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        直流輸電電磁涌流的解決方案優(yōu)化

        2020-08-08 02:58:56陳英
        石油和化工設(shè)備 2020年7期
        關(guān)鍵詞:預(yù)充電閥組接觸器

        陳英

        (中海石油(中國)有限公司湛江分公司, 廣東 湛江 524057)

        1 引言

        海上采油平臺的采油、外輸?shù)葎恿υ匆约巴ㄓ嵲O(shè)備都是由鋪設(shè)在海底的電纜輸送。海底電纜發(fā)生故障會嚴(yán)重影響采油井的正常生產(chǎn),造成重大生產(chǎn)損失。中海油某海上平臺由于海底電纜紅相擊穿,故改造為直流進行輸電,即將高壓交流電通過中心平臺整流站整流成直流,通過兩相完好的海底電纜進行輸送電能,通過井口平臺逆變站將直流電逆變成油田需要的交流電,再供平臺自用。

        2 直流輸電結(jié)構(gòu)

        直流輸電由一個整流站和一個逆變站組成,整流站設(shè)在中心平臺,逆變站設(shè)在井口平臺,中間由30km海底電纜相連。中心平臺將10.5kV交流電通過整流站整流為15kV直流電,并通過海底電纜輸送給平臺5逆變站,逆變成400V/35kV,50Hz的交流電供本平臺用電并為下游用戶提供電力供應(yīng)。中心平臺整流站由兩極組成,每極分別由1臺移相變壓器和12個功率單元組成。移相變壓器在合閘瞬間會產(chǎn)生電磁涌流,對海上平臺小微電網(wǎng)沖擊巨大。

        圖1 直流輸電結(jié)構(gòu)圖

        3 勵磁涌流的特點及危害

        3.1 勵磁涌流的產(chǎn)生

        電力變壓器空載投入電網(wǎng)時,由于鐵芯剩磁的存在,導(dǎo)致合閘瞬間剩磁與新建立的磁場相互疊加,而變壓器鐵芯勵磁材料具有非線性特性,造成合閘磁通飽和,勵磁電流成百倍增長,從而產(chǎn)生勵磁涌流。

        3.2 勵磁涌流的特點

        涌流含有數(shù)值很大的高次諧波分量,主要是偶次諧波,因此,勵磁涌流的變化曲線為尖頂波。勵磁涌流的數(shù)值很大,最大可達額定電流的10~25倍。勵磁涌流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關(guān),飽和越深,電抗越小,衰減越快。因此,在開始瞬間衰減很快,以后逐漸減慢,持續(xù)時間為數(shù)十周波到數(shù)秒。一般情況下,變壓器容量越大,衰減的持續(xù)時間越長,但總的趨勢是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。

        圖2 勵磁涌流數(shù)值曲線

        3.3 勵磁涌流的危害

        (1)諧波造成電網(wǎng)污染及發(fā)熱。

        (2)涌流峰值會造成電源側(cè)開關(guān)柜保護跳閘,引起大面積斷電。

        (3)涌流峰值會造成發(fā)電機差動保護跳閘,引起大面積斷電。

        (4)涌流峰值會造成保護開關(guān)燒熔。

        4 直流輸電解決系統(tǒng)及改造

        4.1 直流輸電預(yù)充電原設(shè)計方案

        為解決啟動沖擊問題,在設(shè)計階段即設(shè)計了預(yù)充電回路。預(yù)充電回路由充電電阻,輸入輸出接觸器構(gòu)成。中心平臺至井口平臺直流輸電設(shè)備啟動的原理如圖3所示,平臺供電進線為10kV主電網(wǎng)直接供電,10kV母線電壓經(jīng)平臺主變壓器降壓后變換為400V平臺主電,平臺主變壓器為DY11組別,即變壓器副邊400V電壓相位超前變壓器原邊10kV母線電壓30°相位角。

        圖3 改造前直流輸電系統(tǒng)預(yù)充電原理圖

        直流輸電設(shè)備輸入移組變壓器主進線為10kV母線電壓,由于直流輸電設(shè)備閥組由功率開關(guān)管和直流電容器組成,直流電容器直接合閘供電時會產(chǎn)生非常大的沖擊電流,容易引起設(shè)備損壞甚至威脅平臺10kV主電網(wǎng)安全,故直流輸電設(shè)備啟動前需要進行預(yù)充電。

        4.2 預(yù)充電系統(tǒng)存在的問題

        直流輸電多繞組變壓器除為功率閥組供電的副邊繞組外,還設(shè)計了預(yù)充電的輔助第三繞組,設(shè)備啟動前控制系統(tǒng)先控制預(yù)充電接觸器KM12和KM13合閘,三相400V動力電源通過預(yù)充電電阻R和直流輸電變壓器輔助第三繞組為直流輸電閥組預(yù)充電,由于充電電阻R的限流作用,功率閥組直流電容兩端的電壓逐漸升高,避免了直接合閘產(chǎn)生的沖擊電流。功率閥組預(yù)充電結(jié)束后,需要先斷開預(yù)充電接觸器KM12和KM13,之后再將直流輸電設(shè)備進線接觸器QF合閘。確認(rèn)QF可靠合閘后,再將KM11接觸器閉合,輔助第三繞組輸出400V電壓為控制系統(tǒng)提供第二路動力電源,保證了直流輸電設(shè)備控制系統(tǒng)電源的可靠性。由于KM12和KM13分閘到QF接觸器合閘之間的時間間隔很短,引起QF合閘時功率閥組直流電容兩端的電壓仍然很高,QF合閘不會對功率閥組造成電流沖擊。但由于QF合閘前輔助第三繞組的400V交流電壓已經(jīng)斷開,因此直流輸電多繞組變壓器已經(jīng)完全斷電,閉合QF高壓接觸器時由于變壓器勵磁涌流作用的影響,10kV主電網(wǎng)母線電壓會出現(xiàn)明顯跌落,導(dǎo)致部分開關(guān)柜綜合保護裝置低電壓報警。同時,由于長時間運行和受潮引起的系統(tǒng)絕緣性能下降,預(yù)充電過程中系統(tǒng)漏電流增大,導(dǎo)致預(yù)充電電阻R上的充電壓降增加,最終導(dǎo)致預(yù)充電電壓不足,系統(tǒng)預(yù)充電失敗。

        4.3 預(yù)充電系統(tǒng)改造方案

        根據(jù)原理分析,為避免系統(tǒng)啟動時出現(xiàn)預(yù)充電失敗的情況,需要對系統(tǒng)預(yù)充電電阻R進行改進,重新設(shè)計預(yù)充電電阻阻值和功率。理論上減小充電電阻阻值即可減小充電過程中預(yù)充電電阻R上的充電壓降,從而使預(yù)充電過程中功率閥組直流電容兩端電壓可以達到更高水平,減小甚至消除預(yù)充電失敗的概率。但在減小充電電阻阻值的同時,需要對充電電阻的發(fā)熱情況進行分析和計算,以合理設(shè)計充電電阻功率,避免因發(fā)熱嚴(yán)重導(dǎo)致充電電阻損壞。

        為了避免直流輸電變壓器進線高壓合閘時出現(xiàn)勵磁涌流沖擊,則需要在高壓合閘時保持預(yù)充電回路接觸器KM12和KM13閉合,等待高壓進線開關(guān)QF閉合之后再分開預(yù)充電回路接觸器KM12和KM13,由于直流輸電變壓器未出現(xiàn)完全失電的情況,則進線高壓合閘時不會出現(xiàn)明顯的勵磁涌流沖擊。但由于預(yù)充電回路電源和進線10kV高壓電源之間的等效阻抗很小,因此為實現(xiàn)上述操作,必須保證預(yù)充電回路電源和進線10kV高壓電源電壓幅值滿足直流輸電變壓器繞組變比關(guān)系同時兩組電源相位同步。根據(jù)之前的分析,平臺主變組別為DY11,所以平臺上的400V電源在相位關(guān)系上會超前10kV主電網(wǎng)電源30°相位角,而直流輸電變壓器原邊主繞組和輔助第三繞組為YY0組別,故為實現(xiàn)上述操作,必須將預(yù)充電回路電源相位延遲30°。所以在直流輸電預(yù)充電回路系統(tǒng)中需要加入一個調(diào)相變壓器,變壓器輸入和輸出電壓之間存在30°相位差。綜合上述分析,改造后的充電系統(tǒng)原理圖如圖4所示。通過調(diào)相變壓器保證直流輸電變壓器原邊主繞組10kV電壓和預(yù)充電回路400V電源電壓幅值滿足變壓器變比關(guān)系,同時兩電源相位完全同步。在充電過程中當(dāng)功率閥組直流電壓達到閥值后可以先合進線開關(guān)QF,之后再分預(yù)充電回路接觸器KM12和KM13,控制系統(tǒng)備用電源接觸器KM11,可以避免勵磁涌流沖擊。

        圖4 改造后直流輸電系統(tǒng)啟動原理圖

        4.4 預(yù)充電系統(tǒng)改造效果

        2016年5月10日停產(chǎn)大修期間,對中心平臺直流輸電設(shè)備整流站預(yù)充電系統(tǒng)進行了改造,更換了新的充電回路電阻,同時增加了調(diào)相變壓器以保證系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)改造方案設(shè)計的充電邏輯。進過現(xiàn)場測試,改造前400V充電回路電源與10kV進行高壓電源之間確實存在30°的相位差,測試波形如圖5所示。由于兩電源相位不同步,因此不能實行先合進線開關(guān)QF再分預(yù)充電回路接觸器KM12和KM13的操作邏輯,否則兩兩位不同的電源并聯(lián)會形成較大環(huán)流,損壞設(shè)備甚至危及電網(wǎng)安全。

        圖5 改造前預(yù)充電電源和高壓相位差

        加入調(diào)相變壓器后,預(yù)充電回路電源相位被延后了30°,則預(yù)充電回路電源和進行高壓電源相位完全同步,示波器測得的兩電源相位關(guān)系如圖6所示。同時由于兩電源電壓幅值滿足直流輸電變壓器變比關(guān)系,因此兩電源可以短時間并聯(lián)運行,滿足了改造方案充電操作邏輯的要求。廠家研發(fā)人員修改控制程序中的預(yù)充電動作邏輯,經(jīng)低壓測試驗證邏輯正確后開始實際高壓測試?,F(xiàn)場測試確認(rèn)變壓器合閘沖擊電流由之前的幾百安培降低至幾十安培,預(yù)充電和變壓器合閘過程對10kV主電網(wǎng)基本不產(chǎn)生任何影響。而由于重新設(shè)計和更換了預(yù)充電回路充電電阻,充電過程中功率閥組直流電壓可以由之前的500V左右提高至600V以上,預(yù)充電失敗的情況不會再次出現(xiàn)。

        圖6 改造后預(yù)充電電源和高壓相位同步

        5 結(jié)論

        直流輸電移相變壓器功率在小微電網(wǎng)中占比較大,空載合閘瞬間將會產(chǎn)生較大的電磁涌流,進而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定,在系統(tǒng)中增加與充電回路可以有效的減小電磁涌流的影響。但當(dāng)預(yù)充電回路與電網(wǎng)存在相位差時,變壓器鐵芯預(yù)充磁時形成的磁場將與新建立的磁場相互疊加,而變壓器鐵芯勵磁材料具有非線性特性,造成合閘磁通飽和,勵磁電流成百倍增長,從而產(chǎn)生更嚴(yán)重的勵磁涌流。

        通過調(diào)相變壓器,將預(yù)充磁回路相位調(diào)整到與電網(wǎng)相同后,變壓器合閘涌流基本消失,系統(tǒng)啟動合閘時對10kV主電網(wǎng)影響明顯減小,極大地方便了直流輸電設(shè)備的運行操作和維護工作,同時也有效地提高了系統(tǒng)供電的及時性和穩(wěn)定性。

        ◆參考文獻

        [1] 王仁祥. 電力新技術(shù)概論[M].北京:中國電力出版社,2009.

        [2] 傅知蘭主編. 電力系統(tǒng)電氣設(shè)備選擇與實用計算[M].北京:中國電力出版社,2004.

        [3] 劉天琪,邱曉燕. 電力系統(tǒng)分析理論[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

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