换流变压器故障分析及改进措施

换流变压器故障分析及改进措施
摘要:换流变压器是高压直流输电系统中的重要设备，其故障问题已经成为世界各地电力行业所关注的主要问题之一。

本文从12脉动整流器的原理出发，分析了换流变压器故障的主要来源即换流变压器的故障主要发生在其二次绕组，而一次侧则基本不受影响。

然后以正在建设的糯扎渡至鹤山800kV高压直流输电工程为研究对象，在EMTDC/ PSCAD环境中进行建模和分析，仿真验证了二次侧绕组发生故障的主要原因并且针对这个问题提出了三种改进措施。

关键词：换流变压器二次绕组EMTDC/PSCAD 改进措施
由于功率半导体器件的快速发展以及性能的提高，自1954年第一个商业化运营的高压直流输电工程投入以来，高压直流输电已越来越受欢迎，已被广泛应用于世界各地长距离大容量输电。

随着世界上首个±800kV特高压直流输电工程（云南楚雄至广东穗东）的正式投产，第二条云广线（糯扎渡至鹤山）于2012年4月15日也顺利开工，电网建设如火如荼。

换流变压器是高压直流输电的核心装备，这是由于其处在交流电与直流电互相变换的核心位置以及在设备制造技术方面的复杂性和设备费用的昂贵等所决定的。

另外换流变压器的可靠性及可用性对于整个系统来说也是很关键的，直流输电系统中大部分的故障都发生换流变压器中[1]。

因此研究高压直流输电系统中换流变压器的故障及
相关解决方案具有重大意义。

1 换流变压器中故障的主要来源
在目前大部分高压直流输电工程中换流变压器一般采用单相三绕组变压器，但是对于大容量直流输电工程则采用单相双绕组变压器。

换流变压器一次侧绕组通过中性点接地，二次绕组通过不同的联结组来达到30度的相位差，这样就可以实现12脉冲晶闸管换流器的换相，图1为其原理图。

一般情况下，高压直流输电采用12脉冲晶闸管换流器是用来消除五次谐波和7次谐波。

对于三相双绕组变压器型式而言每个6脉动换流器交流电流中的6（2k-1）±1次的谐波，在两个换流变压器之间环流，而不进入交流电网,12脉动换流器的交流电网中将不含这些谐波，因此也能有效地改善交流侧的谐波性能。

对于采用一组三绕组换流变压器的12脉动换流器，其变压器网侧绕组织也不含6(2k-1)±1次的谐波，但是阀侧绕组中则有(2k-1)±1次谐波流过[2]。

因此，无论哪种变压器的连接型式，换流变压器的二次绕组中都有大量的五次谐波和七次谐波流过，二次侧绕组应该设计为能够抵制这些谐波的影响。

CIGRE高压直流输电系统分析报告指出[3]，在过去的几年中出现了22次故障，其中发生在二次侧绕组的故障就有14次。

在印度，几乎所有的故障都发生在换流变压器的二次侧绕组。

此
类故障已被归因于腐蚀性油形成的硫化铜沉淀物，因为在换相过程中瞬变电压会上升，导致温度升高。

也就是说重复电压瞬变引起得局部放电是最终导致换流变压器发生故障的主要原因[4]。

文献[5]中指出谐波漏磁通引起的换流变压器温度问题也会导致其故障的发生。

格兰特和麦克德米德在文献[6]中指出，换流变压器绝缘退化是由于其几十年的正常运行的热老化引起的。

2 建模与分析
2.1 仿真实例
本文以正在建设的糯扎渡至鹤山800kV高压直流输电工程为研究对象，分析二次侧绕组谐波及其对换流变压器的影响。

利用电磁暂态仿真软件EMTDC/ PSCAD搭建其系统仿真模型。

该工程全长约1451km，是中国第二条800kV高压直流输电线路，额定输送容量5000MW，额定电压±800kV，满载时直流电流为3.125A，工程采用的换流变压器类型为单相双绕组变压器，接线型式为Y0/Y及Y0/△两种，本文则分别采用三相双绕组和三相三绕组的变压器型式来对换流变压器一次侧和二次侧的电流、电压波形及谐波分量进行模拟。

2.2 仿真结果与分析
仿真模型采用三相双绕组变压器型式时，测得整流端换流变压器一次侧二次侧电流及二次侧电压波形如图3所示。

当采用三相三绕组变压器型式时，其波形如图4所示。

图5则为两种不同换流变压器型下换流变压器一次侧电流、二次侧电流及二次侧电压的频谱对比图，其中左图为换流变压器三相双绕组型式下的频谱，右图为三相三绕组型式下对应的频谱。

由仿真结果可以得出如下结论。

（1）对于三相双绕组变压器型式而言，其一次侧、二次侧电流中都含有5、7侧谐波，但12脉动换流器的交流电网中将不含这些谐波，因此也能有效地改善交流侧的谐波性能。

对于采用一组三绕组换流变压器的12脉动换流器，其变压器网侧绕组织也不含5、7次的谐波，但是阀侧绕组中则有5、7次谐波流过。

可见无论采用哪种换流变压器型式，其二次侧都会有5、7次谐波电流流过。

（2）对换流变压器二次侧绕组的电压和电流进行分析，结果表明,当整流器触发角为13°时，电压和电流的总谐波失真（THD）大于20％，可知二次侧绕组有非常重的谐波负载。

由于这些高次谐波的存在，二次侧绕组的绝缘问题就变得很严重了。

（3）从二次侧绕组的电压波形可以观察到电压的变化率(dv/dt)约为1.5kV/μｓ。

这些瞬变电压经常出现在换流变压器的二次侧绕组中，并且随着触发角的增加而增加，会进一步降低换流变压器的二次
侧绕组的绝缘性能。

因此，当设计换流变压器时，应该考虑到二次侧绕组这些谐波问题并且分段绝缘技术应当落实到位。

然而，从电压波形我们还可以看出二次侧绕组承受的应力也是非常大的，这导致了局部放电现象。

因此，换流变压器的故障最终将不可避免。

3 相关改进措施
由于换流变压器具有足够大的短路阻抗，当电流换相时变压器二次侧绕组中将会出现电压瞬变，对换流变压器造成不利影响。

通过以下方式来实现降低瞬变电压。

（1）减少换相重叠角：在换流器的直流侧引入电容，可减少换相重叠角[7]，如图5所示。

该电容不仅能够防止直流母线电压下降而且能够降低电源电感的影响而减少换相重叠角。

因此，换相过程变快时，换相过程中的电压瞬变也被遏制。

当对此装置进行系统模拟时，电压峰值会降低。

换向过程中最大的电压峰值由原来的200kV降为150kV，电压THD值也从原来的20％减少到17％，只有5次谐波电流在换流变压器的二次侧绕组中存在较多。

R-C电路中电容值是由连接到每6脉冲晶闸管的换流变压器的电抗值决定的。

电阻的阻值则通过重复的计算机模拟得到。

（2）在换流变压器的二次侧绕组加滤波器：目前,对直流输电系统所产生的谐波进行抑制的实用方法是采用滤波装置,在换流器的交
流侧,滤波装置大都并联在换流变压器交流侧的母线上。

换流变压器阀侧变流装置对变压器形成谐波源,而滤波器接在网侧的交流系统母线上,这样,谐波功率和无功功率都要通过变压器的原副边绕组传送到交流电网和网侧的电力滤波装置,不仅要占用变压器的绕组容量,还要增加绕组的额外铜损和铁损,增加电磁干扰和绝缘困难,并导致机械振动和噪声。

所以如果有一个的方法能够在换流变压器的二次侧添加滤波器，那么它将会减少二次侧绕组的谐波并且一次侧滤波器的成本也可降低。

（3）在换流变压器的二次侧绕组中引入RC缓冲器：当励磁电压的频率与绕组部分的固有频率相等时，变压器绕组中会产生过电压[8]。

在这种情况下，过电压在绕组内部建立的高振幅谐振会破坏变压器内部绝缘。

为了避免这些问题，可以从二次绕组终端引入RC缓冲器然后接地，或采用RC缓冲器直接与二次绕组并联。

Soyal[9]指出，低于避雷器的保护级别的高频瞬态电压会产生严重的内部电压应力，可能导致绕组部分介质击穿。

RC缓冲器可以抑制这些操作过电压。

然而，没有直接的方法来决定R和C的值，必须通过反复的计算机模拟，模拟过程中保持损耗在最低限度。

4 结语
因此，分析换流变压器二次侧的应力，可以归纳如下：电压中的
谐波和二次侧绕组的电流都会引起应力。

这主要是5次和7次谐波。

由变压器阻抗大所引起的换向重叠，会导致电压的变化率大。

这些副作用可以通过以下技术使之最小化：(1)在直流环节连接一个电容，(2)在二次侧连接无源滤波器，(3)在相绕组和绕组接地端子之间连接RC 缓冲器。

在这三种解决方案中，直流环节的电容器和无源滤波器的组合似乎要得到最好的结果。

然而，由于在PSCAD/EMTDC软件的限制，变压器绕组瞬态建模可能不能准确地进行。

为了获得准确的二次侧滤波器和RC缓冲器上的应力减少的结果，准确的变压器绕组瞬态模型是非常必要的。

参考文献
[1]韩民晓,文俊，徐永海.高压直流输电原理与运行[M].北京:机械工业出版社，2009.
[2]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2004:1-43.
[3]BASTOS G M, Brandao J C, SANTELLI J, et al. HVDC Converter Transformer Performance on ITAIPU System[C]//CIGRE Paris Symp, Paris, France:[s.n.],2006.
[4]MCDERMID W,GLODJO A, BROMLEY JC.Analysis of Winding Failures in HVDC Converter Transformers[C]//in Proc. Electrical InsulationElectrical Manufacturing Coil Winding Conf.[s.l.],
1999(10): 653–657.
[5]ALAN J, FORREST C, ALLARD B.Thermal Problems Caused by Harmonic Frequency Leakage Fluxes in Three-phase, Three-winding Converter Transformers[J]. Power Delivery, IEEE Transactions on. 2004, 19(1): 208-213.
[6]ARRILLAGA J, WATSON N R. Power System Harmonics[M]. 2nd ed. New York: Wiley, 2003.
[7]CHENGYONG Z, HAIBO C, GENGYIN L. A Novel HVDC Transmission System with Parallel Large Capacitor Connected in the DC Side of the Rectifier and Its Technical Feasibility[C]//in Proc. IEEE/Power Eng. Soc. Transmission Distribution Conf. Dalian, China: [s.n.],2005:1-5.
[8]HEINZIG P,KNORR W, PLOETNER C, et al.Long-time Experiences of ZnO Varistor Application in Power Transformers and OLTC’s [C]. in CIGRE Paris Symp. [s.l.], 2006.
[9]SOYSAL O A. V oltage Stresses in A Distribution Transformer under Nonideal Switching Conditions[C]//in Proc. IEEE Power Eng.Soc.Winter Meeting. [s.l.],1999: 1031-1035.。