的换相角u将逐渐增大 [2] 

当换相角u=60°时,换流阀的工作状态将由正常的“2-3”工况(就是非换相时2个阀导通,换相时3个阀导通)变化为异常的“3”状态(换流器在任何时刻都有3个阀导通),换流变将按序轮流处于两相短路状态,直流电压下降很多,不能正常工作 [2] 。为确保换流器不进入“3”状态,考虑α角变化、降压运行、过负荷运行等工况,以及换流变阻抗偏差等因素,u角必须有一定的安全裕度,才能确保正常换相。基于此,通常要求u不大于30° [9] 。所以在阻抗选择时,据此要求开展优选工作。

3.3 无功补偿及谐波电流

短路阻抗将影响谐波电流的幅值。一般来说,增大短路阻抗,可以减小谐波电流幅值,从而减少所需装设的交流滤波器组,降低滤波器组成本。

同时,阻抗越小,换流变无功消耗越小,换相角也越小,总的无功补偿容量降低,经济性较好。

整流器(6脉动换流器)所消耗的无功功率可以根据下面的公式计算(对于逆变器,将α换为γ即可) [10] 

式中,Q为换流器消耗的无功功率;I 为直流电流;V 为直流电压;u为换相角;α为触发角。

3.4 绝缘配合

在±1100 kV工程中,直流侧阀顶的绝缘水平由AH避雷器决定(安装在HYY换流变阀侧套管处) [10] 。AH避雷器的操作冲击耐受水平SIWL(switching impulse withstand level)与操作冲击保护水平SIPL(switching impulse protective level)的关系为:

式中,m为绝缘裕度,±1100 kV工程中AH避雷器的绝缘裕度选取为15%。

由直流避雷器的伏安特性可得:

式中,k为避雷器性能系数,根据避雷器本身的性能来确定;U ref 为避雷器的参考电压。

避雷器的参考电压由最大持续运行电压(CCOV,crest value of continuous operating voltage)决定 [11] 

式中,k charge 是避雷器的荷电率,在1100 kV特高压直流工程中选为0.85,具体选择方法详见参考文献[12]。

CCOV可以根据以下公式进行计算:

式中,α为触发角;U dcmax 为最大直流运行电压(U di0max 是在考虑各种偏差的基础上由U i0N 得到,呈正比关系)。

3.5 运输条件限制

通常情况下,阻抗减小,换流变的运输重量和尺寸都将增大,大件运输变得更加困难。

根据前期调研结论,±1100 kV直流工程运输限制条件如下:①公路运输:运输尺寸13000 mm×4500 mm×5200 mm,运输重量:400 t或以上;②水路运输:基本不限制;③落下孔车铁路运输:运输尺寸13000 mm×3500 mm×4850 mm,运输重量360 t;④钳夹车铁路运输:运输尺寸13000 mm×3840 mm×4900 mm,运输重量:430 t。

根据上述限制,送端位于新疆地区,无法采用水路运输,优先选用公路运输方案,可以放宽换流变阻抗的选择范围,但也是有限的。受端位于安徽地区,具备水路运输条件,换流变大件运输条件较好。

4 ±1100 kV直流工程阻抗计算输入条件

4.1 主接线和运行方式

准东—皖南±1100 kV特高压直流输电工程在准东换流站和皖南换流站都含有双极每极2个串联的12脉动换流器,直流线路长度为3283.9 km,每端换流站都设置接地极。每个12脉动换流器两端的直流电压为550 kV,额定功率为3000 MW,全站共4个12脉动换流器(正负极)。主接线简图如图(6)所示。

4.2 运行控制模式

准东-皖南±1100 kV直流系统能实现下列运行控制模式:

1)全电压运行。

2)降压80%运行。

每极一个换流器运行时(550 kV),不考虑降压运行。直流系统可以从皖南向准东输送功率,即具有功率反送运行方式。过负荷水平为1.05 pu(2 h)/1.2 pu(3 s)。

4.3 交直流电压范围

准东换流站的直流额定运行电压为±1100 kV,定义为平波电抗器出线侧直流极母线与直流中性母线之间的电压。在每极双换流器串联运行方式下,计及所有误差,直流电压最高不超过1122 kV。

当功率从准东换流站送往皖南换流站时,两端换流母线电压在连续稳态运行范围内(准东换流站750 kV~800 kV,皖南换流站500 kV侧490 kV~525 kV,皖南换流站1000 kV接入侧1000 kV~1070 kV),直流电压降压至额定电压(±1100 kV)的80%,每一极都应能够连续运行。

5 ±1100 kV直流工程阻抗对各主要参数的影响

图6 ±1100 kV直流工程主接线 
Fig.6 ±1100 kV main connection line

在进行高压直流输电系统设计时,合理选择换流变压器的短路阻抗是成套设计的最重要任务之一,需要综合考虑各项制约因素。特高压直流工程随着换流变容量的增加,短路阻抗也随之增加,一般为18%以上。由于换流变制造能力和运输条件的限制,很多直流工程中换流变短路阻抗都超过20%。同时,直流工程受端容易产生换相失败,尤其在换相角达到某一水平之后,换相失败的概率增大,这使得换流变的阻抗又不能太大,一般要小于24%~25%,所以本文初步比选的短路阻抗范围为18%~24%。根据第3部分提出的设计方法,通过递进式方法,逐步分析±1100 kV换流变压器短路阻抗5个制约因素的影响。

5.1 短路电流限制的阻抗取值

根据目前国内外晶闸管的短路能力,6 inch晶闸管的最大短路电流可以达到60 kA [13-14] ,通常系统的短路电流不超过60 kA对应的短路阻抗都是可行的。根据1.1部分的短路电流计算方法,计算了1100 kV直流工程不同短路阻抗对应的短路电流如表1所示。

表1 不同短路阻抗对应的最大短路电流 
Table 1 Max short-circuit current at different short-circuit impendence

根据表1,18%~24%范围内的短路阻抗都满足换流阀短路电流60 kA的要求,所以短路电流不是制约阻抗选择的因素,可在18%以上更大范围内选择短路阻抗,即送受端阻抗≥18%即可。

5.2 换相要求的阻抗取值

由于常规直流的固有缺点,需要进行有源换相,所以若换相角太大,将导致熄弧角γ变小,这样很容易导致换相失败;另外,过大的换相角μ也将导致换流阀进入异常换相模式,因此换相角是决定换流变阻抗最重要的因素。

考虑到直流系统的各种极限运行方式,如过负荷、降压等,分别计算出不同阻抗对应的换相角µ,根据µ不大于30°的条件来判断对阻抗的约束性。根据式(6),换流变短路阻抗与换相角关系如表2和表3所示。

深色区域表示该工况下对应的换相角超过30°,此时系统的运行方式将受限。例如,送端选择24%阻抗时,不能降压运行,只能运行在额定电压1.0 pu和1.05 pu的工况下,显然,这是不允许的。因此,基于可靠换相考虑,阻抗应位于表2和表3的白色区域,即送端的阻抗应≤21%,受端的阻抗应≤22%。

表2 准东换相角µ与电压水平、换流变阻抗的关系 
Table 2 Relation of commutation angle, DC voltage and impedance at sending terminal单位:°

表3 皖南换相角µ与电压水平、换流变阻抗关系 
Table 3 Relation of commutation angle, DC voltage and impedance at receiving terminal单位:°

5.3 无功补偿需要

根据式(7)无功补偿计算公式,可以计算出两站所需无功配置如表4所示(根据5.2节的结论,仅计算可满足5.1节和5.2节要求的阻抗所对应的无功)。

表4 不同阻抗对应的无功消耗量 
Table 4 Reactive power consumption of different impedance

可以看出,阻抗越小,所需配置的无功容量越小,经济性越好。但无功容量并不是阻抗的决定性因素,仅影响工程的经济性。

5.4 绝缘水平影响

±1100 kV特高压直流工程设备绝缘水平相比以往工程大大提高,给设备研发和制造带来极大困难,换流变的阻抗选择应尽量考虑降低系统的绝缘水平,所以阻抗不建议过大。

1)短路阻抗的提升会导致理想空载直流电压U di0 的增加。

2)受端分层接入情况下考虑交流系统幅值偏差和相角偏差,进一步考虑高、低端换流变阻抗不平衡,将导致550 kV中点区域谐波含量增加,由此进一步导致高端绝缘水平提高。故推荐受端高、低端采用相同阻抗开展研究工作。

换流变阻抗大小直接影响主回路参数U di0max 的大小,如表5所示。而U di0max 的大小直接影响直流侧绝缘水平,尤其是阀顶的绝缘水平。由于取消或简化直流滤波器的要求,导致阀侧谐波电压大幅增加,对绝缘水平的影响较大。因此,在条件允许的前提下,尽可能降低U di0max 的水平来降低绝缘水平,优化工程设计 [15] 

表5 不同阻抗对应的U di0max 
Table 5 U di0max of different impedance

图7 送端换流变阻抗k 与阀顶绝缘水平U关系 
Fig.7 Relation of converter transformer impedance and insulation level at sending terminal

图8 受端换流变阻抗k 与阀顶绝缘水平U关系 
Fig.8 Relation of converter transformer impedance and insulation level at receiving terminal

根据第3节部分计算公式,阻抗对阀顶绝缘水平的影响如图7和图8所示。

可见,换流变阻抗每增加一个百分点,U di0max 增加2 kV,相应的绝缘水平SIWL增加约6 kV,将带来绝缘成本和空气间隙设计值增加,经济性变差。根据±1100 kV工程的空气间隙放电试验结论,建议工程的实际绝缘配合水平不超过2100 kV [16] ,因此根据图7和图8,绝缘配合水平决定的送端阻抗应≤21%,受端阻抗应≤21.5%。根据前面5.1节~5.3节的结论,送端阻抗应≤21%,受端阻抗应≤21.5%。

5.5 运输条件限制

运输是制约换流变阻抗选择的最重要因素,尤其是换流变阻抗越小,其运输变得越来越困难,因此通常在满足其他技术条件时,尽量选择阻抗的上限值以降低运输难度。

根据可行性研究方案,送端若采用铁路运输,阻抗将超过24%,不满足其他因素限制的≤21%,因此必须采用公路运输,这样阻抗就可以进一步降低。送端高端考虑公路运输条件下,且换流变在送端新疆地区生产,送端阻抗≥20%即可满足运输限制。结合其他技术条件限制,送端阻抗应≤21%,且≥20%。越小的阻抗,经济性越好,综合各种因素,送端阻抗应取20%。

受端运输条件为水路+公路运输,但水路段为一内陆小河,有一定运输限制,限制尺寸为15.5 m×5 m×6 m,运输重量550 t。根据国内外厂家的概念设计方案,受端阻抗≥22%方可满足运输要求。这一结论与绝缘配合结论要求仅相差0.5%。因为运输尺寸的放大将导致运输费用大大增加,而对于22%阻抗绝缘水平的增加为3 kV左右,可以适当增加荷电率满足绝缘水平不超过2100 kV的要求,费用增加很少。因此,受端可以选择22%作为最优阻抗。

5.6 小结

不同因素制约的换流变阻抗取值总结如表6所示。

表6 受不同因素制约的换流变阻抗取值 
Table 6 Converter transformer impedance value limited by different factors

根据表6,对各因素进行递进分析,送端短路阻抗推荐20%,受端短路阻抗推荐22%(导致绝缘水平超过要求值3 kV)。

6 结论

换流变是直流输电工程中最重要的设备之一,对系统设计和技术经济性具有重要作用。本文通过对±1100 kV特高压直流工程阻抗影响因素的详细分析,得到以下结论:

1)特高压直流工程由于换流变线圈直径大,铁芯直径、高度以及开窗直径大,且多柱并联磁路长,因此其短路阻抗明显高于常规交流和常规直流换流变。

2)对于±1100 kV特高压直流工程,当短路阻抗超过18%时,短路电流即可满足要求。通常,短路电流不是限制性因素。

3)考虑分层接入不同电压等级电网时,高低压换流变阻抗应取相同值。

4)换流变阻抗增加时,绝缘水平相应提高。当阻抗增加1%时,工程绝缘水平增加约6 kV。考虑绝缘水平影响,阻抗应尽可能小。

5)换流变阻抗越大,换相角越大。为防止换相进入异常模式,建议各工况下换相角不超过30°,以此作为短路阻抗选择时的限制条件之一。

6)随着换流变容量的提升,运输条件成为限制换流变短路阻抗选择的重要条件。一般情况下,应在满足运输条件限制的情况下,尽可能选择较小的短路阻抗,提高其运行可靠性和经济性。

7)综合考虑各种限制性条件约束,准东—古泉±1100 kV特高压直流工程推荐阻抗送端为20%,受端为22%。

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Study on Optimal Short-circuit Impedance of Converter Transformer for ±1100 kV UHVDC  

GUO Xianshan, FU Ying 
(State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing 100031, China)

Abstract: The construction of ±1100 kV UHVDC transmission channels from West to East in China is conducive to promote large scale optimal allocation of energy sources.The converter transformer is one of the most important main equipment, and its short-circuit impendence is the most important input parameter for system design.It shall play an important effect on main circuit parameters, short-circuit current, insulation coordination,reactive pow er con figuration, equipment manufacture,transportation of massive products and so on.The effect on above mentioned factors of different impendence is analyzed in detail, and the life cycle cost is stated based on former UHVDC project experience.Finally, the optimal short-circuit impedance of ±1100 kV UHVDC is suggested in the paper.

Keywords: ±1100 kV UHVDC; converter transformer; shortcircuit im pendence; insulation coordination; reliability; life cycle cost

National Key Research and Development Program of China(2016YFB0900805).


郭贤珊

作者简介:

郭贤珊(1972),男,硕士,教授级高工,主要从事高压直流输电工程建设管理工作,E-mail:xianshanguo@sgcc.com.cn。

付颖(1983),男,硕士,高级工程师,通信作者,主要从事高压直流输电工程建设管理工作,E-m ail:ying-fu@sgcc.com.cn。

(责任编辑 张宇)


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