Перетворювальні трансформатори в HVDC: концентратор, що підключає мережу змінного струму до мережі постійного струму

Трансформатор перетворювача є єдиним компонентом у мережі HVDC, який стоїть між мережею змінного струму та клапанами перетворювача. Це не а силовий трансформатор з іншою назвою: він повинен витримувати комбіновану напругу змінного та постійного струму, попереднє намагнічування постійного струму на стороні клапана та гармонійне нагрівання, на які стандартний блок ніколи не розрахований.

Ця відмінність і є суть цієї статті. Більшість пояснень перетворювальних трансформаторів описують, що вони роблять — крокова напруга, зсув фази, ізоляція. Мало хто пояснює, чому блок, побудований за правилами силового трансформатора, тихо виходить з ладу на станції HVDC. Три наведені нижче спеціальні наголоси не є функціями, які потрібно рекламувати; це режими відмов, специфікації покупця повинні бути чітко визначені в бюджеті, інакше станція оплачує їх пізніше на місці.

Робота, яку не виконує жоден інший трансформатор

Лінія HVDC має два кінці. На передавальному кінці перетворювальна станція діє як випрямляч , перетворюючи змінний струм на постійний; на приймальному кінці друга станція діє як інвертор , повертаючи його назад. Перетворювальний трансформатор розташований на кожному кінці, безпосередньо між шиною змінного струму та вентильним мостом — набором тиристорів або IGBT, який фактично виконує перетворення.

На одну машину випадає три функції, які звичайний силовий трансформатор ніколи не виконує:

• Гальванічна ізоляція між системою змінного струму та потенціалом постійного струму, тому пряма напруга не може повернутися в мережу.

• Фазовий зсув — перетворювач побудований як пара, одна обмотка з’єднана зіркою (зіркою), а інша — трикутником, що дає зсув на 30 градусів, що дозволяє двом половинам утворювати 12-імпульсний міст і гасити найнижчі гармоніки.

• Перетворення напруги, узгоджене з вентилем , а не з відводом фіксованої мережі.

Звичайний силовий трансформатор бачить чисту змінну форму сигналу протягом усього терміну служби. Трансформатор перетворювача бачить змінну напругу, постійний потенціал постійного струму від вентиля та багатий спектр гармонік — усе одночасно на одній обмотці. Це одне речення пояснює кожну наведену нижче спеціальну вимогу.

Стрес 1: комбіноване електричне поле змінного/постійного струму

З боку клапана обмотка не зазнає напруги лише змінним струмом. Він несе суперпозицію робочої напруги змінного струму, потенціалу постійного струму, створеного перетворювачем, і гармонічного вмісту перетвореного струму. Ізоляція повинна триматися під змішаним полем, яке не має еквівалента в конструкції лише для змінного струму.

Практичні наслідки проявляються під час тестування. Перетворювальний трансформатор кваліфікується за допомогою комбінованого випробування на стійкість до змінного та постійного струму, а також випробування на зміну полярності (охопленого стандартом IEC 61378-2 для перетворювальних трансформаторів HVDC), а не лише через випробування на стійкість до змінного струму та індуковану напругу згідно з IEC 60076, які кваліфікують звичайний силовий трансформатор. Зміна полярності має значення, оскільки полярність постійного струму на клапані може змінитися під час роботи; система ізоляції, перевірена лише на фіксовану полярність, може вийти з ладу, коли зміщення змінюється.

Пристрій, побудований з вищим коефіцієнтом твердої ізоляції, якого вимагає ця змішана напруга, містить набагато більшу частку твердого діелектрика, ніж аналогічний трансформатор змінного струму. Урок для автора специфікацій: якщо в документі вказується лише стійкість до змінного струму, обмотка клапана кваліфікується для світу, у якому вона ніколи не працюватиме, а справжня несправність запланована до того, як двері заводу зачиняться.

Стрес 2: попереднє намагнічування постійним струмом з боку клапана

Потенціал постійного струму на боці клапана лежить не просто на ізоляції. Це також зміщує магнітопровод , відштовхуючи робочу точку від симетричної петлі змінного струму. Результатом є зміщена щільність потоку, зростаючий рівномірний вміст гармонік у струмі намагнічування, вищий звуковий шум, додаткові паразитні втрати та, в гіршому випадку, перезбудження, для поглинання якого не було передбачено жодного проектного запасу змінного струму.

Це відмінне сімейство невдач від перевантаження. Сердечник стандартного трансформатора розроблений навколо симетричного змінного потоку; він не має вимог терпіти постійне зміщення постійного струму. Запас магнітного потоку перетворювального трансформатора та конструкція сердечника повинні бути визначені щодо очікуваного попереднього намагнічення постійним струмом, інакше пристрій буде ефективним на папері та шумним, втрачаючим і граничним у роботі.

У специфікації це має бути чітко зазначено. 'Трансформатор, послуга HVDC' недостатньо; документ повинен вимагати перевірки допуску на зміщення постійного струму та вказувати запас щільності потоку, який сердечник повинен зберігати під постійним потенціалом клапана.

Стрес 3: Гармонійне нагрівання та 12-імпульсна пара

Перетворення не є синусоїдальним. Перетворювач споживає струм, багатий на 5, 7, 11 і 13 гармоніки і далі. 30-градусний зсув фази зірка/трикутник між двома половинами трансформатора скасовує 5-ю та 7-му, саме тому HVDC використовує 12-імпульсну схему, а не один 6-імпульсний міст. Але компоненти 11-го, 13-го та вищих порядків виживають, і вони відкладають додаткову мідь і паразитні втрати саме там, де, згідно з базовою термальною моделлю, є запас.

Ці випадкові втрати зосереджені в звивистих кінцях, свинцевих конструкціях і стінках резервуарів — класичних місцях локальних гарячих точок. Система охолодження, розмір якої залежить від номінального значення MVA та лише основного навантаження, буде працювати нижче, ніж у реальному спектрі гармонік. Тепловий проект повинен бути оцінений відносно гармонійних втрат, а не таблички.

Для покупця це закупівельна пастка, яка ховається на очах: ​​трансформатор, прийнятий на випробування на підвищення температури основної частоти, все ще може працювати гарячим під дією перетвореного струму. План приймально-здавальних випробувань повинен включати оцінку втрат за гармонійним вмістом, який фактично перенесе пристрій.

Перетворювальний трансформатор проти силового трансформатора: чого не може зробити стандартний блок

Хвороба	Звичайний силовий трансформатор	Перетворювальний трансформатор (HVDC)
Напруга на клапані/вторинній обмотці	Чистий змінний струм, симетричний	Накладений змінний струм + постійний постійний струм + гармоніки
Збудження сердечника	Симетричний змінний потік	Потік змінного струму плюс зміщення попереднього намагнічування постійного струму
База втрат на охолодження	Навантаження основної частоти	Фундаментальні гармонік втрати в спектрі
Роль фазового зсуву	Немає (лише частота сітки)	Пара зірка/трикутник забезпечує 12-імпульсну роботу
Пропорція ізоляції	Стандартна тверда/рідка суміш	Значно вища частка твердої ізоляції
Кваліфікаційні випробування	IEC 60076 Витримка змінного струму, індукована напруга	IEC 61378-2 поєднує стійкість до змінного/постійного струму та зміну полярності

Таблиця є найкоротшою відповіддю на питання 'чи не можна просто використати більший силовий трансформатор?' — ні, тому що навантаження, які має витримати трансформатор-перетворювач, взагалі не входять в основу конструкції стандартного блоку.

Що має бути зазначено в специфікації

Специфікація закупівлі для трансформатора HVDC має вимагати докази, а не прикметники:

1. Комбіноване стрес-тестування — назвіть випробування на витримку змінного/постійного струму та зміну полярності відповідно до IEC 61378-2, а не лише випробування змінного струму IEC 60076.

2. Допуск до зсуву постійного струму — вимагають перевірки поведінки сердечника під постійним потенціалом постійного струму клапана із заявленим запасом щільності потоку.

3. Оцінка гармонійних втрат — вкажіть, що охолодження та підвищення температури перевіряються на основі очікуваного спектру гармоній, а не лише основної.

4. 12-імпульсна пара та узгодження імпедансу — вкажіть розташування зірка/трикутник і жорсткий допуск імпедансу між відводами (IEC 61378-2 обмежує варіацію імпедансу, тому дві половини гасять гармоніки, як розроблено).

5. Клас ізоляції на стороні клапана — визначте координацію ізоляції, включаючи перехідні перенапруги від блискавки та комутації, що накладаються на зміщення постійного струму.

6. Пакет заводських випробувань — вимагають протоколів випробувань комбінованої напруги, результатів зміни полярності та доказів підвищення температури гармонійного навантаження для доставки з пристроєм, тому приймання на місці є підтвердженням, а не відкриттям.

Шість рядків доказів відокремлюють трансформатор-перетворювач, кваліфікований для обслуговування HVDC, від силового трансформатора з відповідною табличкою.

FAQ

Q: Яка різниця між перетворювальним трансформатором і силовим трансформатором? A: Силовий трансформатор обробляє чисту змінну форму сигналу. Трансформатор перетворювача з’єднує мережу змінного струму та клапани перетворювача, тому його обмотка зі сторони клапана переносить комбіновану напругу змінного та постійного струму, зміщення сердечника постійного струму та гармонічний струм — напруги, відсутні в основі конструкції силового трансформатора.

Питання: Чому перетворювальний трансформатор потребує перевірки на зміну полярності? A: Потенціал постійного струму на клапані може змінитися під час роботи. Система ізоляції, перевірена лише на фіксованій полярності, може вийти з ладу, коли це зміщення змінюється, тому IEC 61378-2 вимагає випробування на зміну полярності, з яким стандартний трансформатор змінного струму ніколи не стикається.

Q: Як перетворювальні трансформатори зменшують гармоніки? A: Вони побудовані як пара зірка/трикутник зі зсувом фази на 30 градусів, утворюючи 12-імпульсний міст, який скасовує 5-ту та 7-му гармоніки. Гармоніки вищого порядку залишаються, і їх потрібно врахувати в тепловому проекті.

З: Чи можна використовувати стандартний силовий трансформатор у станції HVDC? A: Не на стороні конвертера. Змішане напруження змінного/постійного струму, попереднє намагнічування постійним струмом і гармонійне нагрівання виходять за рамки правил силового трансформатора; між шиною змінного струму та клапанами розміщується тільки пристрій, що відповідає IEC 61378-2.

Q: Який стандарт охоплює перетворювальні трансформатори HVDC? Відповідь: IEC 61378-2 регулює перетворювальні трансформатори для додатків HVDC, включаючи комбіновану стійкість до змінного/постійного струму, зміну полярності та допуск до опору, які відрізняють їх від силових трансформаторів IEC 60076.

Винос

А перетворювальний трансформатор - це точка, де мережа змінного струму та ланка постійного струму перестають бути окремими системами та фактично зустрічаються. Він заслуговує на цю роль лише тоді, коли в його специфікації вказуються три напруги, яких силовий трансформатор ніколи не бачить — комбіноване поле змінного/постійного струму, попереднє намагнічування постійним струмом і гармонійне нагрівання — і підтверджує їх правильними тестами. Укажіть його як силовий трансформатор з додатковими номінальними характеристиками, і станція успадкує несправності, які були розроблені на заводі. Визначте його таким, яким він є насправді, і хаб, який з’єднує дві мережі, продовжить виконувати свою тиху, незворотну роботу.