閆 石

(深圳市機(jī)場(集團(tuán))有限公司,廣東 深圳 518128)

0 引 言

在城市軌道交通、電化學(xué)工業(yè)的供電系統(tǒng)中廣泛使用的整流變壓器不同于常規(guī)的Yd或Dy聯(lián)結(jié)的配電變壓器,有其特殊之處。本文對整流變壓器的聯(lián)結(jié)組別、移相原理進(jìn)行分析,采用對稱分量法對整流變壓器的短路故障特征進(jìn)行分析,并應(yīng)用電磁暫態(tài)仿真軟件(PSCAD/EMTDC)搭建等效模型,與理論分析進(jìn)行對比驗(yàn)證,供同行參考。

1 整流變壓器

城市軌道交通、電化學(xué)工業(yè)的供電系統(tǒng)普遍采用24脈波整流方式以減少大功率整流機(jī)組對城市電網(wǎng)的諧波污染。為實(shí)現(xiàn)24脈波整流方式,通常采用2臺軸向雙分裂四繞組結(jié)構(gòu)的整流變。軸向雙分裂四繞組整流變的一相芯柱上裝有網(wǎng)側(cè)2組繞組與閥側(cè)2組繞組。網(wǎng)側(cè)2組繞組并聯(lián),均為延邊三角形聯(lián)結(jié),能形成3次諧波電流通路,以避免感應(yīng)電壓畸變并且使電壓移相。閥側(cè)2組繞組沿鐵芯軸向上下布置,分別為y聯(lián)結(jié)與d聯(lián)結(jié),分裂成2個(gè)支路,線電壓形成30°相位差,較大的分裂阻抗可以替代平衡電抗器,以避免整流橋并聯(lián)后的鉗位現(xiàn)象。2臺整流變的網(wǎng)側(cè)線電壓分別移相+7.5°、-7.5°,使閥側(cè)線電壓間形成15°或45°相位差。能形成24脈波的變壓器聯(lián)結(jié)組別很多,以制造、運(yùn)維便利的D(-7.5°)y5d0聯(lián)結(jié)、D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié)為例進(jìn)行分析。圖1、圖2所示為D(-7.5°)y5d0聯(lián)結(jié)、D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié),圖3、圖4所示為其相量。

圖1 D(-7.5°)y5d0聯(lián)結(jié)

圖2 D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié)

圖3 D(-7.5°)y5d0相量

圖4 D(+7.5°)y7d2相量

(1)

為使系統(tǒng)線電壓移相-7.5°,則有

(2)

(3)

移相繞組與主繞組匝數(shù)比:

(4)

延邊三角形的移相繞組、主繞組的電流:

(5)

忽略勵(lì)磁電流,根據(jù)磁動勢平衡,可得

(6)

式中:NY、NZ、Ny、Nd分別為網(wǎng)側(cè)移相繞組、主繞組與閥側(cè)y聯(lián)結(jié)繞組、d聯(lián)結(jié)繞組的匝數(shù)。

若網(wǎng)側(cè)主繞組電流與閥側(cè)繞組電流的相位差為β,則有

(7)

結(jié)合式(4)、式(5)可知

(8)

對于D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié),同理可得

(9)

(10)

(11)

(12)

圖5 閥側(cè)線電壓相量

2 建模仿真

采用PSCAD/EMTDC對前述分析進(jìn)行建模仿真驗(yàn)證[1-5]。D(-7.5°)y5d0、D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié)的整流變模型可通過元件庫中的3個(gè)單相自耦變壓器元件、3個(gè)單相三繞組變壓器元件構(gòu)成,如圖6、圖7所示。根據(jù)式(1)～(3)可知,單相自耦變壓器元件中的高電壓(high voltage, HV)設(shè)置為Uφφ0+Uφ0φ0,即延邊三角形的移相繞組電壓與主繞組電壓之和;低電壓(low voltage, LV)設(shè)置為Uφ0φ0,即延邊三角形的主繞組電壓。由于3個(gè)單相自耦變壓器元件是用來實(shí)現(xiàn)移相的,實(shí)際中是不存在的,其容量可設(shè)置較大,漏抗則設(shè)置為接近0的最小值,以滿足短路阻抗接近0。由于整流變網(wǎng)側(cè)的2個(gè)繞組并聯(lián),可用3個(gè)單相三繞組變壓器元件實(shí)現(xiàn)Dyd聯(lián)結(jié),單相三繞組變壓器原邊繞組電壓設(shè)置與單相自耦變壓器元件的LV電壓相同,副邊繞組電壓則分別設(shè)置為整流變的額定線電壓、相電壓。原、副邊繞組間漏抗設(shè)置為整流變的短路阻抗,容量設(shè)置為整流變?nèi)萘康?/3。仿真3 300 kVA,35/1.18/1.18 kV,8%、13%、20%的D(-7.5°)y5d0整流變的短路試驗(yàn)(如圖8所示),得出的穿越阻抗29.801 Ω與計(jì)算值29.697 Ω相符,得出的半穿越阻抗48.361 Ω與計(jì)算值48.258 Ω相符,得出的分裂阻抗0.084 Ω與計(jì)算值0.084 4 Ω(1.18 kV側(cè))相符。仿真2臺整流變帶對稱電抗負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電壓、電流波形如圖9、圖10所示,與第1節(jié)的理論分析相符。

圖6 D(-7.5°)y5d0聯(lián)結(jié)模型

圖7 D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié)模型

圖8 D(-7.5°)y5d0聯(lián)結(jié)模型阻抗值

圖9 D(-7.5°)y5d0與D(+7.5°)y7d2的電壓仿真波形

圖10 D(-7.5°)y5d0與D(+7.5°)y7d2的電流仿真波形

3 序分量傳變

因整流變?yōu)閱蝹?cè)電源供電,且只在原邊裝設(shè)有保護(hù)裝置,故只需分析變壓器副邊側(cè)發(fā)生不對稱短路故障時(shí),電流、電壓的序分量傳變至變壓器原邊側(cè)后的變化[6-7]。

3.1 D(-7.5°)y5d0聯(lián)結(jié)的序分量傳變

3.1.1 D(-7.5°)y5d0聯(lián)結(jié)y側(cè)兩相短路故障

D(-7.5°)y5d0聯(lián)結(jié)y側(cè)B、C相短路故障, y側(cè)電流為

(13)

D側(cè)電流為

(14)

y側(cè)電壓為

(15)

D側(cè)電壓為

(16)

仿真波形如圖11(A、B相電流相位重疊)所示,D側(cè)的A、B相電流同相并與C相電流反相,三相電壓對稱,與理論分析相符。

圖11 D(-7.5°)y5d0聯(lián)結(jié)y側(cè)B、C相短路故障的仿真波形

3.1.2 D(-7.5°)y5d0聯(lián)結(jié)d側(cè)兩相短路故障

D(-7.5°)y5d0聯(lián)結(jié)d側(cè)B、C相短路故障,d側(cè)電流為

(17)

D側(cè)電流為

(18)

d側(cè)電壓為

(19)

D側(cè)電壓為

(20)

仿真波形如圖12(A、C相電流相位重疊)所示,D側(cè)的A、C相電流同相并與B相電流反相,三相電壓對稱,與理論分析相符。

圖12 D(-7.5°)y5d0聯(lián)結(jié)d側(cè)B、C相短路故障的仿真波形

3.2 D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié)的序分量傳變

忽略系統(tǒng)阻抗,僅考慮整流變半穿越阻抗48.258 Ω,以故障前相位是0°為基準(zhǔn)。

3.2.1 D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié)y側(cè)兩相短路故障

D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié)y側(cè)B、C相短路故障, y側(cè)電流為

(21)

D側(cè)電流為

(22)

y側(cè)電壓為

(23)

D側(cè)電壓為

(24)

仿真波形如圖13(A、C相電流相位重疊)所示,D側(cè)的A、C相電流同相,并與B相電流反相,三相電壓對稱,與理論分析相符。

圖13 D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié)y側(cè)B、C相短路故障的仿真波形

3.2.2 D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié)d側(cè)兩相短路故障

D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié)d側(cè)B、C相短路故障, d側(cè)電流為

(25)

D側(cè)電流為

(26)

d側(cè)電壓為

(27)

D側(cè)電壓為

(28)

仿真波形如圖14(A、C相電流相位重疊)所示,D側(cè)的A、C相電流同相并與B相電流反相,三相電壓對稱,與理論分析相符。

圖14 D(+7.5°)y7d2聯(lián)結(jié)d側(cè)B、C相短路故障的仿真波形

4 結(jié) 語

應(yīng)用電磁暫態(tài)仿真軟件(PSCAD/EMTDC)元件庫中的單相自耦變壓器元件、單相三繞組變壓器元件建立聯(lián)結(jié)組別為D(-7.5°)y5d0、D(+7.5°)y7d2的整流變壓器模型,仿真得出的正常運(yùn)行波形、短路故障波形與理論分析相符,驗(yàn)證了模型的正確性,具有應(yīng)用價(jià)值, 可為進(jìn)一步的24脈波整流運(yùn)行及其短路故障的仿真建模分析提供一定的參考。