換流變壓器鐵心夾件接地電流諧波特性分析

苗彭，王啟斌，武文杰，占南，林楓

(1.長(zhǎng)園共創(chuàng)監(jiān)測(cè)技術(shù)(南京)有限公司，江蘇 南京 210003；2.江蘇師范大學(xué) 科文學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

換流變壓器是高壓直流輸電工程的關(guān)鍵設(shè)備，也是整流、逆變兩端接口的核心設(shè)備，是工程取得發(fā)電效益的關(guān)鍵，也為直流輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供重要保障[1-3]。換流變壓器與常規(guī)交流變壓器的運(yùn)行工況、結(jié)構(gòu)原理有著較大差異，其閥側(cè)繞組與換流閥橋臂相連[4-5]，導(dǎo)致閥側(cè)繞組電壓中不僅含有交流電壓，還存在大量諧波電壓，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q流變壓器中裝有的非線性負(fù)載換流器[6-7]存在大量諧波電流。文獻(xiàn)[8]指出，換流閥非線性成分很高，在換流閥不斷導(dǎo)通和關(guān)斷構(gòu)成的整流與逆變過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生很大的諧波成分。文獻(xiàn)[9]通過(guò)計(jì)算閥側(cè)和網(wǎng)側(cè)匯流處基波和諧波電流的幅值和相位，分析了換流變壓器的諧波。文獻(xiàn)[10]分析了特高壓換流變壓器繞組電流諧波對(duì)變壓器損耗、內(nèi)部溫升及振動(dòng)噪聲等的影響，研究了不同次諧波畸變率和總諧波畸變率的變化趨勢(shì)。

對(duì)鐵心、夾件接地電流的諧波進(jìn)行分析，不僅可以對(duì)事故做到早預(yù)防、早處理，還能為此類設(shè)備的狀態(tài)檢修提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。為此，本文通過(guò)采集換流變壓器鐵心、夾件接地電流的原始數(shù)據(jù)，分析研究其諧波特性，揭示諧波含有率與鐵心、夾件接地電流過(guò)大、跳動(dòng)之間的關(guān)系，并以計(jì)算出的諧波數(shù)據(jù)圖表，展現(xiàn)接地電流中全電流、基波、諧波電流的變化趨勢(shì)，以此驗(yàn)證鐵心、夾件接地電流的諧波特性。

1 接地電流過(guò)大且跳動(dòng)現(xiàn)象描述與問(wèn)題排查

1.1 現(xiàn)象描述

本文以某±500 kV高壓換流站的換流變壓器鐵心、夾件接地電流故障為案例進(jìn)行分析，針對(duì)換流變鐵心、夾件接地電流過(guò)大與跳動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究。該換流站也是國(guó)內(nèi)首個(gè)將兩端常規(guī)直流改造為三端常規(guī)直流[11-13]的換流站。該換流變壓器的直流額定容量為3 000 MW，其繞組采用Y/Y聯(lián)結(jié)方式。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，運(yùn)行維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)，換流變壓器鐵心、夾件接地電流值存在數(shù)值過(guò)大并且有異常跳動(dòng)的現(xiàn)象。以2022年6月25日12：00—15：40時(shí)段，負(fù)荷恒定2 700 MW時(shí)的數(shù)據(jù)為例，每3 min為1個(gè)周期進(jìn)行觀察，在線監(jiān)測(cè)裝置與手持式鉗表KEW2413F檢測(cè)到的接地電流值均存在幾毫安至幾十毫安的數(shù)據(jù)跳動(dòng)，見(jiàn)表1。

表1 負(fù)荷恒定2 700 MW時(shí)接地電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data of ground current under 2 700 MW constant load

由表1可以看出：夾件的接地電流值已超過(guò)2.7 A，跳動(dòng)范圍最大在84 mA；鐵心的接地電流值最大也能達(dá)到150 mA，電流值變化幅度在4.9 mA。說(shuō)明與常規(guī)變壓器相比，換流變壓器確實(shí)存在較大的鐵心、夾件接地電流。

目前還沒(méi)有規(guī)范對(duì)夾件的接地電流做出明確要求，但可以以鐵心的檢測(cè)規(guī)范為參考。根據(jù)Q/GDW 11368—2014 《變壓器鐵心接地電流帶電檢測(cè)技術(shù)》，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)符合以下要求：800 kV換流變壓器接地電流不超過(guò)300 mA(注意值)，其他變壓器不超過(guò)100 mA(注意值)。文中測(cè)試的換流變壓器為±500 kV等級(jí)，其接地電流值明顯大于100 mA注意值。因此，需要進(jìn)一步探究換流變鐵心、夾件接地電流基波、諧波和全電流之間的特性。

1.2 問(wèn)題排查

為了明確問(wèn)題原因，對(duì)鐵心和夾件接地電氣接線進(jìn)行測(cè)試分析，簡(jiǎn)化后的電氣原理示意圖如圖1所示。其中Ccore、Cclamp分別表示鐵心、夾件相對(duì)繞組及套管的等效電容量，下標(biāo)core和clamp分別表示與鐵心與夾件相關(guān)的變量，下同。

圖1 鐵心和夾件接地電氣原理圖Fig.1 Electrical principle schematic diagram of core and clamp grounding

首先使用手持式鉗表分別測(cè)試鐵心和夾件引出的接線排上的各支撐絕緣子[14-15]接地電流，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，這說(shuō)明各支撐絕緣子的絕緣性能良好，與外殼沒(méi)有出現(xiàn)短接情況。然后直接檢測(cè)本體上方鐵心、夾件引出的小磁套附近接線排處的接地電流，該方法與接地引線處檢測(cè)到的電流值相比基本一致。最后檢查該換流變壓器的其他部位，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鐵心、夾件接地排與換流變壓器殼體接觸現(xiàn)象，鐵心、夾件接地存在虛接或接觸不良現(xiàn)象，以及鐵心和夾件接地排之間短接情況。因此排除掉鐵心和夾件多點(diǎn)接地[16-17]、殼體短接、接地虛接等電氣連接異常的原因。為了更進(jìn)一步探究鐵心、夾件接地電流值過(guò)大與異常跳動(dòng)的問(wèn)題，需要進(jìn)一步分析鐵心、夾件接地電流原始信號(hào)。

2 接地電流測(cè)量方法

2.1 測(cè)試接線方法

本研究采用開(kāi)合式泄漏電流傳感器和接地電流監(jiān)測(cè)裝置對(duì)換流變壓器的鐵心、夾件接地電流進(jìn)行帶電測(cè)試。泄漏電流傳感器采集鐵心、夾件接地電流信號(hào)，傳感器輸出的電壓信號(hào)接入接地電流監(jiān)測(cè)裝置，得出鐵心、夾件接地電流的基波與2～50次各次諧波幅值。接地電流監(jiān)測(cè)裝置采樣率為25 600 Hz，能更真實(shí)地還原接地電流的原始波形，滿足2～50次諧波分析的需求。測(cè)試接線示意圖如圖2所示，其中CT為電流互感器。

圖2 測(cè)試接線示意圖Fig.2 Schematic diagram of test wiring

2.2 諧波分析方法

漢寧(Hanning)使用旁瓣互相抵消，可消去高頻干擾和漏能。與矩形窗譜圖相比，漢寧窗的主瓣加寬并降低旁瓣，旁瓣則明顯減小，旁瓣衰減速度也較快。由此可知，從減少泄漏角度出發(fā)，漢寧窗優(yōu)于矩形窗。測(cè)量的接地電流信號(hào)為多個(gè)頻率分量，頻譜表現(xiàn)十分復(fù)雜，且測(cè)試的信號(hào)是隨機(jī)或未知的，漢寧窗的選擇性也較矩形窗有所增加，所以選擇漢寧窗更為合適。

本研究采用漢寧窗插值快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)算法[18～20]，對(duì)換流變壓器鐵心、夾件接地電流的基波及諧波電流進(jìn)行分析。使用漢寧窗的方法可減小不同諧波電流之間的長(zhǎng)范圍泄漏問(wèn)題[21]，并通過(guò)插值算法修正柵欄效應(yīng)導(dǎo)致的觀測(cè)誤差，提高了分析精度。

本研究采用基2 FFT算法，首先對(duì)接地電流信號(hào)u(t)進(jìn)行每半個(gè)周期內(nèi)N個(gè)點(diǎn)采樣，得到離散采樣信號(hào)u(n)。然后對(duì)u(n)進(jìn)行加漢寧窗處理，得到其加窗后的表達(dá)式為

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

(1)

式中：t為時(shí)域周期時(shí)間；n為離散采樣點(diǎn)數(shù)；k為窗口中的樣本點(diǎn)。漢寧窗w(n)的時(shí)域表達(dá)式為

(2)

其次，對(duì)加窗后的序列進(jìn)行FFT插值運(yùn)算，得到如下頻譜函數(shù)：

(3)

最后，由頻譜函數(shù)進(jìn)一步得到各次諧波幅值、相位的計(jì)算公式如下：

(4)

式中φm為向量相位。

3 接地電流信號(hào)分析

3.1 接地電流基波數(shù)據(jù)

3.1.1 鐵心接地電流基波數(shù)據(jù)分析

多次測(cè)量換流變壓器鐵心接地電流，間隔時(shí)間為30 min，共計(jì)得到16組測(cè)量數(shù)據(jù)。以“極1011A”鐵心接地電流數(shù)據(jù)為例，根據(jù)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)，計(jì)算出鐵心接地電流的基波與全電流值，以及基波含有率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 鐵心接地電流測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Core grounding current measurement data

表3 鐵心接地電流計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of core grounding current

由表2和表3可以看出，多次測(cè)量的換流變壓器鐵心接地電流的全電流值在148.89～142.73 mA之間跳動(dòng)，基波波動(dòng)幅度為90.47～89.86 mA，波動(dòng)幅度較小，基波平均含有率基本為61.86%。將測(cè)得的16組數(shù)據(jù)繪制成鐵心接點(diǎn)全電流值與基波值折線圖(如圖3、圖4所示)，以便更直觀地展示出變化趨勢(shì)。

圖3 鐵心接地電流全電流變化折線圖Fig.3 Line diagram of full current change of core grounding current

圖4 鐵心接地電流基波變化折線圖Fig.4 Line diagram of fundamental current change of core grounding current

從圖3和圖4可以看到，換流變壓器鐵心接地電流的基波與全電流變化趨勢(shì)呈相反的相關(guān)性，即鐵心接地電流的全電流減小時(shí)基波增大，全電流增大時(shí)則基波減小。另外，因?yàn)殍F心接地電流基波變化幅度很小，為了更直觀觀察鐵心接地電流基波和全電流的變化趨勢(shì)，表4展示了鐵心接地電流變化趨勢(shì)描述情況。

表4 鐵心接地電流變化趨勢(shì)描述Tab.4 Description of change trend of core grounding current

表4中的電流變化趨勢(shì)是指本次測(cè)量與上次測(cè)量的對(duì)比結(jié)果，即本次測(cè)量結(jié)果比上次大即為“升”，反之記為“降”，從中可以更直觀看到換流變壓器鐵心接地電流的基波與全電流變化趨勢(shì)呈相反的相關(guān)性。

同時(shí)，對(duì)比分析鐵心接地電流的全電流與基波可知，換流變壓器鐵心接地電流的全電流波動(dòng)幅度在6 mA左右，鐵心接地電流基波波動(dòng)幅度不到1 mA，鐵心接地電流的基波分量穩(wěn)定在90 mA左右，其值小于變壓器鐵心接地電流規(guī)范中的注意值100 mA，但鐵心接地電流全電流值在146 mA左右，表明全電流中含有較多諧波。所以，繼續(xù)分析換流變壓器鐵心接地電流的諧波特性是有必要的。

僅參考換流變接地電流全電流值作為鐵心接地故障的判斷依據(jù)，不能完全反映出換流變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，需要結(jié)合鐵心接地電流基波值與諧波含有率等指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷。

3.1.2 夾件接地電流基波數(shù)據(jù)

與鐵心接地電流測(cè)試方法相同，對(duì)換流變壓器夾件接地電流，在8 h內(nèi)每隔30 min測(cè)量1次，共計(jì)16次。以“極1011A”夾件接地電流數(shù)據(jù)(見(jiàn)表5)為例，計(jì)算出夾件接點(diǎn)電流基波與全電流值，以及基波含有率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 夾件接地電流測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.5 Clamp grounding current analysis data

表6 夾件接地電流計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of clamp grounding current

由表5和表6可以看出：多次測(cè)量的換流變壓器夾件接地電流全電流值在2 839.54～2 757.23 mA之間波動(dòng)，基波在203.67～172.33 mA之間波動(dòng)，基波波動(dòng)幅度明顯小于全電流值；基波含有率為6.1%～7.4%，基波值占全電流值比例很小。

將表5中的夾件接地全電流值與基波值，繪制成折線圖，以便觀察鐵心接地電流的基波與全電流的變化趨勢(shì)，如圖5和圖6所示。

圖5 夾件接地電流全電流變化折線圖Fig.5 Line diagram of full current change of clamp grounding current

圖6 夾件接地電流基波變化折線圖Fig.6 Line diagram of fundamental current change of clamp grounding current

從圖5和圖6可以看出，夾件接地電流基波與全電流的變化趨勢(shì)沒(méi)有保持一致性，二者呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，即夾件接地電流全電流值增大時(shí)，夾件接地電流基波值減小。例如第1次測(cè)量時(shí)夾件接地電流的全電流值為2 792.82 mA，基波值191.90 mA，第2次測(cè)量時(shí)全電流增加到2 839.54 mA，基波反而減小至172.33 mA，而基波含有率減小0.8%，間接說(shuō)明對(duì)夾件接地電流全電流值變化起主要影響作用的是接地電流中包含的諧波電流。同時(shí)，對(duì)比分析夾件接地電流的全電流與基波可知，夾件接地電流的全電流值在8 h測(cè)量周期內(nèi)最大波動(dòng)82.32 mA，基波值波動(dòng)31.33 mA，基波值的波動(dòng)幅度小于全電流值。

目前還沒(méi)有規(guī)范明確換流變壓器夾件接地電流的注意值，參考對(duì)比鐵心接地電流的全電流值與接地電流注意值，同時(shí)分析多次測(cè)量的夾件接地電流全電流與基波，可以發(fā)現(xiàn)平均2 793.93 mA的全電流值中，基波只有192.62 mA，占比6.89%，基波值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于全電流值。因此夾件接地電流的注意值不能僅關(guān)注全電流值。

與換流變壓器鐵心接地電流分析得到的結(jié)果一樣，繼續(xù)分析換流變壓器鐵心接地電流的諧波特性是有必要的。只參考換流變壓器接地電流全電流值作為鐵心接地故障的判斷依據(jù)，不能完全反映出換流變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，需要結(jié)合鐵心接地電流基波值與諧波含有率等指標(biāo)做綜合判斷。

3.2 接地電流諧波含有率

3.2.1 鐵心接地電流諧波含有率

根據(jù)監(jiān)測(cè)裝置采集到的夾件接地電流信號(hào)采樣值，以“極1011A”鐵心接地電流數(shù)據(jù)為例，根據(jù)傳感器輸出的接地電流原始數(shù)據(jù)，對(duì)2～50次諧波進(jìn)行分析，此次數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻記為T(mén)1，各次諧波含有率及幅值數(shù)據(jù)見(jiàn)表7(其中全電流值145.87 mA，基波91.48 mA，基波含有率62.71%)，得出的諧波含有率柱狀圖如圖7所示。

圖7 “極1011A”鐵心接地電流諧波含有率Fig.7 Harmonic rate of grounding current of pole 1011A core

表7 T1時(shí)刻鐵心諧波數(shù)據(jù)Tab.7 Core harmonic data at time T1

由圖7看出鐵心接地電流中同樣含有較大含量的諧波分量，包含2～50次諧波，其中48次諧波含有率達(dá)到25.20%。鐵心145.87 mA的總電流里，基波91.48 mA，占比62.71%，總畸變率59.46%。

3.2.2 夾件接地電流諧波含有率

根據(jù)監(jiān)測(cè)裝置采集到的夾件接地電流信號(hào)采樣值，以“極1011A”夾件接地電流數(shù)據(jù)為例，使用傳感器輸出的接地電流原始數(shù)據(jù)(見(jiàn)表8，其中全電流值2 792.8 mA，基波191.9 mA，基波含有率6.9%)，對(duì)2～50次諧波進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻記為T(mén)1，得出諧波含有率柱狀圖如圖8所示。

圖8 極1011A夾件接地電流諧波含有率Fig.8 Harmonic rate of clamp grounding current of pole 1011A

表8 T1時(shí)刻夾件諧波數(shù)據(jù)Tab.8 Harmonic data of clamp at time T1

由表8、圖8可以看出：夾件接地電流中包含2～50次諧波，其中4次諧波含有率最小，僅為0.4%，48次諧波含量最大達(dá)到65.7%；奇次諧波與偶次諧波含有率無(wú)明顯差別。夾件2 792.8 mA的總電流里，基波只有191.9 mA，占比6.9%，其余全為諧波電流，總畸變率達(dá)到1 355.34%。

3.3 接地電流諧波變化幅度

3.3.1 鐵心接地電流諧波變化幅度

在T1時(shí)刻10周波(200 ms)后的采樣時(shí)刻記為T(mén)2，與對(duì)T1時(shí)刻的分析方法相同，對(duì)T2時(shí)刻鐵心接地電流進(jìn)行諧波分析，將得到的2～50次諧波數(shù)據(jù)與T1時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，2個(gè)時(shí)刻夾件接地諧波變化數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

表9 T1與T2時(shí)刻鐵心接地電流諧波變化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次諧波變化量超過(guò)10%，奇次偶次諧波含有率大小無(wú)明顯區(qū)別，但35～50次諧波含量整體大于2～34次諧波?；ǚ底兓繛?.09 mA，全電流幅值變化量3.35 mA。T1與T2時(shí)刻相差200 ms，可以看出鐵心接地電流各次諧波幅值變化較快，由此造成檢測(cè)到的鐵心接地電流數(shù)值不停跳動(dòng)。

3.3.2 夾件接地電流諧波變化幅度分析

與對(duì)T1時(shí)刻的分析方法相同，對(duì)T2時(shí)刻夾件接地電流進(jìn)行諧波分析，將得到的2～50次諧波數(shù)據(jù)與T1時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，2個(gè)時(shí)刻夾件接地電流諧波變化數(shù)據(jù)見(jiàn)表10。

由表10可知，7、9、18、29、31、33、40、41、43、45、46、50次諧波變化量超過(guò)50 mA?；ㄗ兓?.41 mA，全電流變化幅度達(dá)到33.58 mA。T1與T2時(shí)刻相差20 0ms，各次諧波幅值變化較快，這是造成檢測(cè)到的夾件接地電流數(shù)值不停跳動(dòng)的主要原因。

4 結(jié)論

本研究得出以下結(jié)論：

a)換流變壓器鐵心、夾件接地電流至少包含2～50次諧波，且基波與全電流呈相反的變化趨勢(shì)。

b)換流變壓器鐵心、夾件接地電流全電流值快速跳動(dòng)由2～50次諧波含有率不停變化引起，但基波波動(dòng)幅度明顯小于全電流值。

c)換流變壓器鐵心、夾件接地電流諧波總畸變率較大，全電流值遠(yuǎn)大于基波值，因此結(jié)合鐵心接地電流基波值與各次諧波含有率等指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷，能更有效評(píng)判換流變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。