苗彭，王啟斌，武文杰，占南，林楓

(1.長園共創(chuàng)監(jiān)測技術(南京)有限公司，江蘇 南京 210003；2.江蘇師范大學 科文學院，江蘇 徐州 221116)

換流變壓器是高壓直流輸電工程的關鍵設備，也是整流、逆變兩端接口的核心設備，是工程取得發(fā)電效益的關鍵，也為直流輸電系統(tǒng)的安全運行提供重要保障[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，進而導致?lián)Q流變壓器中裝有的非線性負載換流器[6-7]存在大量諧波電流。文獻[8]指出，換流閥非線性成分很高，在換流閥不斷導通和關斷構(gòu)成的整流與逆變過程中，會產(chǎn)生很大的諧波成分。文獻[9]通過計算閥側(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[10]分析了特高壓換流變壓器繞組電流諧波對變壓器損耗、內(nèi)部溫升及振動噪聲等的影響，研究了不同次諧波畸變率和總諧波畸變率的變化趨勢。

對鐵心、夾件接地電流的諧波進行分析，不僅可以對事故做到早預防、早處理，還能為此類設備的狀態(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、夾件接地電流過大、跳動之間的關系，并以計算出的諧波數(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，以此驗證鐵心、夾件接地電流的諧波特性。

1 接地電流過大且跳動現(xiàn)象描述與問題排查

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行分析，針對換流變鐵心、夾件接地電流過大與跳動問題進行研究。該換流站也是國內(nèi)首個將兩端常規(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)測過程中，運行維護人員發(fā)現(xiàn)，換流變壓器鐵心、夾件接地電流值存在數(shù)值過大并且有異常跳動的現(xiàn)象。以2022年6月25日12：00—15：40時段，負荷恒定2 700 MW時的數(shù)據(jù)為例，每3 min為1個周期進行觀察，在線監(jiān)測裝置與手持式鉗表KEW2413F檢測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，見表1。

表1 負荷恒定2 700 MW時接地電流監(jiān)測數(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2.7 A，跳動范圍最大在84 mA；鐵心的接地電流值最大也能達到150 mA，電流值變化幅度在4.9 mA。說明與常規(guī)變壓器相比，換流變壓器確實存在較大的鐵心、夾件接地電流。

目前還沒有規(guī)范對夾件的接地電流做出明確要求，但可以以鐵心的檢測規(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技術》，檢測結(jié)果應符合以下要求：800 kV換流變壓器接地電流不超過300 mA(注意值)，其他變壓器不超過100 mA(注意值)。文中測試的換流變壓器為±500 kV等級，其接地電流值明顯大于100 mA注意值。因此，需要進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 問題排查

為了明確問題原因，對鐵心和夾件接地電氣接線進行測試分析，簡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、夾件相對繞組及套管的等效電容量，下標core和clamp分別表示與鐵心與夾件相關的變量，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，沒有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，這說明各支撐絕緣子的絕緣性能良好，與外殼沒有出現(xiàn)短接情況。然后直接檢測本體上方鐵心、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。為了更進一步探究鐵心、夾件接地電流值過大與異常跳動的問題，需要進一步分析鐵心、夾件接地電流原始信號。

2 接地電流測量方法

2.1 測試接線方法

本研究采用開合式泄漏電流傳感器和接地電流監(jiān)測裝置對換流變壓器的鐵心、夾件接地電流進行帶電測試。泄漏電流傳感器采集鐵心、夾件接地電流信號，傳感器輸出的電壓信號接入接地電流監(jiān)測裝置，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)測裝置采樣率為25 600 Hz，能更真實地還原接地電流的原始波形，滿足2～50次諧波分析的需求。測試接線示意圖如圖2所示，其中CT為電流互感器。

圖2 測試接線示意圖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。測量的接地電流信號為多個頻率分量，頻譜表現(xiàn)十分復雜，且測試的信號是隨機或未知的，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]，對換流變壓器鐵心、夾件接地電流的基波及諧波電流進行分析。使用漢寧窗的方法可減小不同諧波電流之間的長范圍泄漏問題[21]，并通過插值算法修正柵欄效應導致的觀測誤差，提高了分析精度。

本研究采用基2 FFT算法，首先對接地電流信號u(t)進行每半個周期內(nèi)N個點采樣，得到離散采樣信號u(n)。然后對u(n)進行加漢寧窗處理，得到其加窗后的表達式為

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

(1)

式中：t為時域周期時間；n為離散采樣點數(shù)；k為窗口中的樣本點。漢寧窗w(n)的時域表達式為

(2)

其次，對加窗后的序列進行FFT插值運算，得到如下頻譜函數(shù)：

(3)

最后，由頻譜函數(shù)進一步得到各次諧波幅值、相位的計算公式如下：

(4)

式中φm為向量相位。

3 接地電流信號分析

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

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

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

表3 鐵心接地電流計算結(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，基波波動幅度為90.47～89.86 mA，波動幅度較小，基波平均含有率基本為61.86%。將測得的16組數(shù)據(jù)繪制成鐵心接點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。

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呈相反的相關性，即鐵心接地電流的全電流減小時基波增大，全電流增大時則基波減小。另外，因為鐵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，表4展示了鐵心接地電流變化趨勢描述情況。

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

表4中的電流變化趨勢是指本次測量與上次測量的對比結(jié)果，即本次測量結(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呈相反的相關性。

同時，對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幅度在6 mA左右，鐵心接地電流基波波動幅度不到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進行綜合判斷。

3.1.2 夾件接地電流基波數(shù)據(jù)

與鐵心接地電流測試方法相同，對換流變壓器夾件接地電流，在8 h內(nèi)每隔30 min測量1次，共計16次。以“極1011A”夾件接地電流數(shù)據(jù)(見表5)為例，計算出夾件接點電流基波與全電流值，以及基波含有率，計算結(jié)果見表6。

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

表6 夾件接地電流計算結(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，基波在203.67～172.33 mA之間波動，基波波動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，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沒有保持一致性，二者呈現(xiàn)相反的變化趨勢，即夾件接地電流全電流值增大時，夾件接地電流基波值減小。例如第1次測量時夾件接地電流的全電流值為2 792.82 mA，基波值191.90 mA，第2次測量時全電流增加到2 839.54 mA，基波反而減小至172.33 mA，而基波含有率減小0.8%，間接說明對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，對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測量周期內(nèi)最大波動82.32 mA，基波值波動31.33 mA，基波值的波動幅度小于全電流值。

目前還沒有規(guī)范明確換流變壓器夾件接地電流的注意值，參考對比鐵心接地電流的全電流值與接地電流注意值，同時分析多次測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%，基波值遠遠小于全電流值。因此夾件接地電流的注意值不能僅關注全電流值。

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)測裝置采集到的夾件接地電流信號采樣值，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2～50次諧波進行分析，此次數(shù)據(jù)采樣時刻記為T1，各次諧波含有率及幅值數(shù)據(jù)見表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)測裝置采集到的夾件接地電流信號采樣值，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2～50次諧波進行分析，數(shù)據(jù)采樣時刻記為T1，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次諧波含量最大達到65.7%；奇次諧波與偶次諧波含有率無明顯差別。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時刻10周波(200 ms)后的采樣時刻記為T2，與對T1時刻的分析方法相同，對T2時刻鐵心接地電流進行諧波分析，將得到的2～50次諧波數(shù)據(jù)與T1時刻數(shù)據(jù)進行對比，2個時刻夾件接地諧波變化數(shù)據(jù)見表9。

表9 T1與T2時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10%，奇次偶次諧波含有率大小無明顯區(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，由此造成檢測到的鐵心接地電流數(shù)值不停跳動。

3.3.2 夾件接地電流諧波變化幅度分析

與對T1時刻的分析方法相同，對T2時刻夾件接地電流進行諧波分析，將得到的2～50次諧波數(shù)據(jù)與T1時刻數(shù)據(jù)進行對比，2個時刻夾件接地電流諧波變化數(shù)據(jù)見表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50 mA。基波變化量6.41 mA，全電流變化幅度達到33.58 mA。T1與T2時刻相差20 0ms，各次諧波幅值變化較快，這是造成檢測到的夾件接地電流數(shù)值不停跳動的主要原因。

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。

b)換流變壓器鐵心、夾件接地電流全電流值快速跳動由2～50次諧波含有率不停變化引起，但基波波動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進行綜合判斷，能更有效評判換流變壓器的運行狀態(tài)。