Преобразовательные трансформаторы в системах высокого напряжения постоянного тока: концентратор, соединяющий сеть переменного тока с передачей постоянного тока

Преобразовательный трансформатор — единственный компонент в линии HVDC, который находится между сетью переменного тока и клапанами преобразователя. Это не Силовой трансформатор с другим названием: он должен выдерживать комбинированное напряжение переменного и постоянного напряжения, предварительное намагничивание постоянным током на стороне клапана и гармонический нагрев, на который стандартный блок никогда не рассчитан.

В этом различии и заключается вся суть данной статьи. В большинстве описаний преобразовательных трансформаторов описывается, что они делают — повышают напряжение, сдвигают фазу, изолируют. Меньше объясняют, почему блок, построенный по правилам силового трансформатора, незаметно выходит из строя на станции HVDC. Три особых акцента, приведенные ниже, не являются функциями для рекламы; это режимы отказа, которые покупатель должен явно предусмотреть в бюджете, иначе станция заплатит за них позже на местах.

Работа, которую не выполняет ни один другой трансформатор

У линии HVDC есть два конца. На передающем конце преобразовательная станция действует как выпрямитель , превращая переменный ток в постоянный; на приемной стороне вторая станция действует как инвертор , поворачивая его обратно. Трансформатор преобразователя расположен на каждом конце, непосредственно между шиной переменного тока и вентильным мостом — стопкой тиристоров или IGBT, которые фактически выполняют преобразование.

На эту машину возлагаются три функции, которые обычный силовой трансформатор никогда не выполняет:

• Гальваническая развязка между системой переменного тока и потенциалом постоянного тока, поэтому постоянное напряжение не может вернуться в сеть.

• Фазосдвиг — преобразователь выполнен в виде пары, одна обмотка соединена звездой (звездой), а другая — треугольником, что дает сдвиг на 30 градусов, что позволяет двум половинам сформировать 12-импульсный мост и подавлять самые низкие гармоники.

• Преобразование напряжения соответствует вентилю , а не фиксированному отводу сети.

Обычный силовой трансформатор в течение всего срока службы видит чистый переменный сигнал. Конвертерный трансформатор воспринимает переменное напряжение, постоянный постоянный потенциал от лампы и богатый гармонический спектр — все одновременно, на одной и той же обмотке. Это единственное предложение объясняет все последующие особые требования.

Стресс 1: комбинированное электрическое поле переменного и постоянного тока

Со стороны клапана обмотка подвергается воздействию не только переменного тока. Он несет в себе суперпозицию рабочего переменного напряжения, постоянного потенциала, создаваемого преобразователем, и гармонического содержания преобразованного тока. Изоляция должна выдерживать воздействие смешанного поля, которое не имеет эквивалента в конструкциях, рассчитанных только на переменный ток.

Практические последствия проявляются в тестировании. Трансформатор преобразователя проходит комбинированное испытание на выдержку переменного и постоянного тока, а также испытание на изменение полярности (описанное в IEC 61378-2 для преобразовательных трансформаторов HVDC), а не только испытания на выдерживание переменного и наведенного напряжения по IEC 60076, которые квалифицируют обычный силовой трансформатор. Изменение полярности имеет значение, поскольку полярность постоянного тока на клапане может меняться во время работы; система изоляции, проверенная только на фиксированную полярность, может выйти из строя при изменении смещения.

Устройство, построенное с более высоким коэффициентом твердой изоляции, которого требует эта смешанная нагрузка, содержит гораздо большую долю твердого диэлектрика, чем сопоставимый трансформатор переменного тока. Урок для составителя спецификаций: если в документе указывается только устойчивость к переменному току, обмотка клапана квалифицируется для мира, в котором она никогда не будет работать, и настоящий отказ рассчитывается до того, как дверь завода закроется.

Нагрузка 2: Предварительное намагничивание постоянным током на стороне клапана

Потенциал постоянного тока на стороне клапана не просто находится на изоляции. Это также смещает магнитный сердечник , выталкивая рабочую точку из симметричной петли переменного тока. Результатом является смещение плотности потока, рост содержания четных гармоник в токе намагничивания, более высокий звуковой шум, дополнительные паразитные потери и, в худшем случае, перевозбуждение, которое не было рассчитано ни на один запас по переменному току.

Это семейство отказов, отличное от перегрузки. Сердечник стандартного трансформатора спроектирован вокруг симметричного переменного потока; он не требует допускать постоянное смещение постоянного тока. Запас по потоку преобразовательного трансформатора и конструкция сердечника должны быть указаны с учетом ожидаемого предварительного намагничивания постоянного тока, иначе на бумаге устройство будет эффективным, а в эксплуатации будет шумным, с потерями и предельным.

В спецификации это должно быть указано явно. «Трансформатор, сервис HVDC» недостаточно; документ должен требовать проверки допуска смещения постоянного тока и указывать запас по плотности потока, который сердечник должен сохранять при постоянном потенциале клапана.

Стресс 3: Гармонический нагрев и 12-импульсная пара

Преобразование не синусоидальное. Преобразователь потребляет ток с 5-й, 7-й, 11-й и 13-й гармониками и выше. Фазовый сдвиг звезда/треугольник на 30 градусов между двумя половинами трансформатора компенсирует 5-ю и 7-ю, именно поэтому в HVDC используется 12-пульсная схема, а не одиночный 6-пульсный мост. Но компоненты 11-го, 13-го и более высокого порядка выживают и вносят дополнительные медные и паразитные потери именно там, где, согласно фундаментальной тепловой модели, есть запас.

Эти паразитные потери концентрируются на концах обмотки, свинцовых конструкциях и стенках резервуара — классических местах локальных горячих точек. Система охлаждения, рассчитанная на основе номинальной МВА и одной только основной нагрузки, будет работать недостаточно эффективно по отношению к реальному спектру гармоник. Тепловой расчет необходимо оценивать по потерям на гармоники, а не по паспортной табличке.

Для покупателя это ловушка, скрывающаяся на виду: трансформатор, прошедший испытания на повышение температуры основной частоты, все равно может нагреваться под преобразованным током. План приемочных испытаний должен включать оценку потерь в соответствии с содержанием гармоник, которое фактически будет нести устройство.

Преобразователь-трансформатор против силового трансформатора: чего не может сделать стандартный блок

Состояние	Обычный силовой трансформатор	Преобразовательный трансформатор (HVDC)
Напряжение напряжения на клапане/вторичной обмотке	Чистый переменный ток, симметричный	Наложенный переменный ток + постоянный постоянный ток + гармоники
Возбуждение ядра	Симметричный переменный поток	Поток переменного тока плюс смещение предварительного намагничивания постоянного тока
Базис потерь на охлаждение	Нагрузка основной частоты	Основные потери плюс гармонический спектр
Роль фазового сдвига	Нет (только частота сети)	Пара звезда/треугольник обеспечивает 12-импульсный режим работы.
Пропорция изоляции	Стандартная смесь твердой и жидкой фаз	Значительно более высокая доля твердой изоляции
Квалификационные испытания	IEC 60076 Выдерживаемое переменное напряжение, наведенное напряжение	Комбинированная устойчивость к переменному и постоянному току IEC 61378-2 и смена полярности

Эта таблица является кратчайшим ответом на вопрос «не можем ли мы просто использовать более мощный трансформатор?» — нет, потому что напряжения, которые должен выдерживать преобразовательный трансформатор, вообще не предусмотрены в конструкции стандартного блока.

Что должна сказать спецификация

Спецификация на закупку преобразовательного трансформатора HVDC должна требовать доказательств, а не прилагательных:

1. Комбинированное стресс-тестирование — назовите испытание на устойчивость к переменному/постоянному току и испытание на изменение полярности в соответствии с IEC 61378-2, а не только испытание переменным током IEC 60076.

2. Допуск на постоянное смещение — требует проверки поведения сердечника при постоянном потенциале постоянного тока клапана с установленным запасом сохраняемой плотности потока.

3. Оценка потерь на гармоники — укажите, что охлаждение и повышение температуры проверяются на основе ожидаемого спектра гармоник, а не только основных гармоник.

4. 12-импульсная пара и согласование импеданса — укажите расположение звезда/треугольник и жесткие допуски по импедансу на отводах (IEC 61378-2 ограничивает изменение импеданса, поэтому две половины подавляют гармоники, как задумано).

5. Класс изоляции со стороны клапана — определяет координацию изоляции, включая переходные перенапряжения от молнии и коммутации, накладываемые на смещение постоянного тока.

6. Пакет заводских испытаний — вместе с устройством требуются протоколы испытаний комбинированного напряжения, результаты переполюсовки и доказательства повышения температуры гармонической нагрузки, поэтому приемка на объекте является подтверждением, а не открытием.

Шесть линий доказательств отделяют преобразовательный трансформатор, допущенный для работы в режиме высокого напряжения постоянного тока, от силового трансформатора с правильной паспортной табличкой.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: В чем разница между преобразовательным трансформатором и силовым трансформатором? Ответ: Силовой трансформатор обрабатывает чистый сигнал переменной формы. Трансформатор преобразователя соединяет сеть переменного тока и клапаны преобразователя, поэтому его обмотка со стороны клапана несет комбинированное напряжение переменного и постоянного тока, постоянное смещение сердечника и гармонический ток — напряжения, отсутствующие в конструкции силового трансформатора.

Вопрос: Почему преобразовательному трансформатору требуется проверка на изменение полярности? A: Потенциал постоянного тока на клапане может измениться во время работы. Система изоляции, проверенная только при фиксированной полярности, может выйти из строя при смене смещения, поэтому стандарт IEC 61378-2 требует проверки на изменение полярности, которой никогда не подвергается стандартный трансформатор переменного тока.

Вопрос: Как преобразовательные трансформаторы уменьшают гармоники? О: Они построены в виде пары звезда/треугольник с фазовым сдвигом на 30 градусов, образуя 12-импульсный мост, подавляющий 5-ю и 7-ю гармоники. Гармоники более высокого порядка остаются и должны быть учтены при тепловом расчете.

Вопрос: Можно ли использовать стандартный силовой трансформатор внутри станции высокого напряжения постоянного тока? О: Не на стороне преобразователя. Смешанное напряжение переменного и постоянного тока, предварительное намагничивание постоянным током и гармонический нагрев выходят за рамки правил силовых трансформаторов; Между шиной переменного тока и клапанами находится только устройство, соответствующее стандарту IEC 61378-2.

Вопрос: Какой стандарт распространяется на преобразовательные трансформаторы HVDC? О: IEC 61378-2 регулирует преобразовательные трансформаторы для приложений HVDC, включая требования к комбинированной стойкости к переменному и постоянному току, изменению полярности и допускам импеданса, которые отличают их от силовых трансформаторов IEC 60076.

Вывод

А Преобразовательный трансформатор — это точка, в которой сеть переменного тока и звено постоянного тока перестают быть отдельными системами и фактически встречаются. Он заслужил эту роль только тогда, когда в его спецификации указаны три напряжения, которые силовой трансформатор никогда не видит — комбинированное поле переменного и постоянного тока, предварительное намагничивание постоянным током и гармонический нагрев — и доказывают их правильными испытаниями. Укажите его как силовой трансформатор с дополнительными характеристиками, и станция унаследует неисправности, заложенные на заводе. Укажите его таким, какой он есть на самом деле, и концентратор, соединяющий две сети, продолжит тихо и необратимо выполнять свою работу.