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一次励磁涌流导致的换相失败事故

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摘要：2015年8月5日，±800kV云广直流输电工程穗东换流站极二高端阀组在复电过程中发生了其余三阀组换相失败的事故，本文通过对发生事故时刻故障录波的数据进行分析，找到了导致换相失败的原因是换流变合闸时产生的励磁涌流，并根据其他时候的合闸波形，进一步得到了导致励磁涌流的原因是铁芯剩磁。根据铁芯剩磁的特性，本文给出了相应的改进措施。

关键字：换相失败；励磁涌流；铁芯剩磁；Simulink

1事件经过简述

2015年8月5日，±800kV穗东换流站极二高阀组在复电过程中，换流变开关合闸时，其余三阀组均发生了换相失败。当时，相应的故障录波如图1所示：

图1发生换相失败时极二高端阀组换流变三相阀侧电压与网侧电流波形图

由于换流变合闸优化装置的作用，从阀侧电压波形可以看出两次合闸的时间点都是相同的，但是8月5日合闸后，换流变网侧出现了励磁涌流，使电压波形发生了较大的畸变，随后发生了其余阀组的换相失败，在电压波形恢复接近正弦后，换相失败消失。因此，合闸导致的励磁涌流可能就是8月5日的三阀组换相失败的原因。

2铁芯剩磁与励磁涌流

2.1造成励磁涌流的原因[1][2]

由于铁芯磁通不能突变，当合闸时，铁芯磁通不能突变，因此，磁通变化量只能由原边电流补偿。此时原边的电流就是励磁涌流。

为了减小励磁涌流，当铁芯没有剩磁的状态下，把变压器的合闸点选择在电压变化率最小的时刻，即初相为90°或270°时，根据电磁感应公式，铁芯的自然磁感强度变化率也为0，此时原边就不需要产生暂态磁通分量抵消不能瞬变的铁芯磁通，因此可以很好地消除励磁涌流。

但是，当铁芯存在剩磁时，如果继续选择90°或270°为合闸点，由于此时铁芯已经有了磁通，根据磁化曲线，此时合闸仍然会产生励磁涌流。因此，有剩磁的情况下，若要消除励磁涌流，则应选择其它时刻的合闸点[3]。

2.2Simulink建模仿真

2.2.1模型简述

由于换流变各相为单独合闸，三相没有共用的铁芯，且换流站的所处的电网短路容量较大，因此可将合闸模型简化为单相换流变。使用Simulink建立如图3的仿真模型[4]：

图3Simulink换流变合闸模型

根据已有参数，计算出换流变的T型等效电路参数，并以初始相位为0°时，励磁涌流最大值为额定电流3倍作为条件，拟合近似的铁芯磁化曲线。将上述参数代入图3的模型。

2.2.2铁芯无剩磁时

当铁芯无剩磁时，以初始相位90°合闸，此时，由于在电压变化率最低点合闸，换流变对电网而言是一个阻抗巨大的RL串联负荷，原边电流非常小，对电网的冲击极小。这也正是该站换流变开关合闸时刻优化装置的选择的最优合闸点。

2.2.3铁芯有剩磁时

当铁芯有剩磁时，若仍然以90°为合闸相位，根据磁化曲线，换流变原边仍然要产生暂态磁通抵消剩磁，励磁涌流会在原边绕组中不可避免地产生。设铁芯中的剩磁为0.8pu，开关在初始相位为90°时进行合闸，即使开关已经按照90°的角度进行合闸，原边中仍然产生了巨大的励磁涌流。

3闭锁过程中换流变的电流变化

极二高端阀组在8月5日合闸前，在闭锁时刻，触发角减小至120°以下，此时由于换相齿的作用，熄弧角反而会减小，当触发角达到一定的角度时，熄弧角会降至0°。从电流波形可以看见，当熄弧角降到0°后，A相电流急剧增加，其中Y/YA相电流达到922A，Y/△A相电流达到1083A，两者均超过相应换流变的额定电流，过大的电流使换流变铁芯越过饱和点。此后，电流迅速降为0，闭锁过程结束。

4改进措施

4.1铁芯去磁

如果不对变压器合闸角度进行优化，铁芯剩磁就会导致励磁涌流，因此，可以在阀组复电前增加铁芯去磁的步骤。将换流变在正常合闸时刻合闸后产生励磁涌流的因素消去。

4.2合闸时刻优化

根据2.1章节的结论，当铁芯有剩磁时，可根据剩磁的大小计算出最优的合闸时刻。根据文献，若铁芯中有剩磁时，依据公式4计算出Topen的大小，并将若将Topen作为公式3中的合闸初始相角a。当铁芯中有0.8pu的剩磁时，根据上述计算过程将合闸时刻推迟到初始相交108°，合闸后，变压器原边电流如图7所示：

图7铁芯剩磁0.8pu，合闸相位108°时的合闸原边电流

可见，即使铁芯有较大剩磁，励磁涌流亦可全部消失。

5结论

本文根据故障录波文件，对换流变合闸时刻各相电流和电压波形进行分析，并根据实际运行参数使用MATLAB/SIMULINK对合闸时刻各相关设备进行仿真，换相失败时刻的录波数据以及仿真结果都表明导致换相失败的原因为铁芯剩磁。根据铁芯剩磁的形成机理，本文给出了复电前消磁以及根据剩磁的测量值，重新计算合闸角度的解决方式。仿真结果表明，可以有效消除剩磁导致的励磁涌流。

参考文献：

[1]何越,熊元新,姜山,徐迎,魏徐.变压器空载合闸励磁涌流的仿真分析