【文章推荐】海上柔直选相合闸操作计算验证及工程应用研究

原文发表在《高压电器》2024年第12期。

https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.13296/j.1001-1609.hva.2024.12.026

海上柔直选相合闸操作计算验证及工程应用研究

李英¹，李海涛²，刘根根³，陕华平⁴，王根政³

(1. 特变电工衡阳变压器有限公司，湖南 衡阳 421007；2. 南京南瑞继保电气有限公司， 南京 211102；3. 特变电工中发上海高压开关有限公司，上海 201401；4. 国家电网有限公司直流技术中心，北京 100052)

一 内容简介

文中阐述了在完成海上柔性直流系统送电过程中，防止变压器励磁涌流造成送电失败而采用选相合闸措施。为保证选相操作顺利实施，通过变压器励磁涌流仿真计算，明确变压器涌流在最大允许限值时，断路器允许的动作时间最大偏离值，通过试验验证，确认影响断路器合闸操作时间分散性因素和范围。根据以上计算和验证结果，根据断路器空置时间分散性试验，选用多次关合时间中间值作为最终参数，减小了断路器机械及电气分散性的影响，使得实际运行考核中，变压器励磁涌流得到有效抑制，可为后续海上柔性直流选相合闸装置、断路器动作特性、变压器励磁涌流的配合及控制策略提供参考。

二 主要内容

柔性直流输电是基于电压源换流器的高压直流输电模式，适合海上风场和分布式电源接入电网，相比于传统直流输电技术，其优势主要表现在：没有无功补偿问题，没有换相失败问题，可以为无源系统供电，可同时独立调节有功功率和无功功率，谐波水平低，适合构成多端直流系统，在海上风电接入方面优势明显，其技术正在得到越来越广泛的应用。直流换流变压器和特高压主变均出现过励磁涌流造成的继电保护动作，断路器采用选相合闸技术可以有效抑制合空变励磁涌流，优化技术包括选择合闸电阻、合闸时刻，在不同储能条件下的液压操作机构开关动作特性曲线，针对开关的优化选相分合闸自适应控制策略，具有重要工程应用价值。案例中±800 kV换流站750 kV 交流侧滤波器断路器合闸时事故频发，对不同滤波器组合闸过程中所产生的合闸涌流、合闸过电压、合闸电阻所能吸收的最大热量进行了仿真计算，研究了合闸电阻阻值和合闸相角对合闸暂态的影响规律。特高压直流分层接入高低端换流器后，会对换流站及所接入交流系统的过电压、谐振特性等产生影响，交流滤波器断路器的分断性能对系统的可靠运行影响显著，换流变压器励磁涌流具有一定特殊性，励磁涌流引起枫泾站换流母线电压畸变、阀控VBE 对已关断阀执行重触发以及换相失败恢复期间，直流电流过冲等因素导致了林枫直流发生换相失败，提出了极控系统的改进措施：取消瞬时电流控制、优化换相失败预测和低压限流等措施的有效性。有作者中分析了高压直流输电交流滤波器在投入时可能引起的谐波冲击，阐述了谐波电流引发串并联谐振，导致系统谐波放大的机理，通过改进系统设计及优化分相合闸装置，解决滤波器投切时冲击过大的问题，分析了换流站交流滤波器低电流退出功能的逻辑缺陷，并提出了改进建议。有作者讨论了励磁涌流的识别，提出了基于多变量多尺度熵的辨识方法能有效区分励磁涌流和故障电流，并在性能上优于传统的二次谐波判据，提出一种基于 Jarque-Bera 系数来识别励磁涌流的新策略。结合反并联晶闸管和滤波电路组成的涌流抑制器，有作者提出了一种基于软启动的变压器涌流抑制方法。在剩磁对励磁涌流的影响，有必要预测铁心剩磁以确定最佳合闸相位，实现空投变压器的无冲击平滑过渡。剩磁水平随断路器均压电容的增大而降低，有作者提出以动态剩磁整周期内的平均值作为剩磁水平，来确定最佳合闸相位进行选相关合的策略。选相合闸策略能够有效地抑制中性点不接地空载变压器励磁涌流，在长链式薄弱电网中，变压器空载励磁涌流PSCAD 仿真平台，搭建藏中联网工程电磁暂态模型并提出剩磁准确添加方法，针对三相联动断路器，有作者提出了相适应的空载变压器选相合闸策略。有作者提出了基于零模涌流的零差保护CT极性无负荷校验方法，利用变压器空载合闸励磁涌流的零模分量，通过计算Y侧自产与中性点零模涌流的波形相似度，采取“假设—检验”的方式，遍历所有可能的极性错误情况，实现零差保护CT极性正确性的校验，并引入欧氏距离以进一步提高方法对极端涌流情况的适应性。前期研究成果可以看出，对励磁涌流的研究多集中在涌流的识别、剩磁的影响，选相合闸装置的投切、合闸电阻的优化等各方面，文中在准确计算不同选相分合闸策略下变压器励磁涌流基础上，根据断路器动作特性和空置时间分散性试验，选用多次关合时间中间值作为最终参数，减小了断路器机械及电气分散性的影响，使得实际投运考核中，达到工程技术要求，变压器励磁涌流得到有效抑制，为后续海上柔直选相合闸装置、断路器动作特性、变压器励磁涌流的协调控制策略提供参考。

中国首个柔性直流海上风电项目，三峡江苏如东海风项目首批机组不久前正式送电。该海风项目由多台风机发电，经35 kV海缆分别送至3个220 kV海上升压平台，升压后转送至一个换流平台，从交流500 kV换流直流400 kV后，经两条海缆送至陆上换流站，再换流成交流500 kV上网。海上整个换流系统接线图见图1。

风电场投运前，分布式海上风机启动电源是通过陆上电源倒送电获得。在这空载倒送电过程中，变压器铁心残存的电磁能量会造成系统投运时的励磁涌流现象，且受变压器铁心励磁特性非线性影响，合闸空载变压器时可能产生的高幅值的励磁涌流(严重时可达额定电流的6~8倍)，其中含有各次谐波分量，励磁涌流注入电网可能引起电压暂降、谐波过电压等问题，影响电网的正常运行。在海上柔性输电系统中，极易造成变压器网侧过流保护动作致使送电失败。励磁涌流大小与变压器磁密、绕组结构、铁心剩磁及合闸相位角有关，影响尤其大的因素是合闸瞬间相位。

根据国网经研院提供的《如东工程海上升压站注入海上换流站的励磁涌流问题分析》，通过在海上升压站配置合闸电阻或选相合闸装置两个方案来限制励磁涌流。并需要满足单台主变投入时，注入海上换流站联接变网侧的励磁电流控制在1.2 kA以下。若励流电流超标会引起换流阀中过流保护继电器动作，触动断路器跳闸，造成送电失败。

3个220 kV升压平台中的H6和H10平台，主变前侧断路器选用配置合闸电阻。由于220 kV GIS断路器均无合闸电阻产品，因此使用带合闸电阻双断口550 kV断路器，去掉一个断口并补做一些试验来实施(这不在文中讨论范围)。而H8 220 kV升压平台为了节约成本，选用断路器配置选相合闸装置的技术路线。文中要阐述的就是在断路器配置选相合闸装置后，如何满足断路器空合时，变压器励磁涌流小于规定值要求。

1 变压器励磁涌流计算

1.1 计算工况

1.2 计算方案

1.3 计算结果

1.4 计算结果分析及结论

2 影响断路器合闸分散性因素及摸底试验

3 选相合闸实施及应用效果

3.1 选相投切与断路器配合原理

3.2 断路器动作分散性分析

3.3 选相装置外部参量补偿技术

3.4 选相控制策略

3.5 应用效果

三 结论

断路器选相合闸在电力系统特殊运行状况下使用成为常态，在本次海上柔性送电过程中成功运用，是一次难度较大，事先考虑因素较全面的案例。

首先基于变压器励磁涌流必须控制在一个较小范围时，通过仿真计算，求出断路器操作时间分散性控制要求，而后通过试验验证，得出影响断路器静置操作时间最大误差。针对以上仿真计算和试验验证，选相合闸采取更有针对性的有效措施，在投运中实际变压器涌流极小，使首次海上直流柔性送电顺利完成。而作为常态使用的选相操作，事先通过计算和试验验证，排除最大影响因素，也是选相操作功能全过程控制成功运用的案例，可为后续海上柔直选相合闸装置、断路器动作特性、变压器励磁涌流的配合及控制策略提供一个很好的参考先例。

作者简介

李英(1970—)，女，正高级工程师，长期从事电力变压器研发及高端输变电装备相关基础科研工作。

李海涛(1984—)，男，硕士，正高级工程师，长期从事智能变电站技术、选相控制及一次设备在线监测研究工作。

刘根根(1947—)，男，高级工程师，从事高压开关设计工作(E-mail：liugengen50@163.com)。 

本文索引

李英，李海涛，刘根根，等. 海上柔直选相合闸操作计算验证及工程应用研究[J]. 高压电器，2024,60(12)：232-240.

LI Ying，LI Haitao，LIU Gengen，et al. Study on calculation verification and engineering application of offshore VSC-HVDC phase selection closing operation measures[J]. High Voltage Apparatus，2024, 60(12)：232-240.