±800 kV靈州換流站換流變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

雷戰(zhàn)斐，宋海龍，劉舒楊

（國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750011）

高電壓技術(shù)

±800 kV靈州換流站換流變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

雷戰(zhàn)斐，宋海龍，劉舒楊

（國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750011）

針對換流變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)存在的問題，在功能實(shí)現(xiàn)、策略選擇和風(fēng)險防范等方面對風(fēng)冷邏輯進(jìn)行具體分析，提出了靈州換流站換流變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案。應(yīng)用結(jié)果表明：優(yōu)化后風(fēng)冷邏輯考慮了更多的運(yùn)行工況，保證了變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，可為換流站（變電站）風(fēng)冷邏輯設(shè)計及功能實(shí)現(xiàn)提供參考。

換流變壓器；風(fēng)冷邏輯；優(yōu)化設(shè)計；極冷工況；軟件延時防抖

換流變壓器運(yùn)行時，線圈及鐵心所產(chǎn)生的銅損和鐵損轉(zhuǎn)化為熱能，促使變壓器鐵心及線圈溫度不斷上升［1］。換流變壓器運(yùn)行中負(fù)荷隨時發(fā)生變化，有載調(diào)壓開關(guān)檔位也隨著系統(tǒng)電壓不斷調(diào)節(jié)，都將使變壓器損耗隨之發(fā)生變化，變壓器油溫相應(yīng)改變。為了保證變壓器油與空氣能夠充分地進(jìn)行熱量交換，選擇合適的風(fēng)冷邏輯和完善的風(fēng)冷控制策略以促使變壓器冷卻器運(yùn)行性能達(dá)到最佳狀態(tài)至關(guān)重要［2-3］。目前，國內(nèi)換流變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)趨于智能化，但是在功能實(shí)現(xiàn)、策略選擇和反事故措施執(zhí)行等方面依舊很欠缺，靈州換流站換流變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)采用變壓器在線電子控制系統(tǒng)（transformer electronic control，TEC）自動控制，風(fēng)冷控制邏輯考慮換流變壓器多種運(yùn)行工況，在變壓器風(fēng)冷邏輯設(shè)計及功能實(shí)現(xiàn)等方面有了進(jìn)一步提升。

1 問題分析

1.1 換流變壓器帶電啟動沒有考慮極冷工況

靈州換流站地處西北地區(qū)，冬季最低氣溫可達(dá)-29.6℃。變壓器油在極寒天氣下易凝滯［4］，運(yùn)動粘度增高，油流阻力大，致使線圈熱量不能及時傳遞給絕緣油進(jìn)行散熱。此類情況下，一旦冷卻器（包括潛油泵和風(fēng)機(jī)）帶電，換流變壓器將帶電啟動冷卻器，致使油溫進(jìn)一步降低，運(yùn)動粘度更高，油流阻力將增大，變壓器潛油泵在冷油中消耗的功率比在熱油中更大，極端情況下還會導(dǎo)致潛油泵不能正常運(yùn)行［5］。當(dāng)變壓器油通道壓力大于3.5 MPa時，冷卻器散熱管將會出現(xiàn)爆裂或者絕緣油不能自上而下通過冷卻器進(jìn)行循環(huán)散熱的現(xiàn)象，最終將導(dǎo)致線圈局部過熱而燒損線圈。

1.2 負(fù)荷啟動冷卻器采用閥側(cè)電流

靈州換流站換流變壓器采用網(wǎng)側(cè)調(diào)壓，有載調(diào)壓開關(guān)檔位有29檔，其中26檔為額定檔。如果換流閥換相過程中閥側(cè)繞組發(fā)生兩相短路，則閥側(cè)繞組流過的直流電流12的整數(shù)倍次諧波含量最大［6］。

表1 靈州換流站換流變壓器額定運(yùn)行時各諧波電流分量

表1為靈州換流站換流變壓器額定運(yùn)行時各諧波電流分量，從表1中可以看出，當(dāng)換流變壓器額定運(yùn)行時，閥側(cè)N次諧波電流均大于網(wǎng)側(cè)諧波電流，且閥側(cè)電流諧波分量占基波比例更大［7］。因此，如果采用閥側(cè)電流進(jìn)行風(fēng)冷啟?？刂疲瑒t閥側(cè)電流的跳躍不平滑性及諧波電流影響都將增大換流變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)的不準(zhǔn)確性和故障概率。

1.3 油（繞）溫啟動受電磁干擾影響大

特高壓換流站換流變壓器一般配置2個壓力式油溫傳感器、1個繞組溫度傳感器、2個鉑電阻油溫計和1個鉑電阻繞溫計，而風(fēng)冷控制系統(tǒng)則采用其中1個壓力式油溫傳感器和1個繞組溫度傳感器的輸出模擬量作為投切換流變壓器冷卻器的判斷依據(jù)。其中，油溫變送器量程為-20～140℃，繞溫變送器量程為0～160℃，兩種溫度變送器輸出均需折算成量程為4～20 mA電流，且每10℃溫度跳變將折算成1 mA電流。

根據(jù)溫度變送器原理，熱（鉑）電阻作為變送器輸入信號的采樣源，屬于無源和弱電性質(zhì)。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，一般換流變壓器和溫度變送器安裝距離較遠(yuǎn)，其采樣回路極易遭受與之平行走向強(qiáng)電電纜電磁波的嚴(yán)重干擾［8］，引起溫度變送器輸出電流值的變化，從而導(dǎo)致冷卻器頻繁投切。

1.4 保護(hù)切除冷卻器沒有區(qū)分電量和非電量保護(hù)

特高壓換流站每個閥組包含6臺換流變壓器，每臺換流變壓器都配置有獨(dú)立的電量保護(hù)和非電量保護(hù)。當(dāng)換流變壓器保護(hù)跳閘后，風(fēng)冷控制邏輯應(yīng)切除全部冷卻器，以防止?jié)撚捅脤⒆儔浩鲀?nèi)部故障所產(chǎn)生的碎屑帶入繞組及鐵心內(nèi)部，引起故障范圍擴(kuò)大［9-10］。以往換流變壓器保護(hù)動作后，不區(qū)分電量保護(hù)和非電量保護(hù)，只要保護(hù)動作就立即切除冷卻器，甚至有一些交流變電站不區(qū)分保護(hù)動作和變壓器正常停運(yùn)，只判斷變壓器進(jìn)線開關(guān)位置，只要斷路器分閘就立即停運(yùn)冷卻器［11］，致使正常變壓器停運(yùn)后風(fēng)機(jī)不再運(yùn)行，從而停止對變壓器油進(jìn)行散熱，反而增加了絕緣油的老化速率。

1.5 控制策略不完善及反措執(zhí)行不到位

風(fēng)冷控制系統(tǒng)的智能化發(fā)展迅速，但風(fēng)冷控制系統(tǒng)的制造和研究一直以簡單實(shí)用為目的，一些制造廠商不了解行業(yè)規(guī)范和現(xiàn)場技術(shù)要求，一部分可以減少現(xiàn)場運(yùn)維工作量和增加冷卻器運(yùn)行壽命的風(fēng)冷邏輯功能未能在風(fēng)冷控制系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)：

（1）風(fēng)機(jī)啟動沒有考慮油流帶電、沖擊電流和冷卻器同時啟動等情況導(dǎo)致的變壓器油流涌動現(xiàn)象［12］。

（2）變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)沒有采用雙重化配置，一旦風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行故障，將導(dǎo)致變壓器風(fēng)冷全停，甚至引起變壓器跳閘。

（3）沒有按照變電站運(yùn)維要求，對備用變壓器冷卻器進(jìn)行啟停功能校驗(yàn)。

2 風(fēng)冷邏輯優(yōu)化設(shè)計

2.1 換流變壓器極冷工況下只啟動潛油泵

靈州換流站換流變壓器進(jìn)線斷路器合閘后，TEC系統(tǒng)將啟動1組冷卻器［13-14］，如果油面溫度低于T1，則只啟動2組潛油泵；高于T1時，則啟動1組冷卻器，包括潛油泵和風(fēng)機(jī)。當(dāng)換流變壓器在極冷工況下正常運(yùn)行時，如果油面溫度低于T2（定值T2≤T1），則停止風(fēng)機(jī)，只啟動潛油泵；當(dāng)高于T1時，則啟動1組冷卻器，如表2所示。

表2 靈州換流站換流變壓器冷卻器啟停定值

從表2可見，換流變壓器充電時，當(dāng)頂部油溫低于10℃時，則只啟動1組潛油泵，不啟動風(fēng)機(jī)；當(dāng)高于10℃時，則啟動1組冷卻器。換流變壓器正常運(yùn)行時，極冷工況下頂部油溫低于8℃時，則停止風(fēng)機(jī)，只啟動潛油泵；當(dāng)高于10℃時，則啟動1組冷卻器。

2.2 負(fù)荷啟動冷卻器采用網(wǎng)側(cè)電流

靈州換流站換流變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)考慮引入換流變壓器有載調(diào)壓開關(guān)檔位信息，并參與風(fēng)冷控制邏輯計算，一旦有載調(diào)壓開關(guān)檔位變化，TEC系統(tǒng)將及時調(diào)整電流參考值，不會產(chǎn)生負(fù)荷電流計算誤差大的情況。

當(dāng)按負(fù)荷啟動冷卻器時，一旦輸入直流功率指令，負(fù)荷電流的動態(tài)變化能及時投切冷卻器，從而避免了以往按油溫變化啟動冷卻器的滯后性缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步避免閥側(cè)電流諧波和直流紋波的影響，靈州換流站采用換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組電流作為冷卻器投切值［15］，如圖1所示。

圖1 冷卻器投切采用網(wǎng)側(cè)繞組電流

從圖1中可知，網(wǎng)側(cè)繞組電流經(jīng)變比采樣后送至電流繼電器，網(wǎng)側(cè)二次電流分別送至2套風(fēng)冷控制系統(tǒng)TEC A和TEC B。其中，A表示換流變壓器網(wǎng)側(cè)首端套管，B表示換流變壓器中性點(diǎn)套管，換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組測溫電流互感器（current transformer，CT）變比為1 000/2。

因此，TEC系統(tǒng)可通過采集換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組CT二次電流值和有載調(diào)壓開關(guān)檔位對應(yīng)的一次電流值對換流變壓器運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行計算［16］，其計算公式如式（1）所示。

式中：I一次、I二次—分別為換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組CT一次、二次電流值；

I檔位—有載調(diào)壓開關(guān)檔位對應(yīng)的一次電流值；

KCT—網(wǎng)側(cè)繞組測溫CT變比。

換流變壓器有載調(diào)壓開關(guān)檔位所對應(yīng)的一次、二次電流值，如表3所示。

表3 換流變壓器有載調(diào)壓開關(guān)檔位對應(yīng)電流值

從表3可見，當(dāng)分接頭檔位在26檔時，額定一次電流I檔位為933.5 A，假若換流變壓器網(wǎng)側(cè)套管采樣值I一次為513 A，則風(fēng)冷系統(tǒng)負(fù)荷占比計算值約為55%。因此，由表2負(fù)荷啟停冷卻器定值可知，該運(yùn)行工況下將啟動第2組冷卻器或停止第3組冷卻器，保持兩組冷卻器運(yùn)行。

2.3 TEC內(nèi)部模擬量加入防抖延時

一般溫度變送器模擬量每輸出1 mA電流將折算成10℃溫度。表2中冷卻器啟停定值的延遲裕度（滯回值）為10℃，因此強(qiáng)電磁干擾的影響可能會導(dǎo)致一組冷卻器出現(xiàn)該啟動而未啟動現(xiàn)象。

為了保證溫度變送器輸出的一致性，靈州換流站TEC系統(tǒng)在模擬量處理時加入3 s的軟件防抖延時。當(dāng)溫度條件滿足且延時3 s后再做輸出處理，從而避免電磁干擾對冷卻器造成誤啟停。

2.4 保護(hù)切除冷卻器考慮電量和非電量保護(hù)

靈州換流站換流變壓器分相配置電量保護(hù)和非電量保護(hù)，保護(hù)動作切除冷卻器原理如圖2所示。

圖2 保護(hù)動作切除冷卻器原理

從圖2可知，靈州換流站保護(hù)動作切除冷取器動作邏輯如下：

（1）以換流變壓器引線差動保護(hù)為例，該保護(hù)一般取6臺換流變壓器進(jìn)線斷路器CT和網(wǎng)側(cè)套管CT，一旦該電量保護(hù)動作，不能具體定位到哪一臺換流變壓器發(fā)生故障，此時閥組內(nèi)6臺換流變壓器冷卻器都將瞬時切除。

（2）當(dāng)換流變壓器非電量保護(hù)動作后，哪一臺換流變壓器發(fā)生故障，則瞬時切除該臺換流變壓器冷卻器，而閥組內(nèi)其他5臺換流變壓器冷卻器則將在進(jìn)線斷路器分閘且最后一組冷卻器滿足停運(yùn)條件后再運(yùn)行30 min停止，從而實(shí)現(xiàn)對變壓器油進(jìn)行充分冷卻、減少絕緣油劣化速度和增加絕緣油使用壽命的作用。

2.5 風(fēng)冷邏輯執(zhí)行反措要求及現(xiàn)場技術(shù)條件

（1）靈州換流站冷卻器啟停遵循最大化控制原則，按定值啟動。

當(dāng)啟動冷卻器時，總是啟動累積運(yùn)行時間最短的一組，多組冷卻器連續(xù)啟動時會有30 s間隔延時［17］，避免了出現(xiàn)沖擊電流和4組冷卻器同時啟動而產(chǎn)生的油流涌動，進(jìn)而避免換流變壓器本體重瓦斯誤動作［18］。

圖3為換流變壓器根據(jù)油溫、繞溫及負(fù)荷控制最大化原則輸出的冷卻器啟動邏輯圖。

圖3 換流變壓器冷卻器啟動邏輯

結(jié)合表2冷卻器啟停定值進(jìn)行分析，換流變壓器冷卻器的投切邏輯如下：

①冷卻器投入邏輯

1臺潛油泵投1組冷卻器條件:

10℃≤頂層油溫＜35℃；

1組冷卻器投第2組冷卻器條件：

35℃≤頂層油溫＜45℃或60℃≤繞組溫度＜70℃

或33%≤負(fù)荷占比＜66%；

2組冷卻器投第3組冷卻器條件:45℃≤頂層油溫＜70℃

或7 0℃≤繞組溫度＜1 05℃或66%≤負(fù)荷占比＜100%；

3組冷卻器投第4組冷卻器條件：

頂層油溫≥70℃或繞組溫度≥105℃

或負(fù)荷占比≥100%。

②冷卻器切除邏輯

4組冷卻器切為3組冷卻器條件：

頂層油溫＜65℃且繞組溫度＜100℃且負(fù)荷占比＜90%；

3組冷卻器切為2組冷卻器條件：

30℃≤頂層油溫＜40℃且55℃≤繞組溫度＜65℃且23%≤負(fù)荷占比＜56%；

2組冷卻器切為1組冷卻器條件：

頂層油溫＜30℃且繞組溫度＜55℃且負(fù)荷占比＜23%；

1組冷卻器切為1臺潛油泵條件：

頂層油溫＜8℃且繞組溫度＜55℃且負(fù)荷占比＜23%。

（2）靈州換流站換流變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)采用雙重化配置，TEC默認(rèn)系統(tǒng)A為主站，系統(tǒng)B為從站，主、從關(guān)系可以在觸摸屏“參數(shù)設(shè)置”界面進(jìn)行切換。

如圖4所示，主、從TEC系統(tǒng)由網(wǎng)線互聯(lián)，并互發(fā)看門狗信號。當(dāng)主站工作異常時，從站將自動切換為主站；當(dāng)主站工作正常時，所有風(fēng)冷邏輯輸出信號都將由主站實(shí)際出口。

圖4 風(fēng)冷系統(tǒng)雙重化配置

（3）當(dāng)換流變壓器停運(yùn)后，一旦失電達(dá)1周時間，則第1周將啟動第1組冷卻器達(dá)30 min后停止，第2周將啟動第2組冷卻器達(dá)30 min后停止，并依次按照1-2-3-4-1冷卻器編號進(jìn)行循環(huán)啟動［19］。

（4）換流變壓器冷卻器運(yùn)行時，任意一臺潛油泵或風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，則該組冷卻器將輸出故障告警并停止運(yùn)行，TEC系統(tǒng)將重新選擇另一組冷卻器投入運(yùn)行；當(dāng)TEC系統(tǒng)出現(xiàn)模擬量通道故障時，則4組冷卻器全部按照最大化輸出啟動，從而確保冷卻器安全可靠運(yùn)行。

3 效果評價

（1）風(fēng)冷控制邏輯采取低溫只啟動潛油泵，在極寒天氣下?lián)Q流變壓器空載充電或直流最小功率200 MW運(yùn)行時，風(fēng)冷系統(tǒng)啟動潛油泵對變壓器油進(jìn)行循環(huán)散熱，降低了變壓器油的運(yùn)動粘度，使換流變壓器處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

（2）風(fēng)冷控制邏輯采取網(wǎng)側(cè)電流作為換流變壓器負(fù)荷啟動冷卻器的輸入量，實(shí)現(xiàn)了按負(fù)荷電流大小平滑投切冷卻器的功能，解決了由于直流電流分量及諧波電流等原因?qū)е吕鋮s器頻繁啟停問題。

（3）風(fēng)冷控制邏輯采取模擬量加入防抖延時，從而避免了現(xiàn)場電源切換、電磁信號干擾或采樣值短時突變等原因?qū)е吕鋮s器出現(xiàn)少投多切現(xiàn)象。

（4）風(fēng)冷控制邏輯優(yōu)化后，換流變壓器電量保護(hù)動作后6臺換流變壓器冷卻器均立即停運(yùn)，而非電量保護(hù)動作后只切除故障相換流變壓器冷卻器，待其他換流變壓器最后1組冷卻器滿足停運(yùn)條件后再運(yùn)行30 min停止，從而確保對變壓器油進(jìn)行充分冷卻。

（5）風(fēng)冷控制邏輯優(yōu)化后，嚴(yán)格執(zhí)行了相關(guān)規(guī)程及反事故措施要求，減少了運(yùn)維人員現(xiàn)場維護(hù)的工作量，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

①風(fēng)冷邏輯采取每組冷卻器啟動間隔30 s，風(fēng)機(jī)啟動最大沖擊電流變?yōu)?組冷卻器沖擊電流1.1Ie，從而避免了油流帶電、沖擊電流和冷卻器同時啟動等原因?qū)е碌挠土饔縿蝇F(xiàn)象。

②風(fēng)冷控制系統(tǒng)采用雙重化配置，一套變壓器故障或失電后將會切換至另一套變壓器運(yùn)行，從而提高變壓器運(yùn)行的可靠性。

③運(yùn)行變壓器或備用變壓器長期停運(yùn)期間，風(fēng)冷控制系統(tǒng)將每周啟動1組冷卻器達(dá)30 min后停止，用技術(shù)手段代替人工試驗(yàn)，從而減輕了運(yùn)維人員的工作量。

④當(dāng)冷卻器運(yùn)行時任意1臺潛油泵或風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，風(fēng)冷控制邏輯則重新選擇另一組冷卻器投入運(yùn)行；當(dāng)TEC系統(tǒng)有模擬量通道故障時，則4組冷卻器全部按照最大化輸出啟動，從而避免了冷卻器全停的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）極冷工況下只啟動潛油泵、風(fēng)冷邏輯考慮有載調(diào)壓開關(guān)檔位、保護(hù)動作切除冷卻器考慮電量和非電量保護(hù)等因素均在靈州換流站換流變壓器風(fēng)冷邏輯中得到首次應(yīng)用，保證變壓器一直處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，具有一定的創(chuàng)新性。

（2）結(jié)合換流變壓器實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，風(fēng)冷控制邏輯優(yōu)化考慮了諧波電流、電磁干擾、冗余配置等因素，進(jìn)一步完善了風(fēng)冷控制功能，具有一定的實(shí)用性。

（3）結(jié)合相關(guān)規(guī)程和反事故措施要求，風(fēng)冷邏輯優(yōu)化考慮了冷卻器間隔啟動、最大化啟?？刂圃瓌t、保護(hù)切除冷卻器、按負(fù)荷啟動冷卻器等因素，在軟件定值設(shè)置和功能邏輯計算等方面提出新方法，具有一定的科學(xué)性。

（4）風(fēng)冷邏輯優(yōu)化處理后，用技術(shù)手段代替人工試驗(yàn)，減少了現(xiàn)場運(yùn)維人員的工作量，提高了換流變壓器安全運(yùn)行的可靠性。

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Optimization design on air-cooled system of converting transformer in±800 kV Lingzhou Converter Station

LEI Zhanfei,SONG Hailong,LIU Shuyang
（Maintenance Filiale of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011）

Aiming at the problem of air-cooled control system of converting transformer,concretely analyzes the logic of air-cooled system such as the functional realization,the strategy selection and the risk prevention,puts forward the optimization design scheme of converting transformer air-cooled system in±800 kV Lingzhou converter station.The application result shows that the optimized aircooled system logic considering more operation conditions,ensures the safe and stable operation of the transformer,it can provide technic reference of air-cooled logic design and the functional realization for converter station and substation.

converting transformer;air-cooled logic;optimization design;extreme cold condition; delay stabilization of software

TM721

B

1672-3643（2017）03-0033-06

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.006

2017-03-13

雷戰(zhàn)婓（1991），男，助理工程師，從事高電壓直流輸出系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.006