換流變壓器勵(lì)磁涌流特性及其對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響

張曉宇，文繼鋒，程 驍，莫品豪

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

高壓直流輸電由于其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)遠(yuǎn)距離大容量輸電和大區(qū)聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。高壓直流輸電的可靠性一定程度上決定了區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定性，作為直流換流站的主要設(shè)備，換流變壓器的作用很重要，換流變保護(hù)必須保證換流變壓器的設(shè)備安全及系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[1]。換流變的一次結(jié)構(gòu)、變壓器特性及保護(hù)配置都與普通變壓器有很大區(qū)別，特別是大差差動(dòng)保護(hù)在空載合閘時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流特性和普通變壓器有本質(zhì)的不同，需要針對(duì)其特殊性進(jìn)行詳細(xì)分析，并采用與其特征對(duì)應(yīng)的保護(hù)策略。

1換流變與普通變壓器保護(hù)的區(qū)別

換流變與普通變壓器相比，應(yīng)用場(chǎng)合不同，重要程度不同，因此不論是一次結(jié)構(gòu)、電流互感器（TA）配置還是保護(hù)配置，均與普通變壓器有顯著差別。

1.1一次結(jié)構(gòu)

高電壓等級(jí)大容量的換流變壓器通常是由完全獨(dú)立的2臺(tái)兩圈變壓器組成，1臺(tái)Y/Y接線，1臺(tái)Y/D接線，2臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行，同時(shí)投退。

換流變的電氣特性也不同于普通變壓器。直流輸電中閥的換相過(guò)程實(shí)際上就是兩相短路，為了將換相過(guò)程中的電流限制在一定范圍內(nèi)，換流變壓器的短路阻抗要大于一般變壓器。短路阻抗過(guò)大，會(huì)使換流變壓器二次側(cè)故障時(shí)短路電流較一般變壓器小[2]。

1.2 TA配置

換流變壓器和普通變壓器相比，配置了較多的保護(hù)用TA，除了開(kāi)關(guān)TA和變壓器的套管TA外，變壓器各繞組末端均配置了用于繞組差動(dòng)的TA。另外，換流變低壓側(cè)為直流系統(tǒng)的換流閥，由于空間的限制，Y/D接線換流變的低壓側(cè)TA一般是接在三角環(huán)內(nèi)。從差動(dòng)保護(hù)的角度來(lái)看，2個(gè)兩圈變均相當(dāng)于Y/Y接線，保護(hù)裝置計(jì)算差流無(wú)需進(jìn)行星角變換。

1.3保護(hù)配置

換流變配置了較多的TA，可以配置更加復(fù)雜和完善的差動(dòng)保護(hù)。同時(shí)由于換流變壓器的短路阻抗較大，內(nèi)部故障情況下差電流較小，對(duì)差動(dòng)保護(hù)靈敏度也提出了更高的要求。

此外，由于閥側(cè)單相接地故障情況下是不接地系統(tǒng)的兩相故障和直流短路的反復(fù)切換，導(dǎo)致差電流中含有大量諧波和直流電流。同時(shí)差電流出現(xiàn)間斷，極端情況下該相電流可能基本消失 （直流系統(tǒng)換相失敗），導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)有可能在此情況下不能出口[2]。

考慮以上因素，當(dāng)條件允許時(shí)，換流變通常配置8個(gè)差動(dòng)保護(hù)，各保護(hù)的保護(hù)范圍相互重疊，互為補(bǔ)充，如圖1所示。其中TA1、TA2、TA3、TA4構(gòu)成大差差動(dòng)保護(hù)，保護(hù)從交流開(kāi)關(guān)到閥側(cè)的整個(gè)范圍；TA3和TA5構(gòu)成星接小差差動(dòng)；TA4和TA6構(gòu)成角接小差差動(dòng)，2個(gè)小差分別保護(hù) 2個(gè)小變壓器。TA1、TA2、TA13、TA14構(gòu)成引線差動(dòng)，保護(hù)交流開(kāi)關(guān)到換流變高壓側(cè)套管部分；TA5 和 TA7、TA6 和 TA8、TA3 和 TA9、TA4 和TA10構(gòu)成繞組差，分別保護(hù)換流變的4個(gè)繞組。

圖1 換流變差動(dòng)保護(hù)配置

從換流變保護(hù)的配置可以看出，排除TA傳變特性的影響，當(dāng)變壓器引線部分無(wú)故障時(shí)，大差差流始終等于兩小差差流之和。

2換流變空投時(shí)勵(lì)磁涌流特性分析

由于換流變的大差差流等于兩小差差流之和，在特殊情況下，大差差流可能出現(xiàn)非常明顯的故障特征。下面結(jié)合換流變的一次實(shí)際空充波形，對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2.1現(xiàn)場(chǎng)波形

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一次接線和TA配置與圖1相同。TA2處的開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，無(wú)電流；閥側(cè)未解鎖；換流變通過(guò)TA1處開(kāi)關(guān)空載合閘。各TA電流波形如下（以下所有波形和分析均以A相電流為例）。其中圖2、圖3、圖4為TA實(shí)際測(cè)量電流，TA1的電流等于TA5和TA6之和；圖5為消除直流分量和標(biāo)幺化后的大差差流波形；圖6、圖7、圖8分別為2個(gè)小差和大差差流中的二次諧波含量。

圖2 Y/Y換流變網(wǎng)側(cè)套管TA5電流

圖3 Y/D換流變網(wǎng)側(cè)套管TA6電流

2.2換流變大差勵(lì)磁涌流的特殊性

從上述波形可以看出，該次空充兩小差電流均偏于時(shí)間軸一側(cè)，有較高的二次諧波含量 （均高于30%），具有明顯的涌流特征。但大差勵(lì)磁涌流基本關(guān)于時(shí)間軸對(duì)稱，諧波含量很低（低于5%），涌流特征很弱，呈現(xiàn)故障特征。

圖4網(wǎng)側(cè)開(kāi)關(guān)TA1電流

圖5大差差流

圖6 Y/Y換流變小差二次諧波含量

圖7 Y/D換流變小差二次諧波含量

圖8大差二次諧波含量

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際錄波來(lái)看，換流變大差的勵(lì)磁涌流和普通變壓器的勵(lì)磁涌流有較大區(qū)別。普通變壓器涌流一般偏于時(shí)間軸一側(cè)，衰減較快；而換流變的勵(lì)磁涌流可能出現(xiàn)關(guān)于時(shí)間軸對(duì)稱、衰減較慢、諧波含量較低的情況。產(chǎn)生這種不同的最主要原因?yàn)閾Q流變大差的勵(lì)磁涌流是2臺(tái)變壓器勵(lì)磁涌流的綜合結(jié)果。由于每臺(tái)小變壓器有自己獨(dú)立的磁回路，因此會(huì)產(chǎn)生獨(dú)立的勵(lì)磁涌流，當(dāng)2個(gè)勵(lì)磁涌流的直流分量和二次諧波分量剛好大小接近，方向相反時(shí)，和電流中工頻分量會(huì)占據(jù)絕大部分，從而產(chǎn)生非常明顯的故障特征。

Y/Y和Y/D 2臺(tái)變壓器雖然空充時(shí)的電壓初始相位相同，但仍然可能產(chǎn)生不同的勵(lì)磁涌流，主要有以下幾個(gè)影響因素：（1）空充前初始剩磁不同[3]。（2）2臺(tái)獨(dú)立變壓器，變比不同，鐵磁飽和特性不可能完全相同。特別是部分換流變Y/Y和Y/D變壓器可能由不同的廠家供貨。（3）Y/D換流變由于低壓側(cè)存在三角環(huán)，在空充過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的零序環(huán)流，從而對(duì)變壓器磁通產(chǎn)生影響。而Y/Y變壓器因?yàn)殚y處于未解鎖狀態(tài)且低壓無(wú)三角環(huán)，所以空充過(guò)程中低壓側(cè)基本無(wú)電流。

可以看出，Y/Y和Y/D 2臺(tái)變壓器的勵(lì)磁涌流受很多因素影響，一般不會(huì)完全相同，特殊情況下和電流確實(shí)可能出現(xiàn)工頻分量高且直流和二次諧波含量低的情況。此外由于2臺(tái)變壓器同時(shí)空充，涌流之間會(huì)相互影響，產(chǎn)生比較復(fù)雜的和應(yīng)涌流，造成涌流衰減速度比較慢，甚至可能在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)逐漸增大的情況[4]，如圖2所示。

2.3對(duì)保護(hù)的影響

由于換流變差動(dòng)保護(hù)使用的TA之間不存在角差，因此差動(dòng)保護(hù)無(wú)需進(jìn)行星角變換，各相差流均可獨(dú)立計(jì)算，無(wú)相互影響。為保證區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)可快速出口，差動(dòng)保護(hù)的涌流判據(jù)可采用分相閉鎖方式，即一相涌流判據(jù)滿足就可以開(kāi)放本相保護(hù)。因?yàn)榇蟛畹倪@種特殊勵(lì)磁涌流和變壓器單相故障的波形非常相似，而且涌流衰減速度很慢，如不采取措施，大差差動(dòng)在空充時(shí)存在誤動(dòng)的可能性。

3解決方案

空充時(shí)大差差動(dòng)存在誤動(dòng)的可能，因此需要對(duì)現(xiàn)有保護(hù)判據(jù)進(jìn)行修改完善。

3.1現(xiàn)有的電流判據(jù)無(wú)法可靠閉鎖

目前判別勵(lì)磁涌流最主要的是二次諧波原理，此外還有間斷角原理，波形識(shí)別等方法[5]。這些方法中絕大多是都是以差流波形為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。實(shí)際上所有波形都可以分解成直流、基波、二次諧波、其他各次諧波之和。當(dāng)波形中的直流分量、二次諧波、其他各次諧波都較小時(shí)，說(shuō)明該波形以基波工頻分量為主，和短路時(shí)的故障電流無(wú)明顯區(qū)別，因此所有單純基于相差流的判據(jù)均無(wú)法可靠閉鎖。若要解決這個(gè)問(wèn)題，需要引入大差差流之外的其他電氣量進(jìn)行輔助判別。

3.2小差差流和網(wǎng)側(cè)電壓相結(jié)合的判別方式

從物理概念上來(lái)講，小差的勵(lì)磁涌流具有實(shí)際的物理意義，因此小差差流和大差相比，可以更直接地反應(yīng)變壓器的工作狀態(tài)。從上述現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際波形也可以看出，2個(gè)小差電流均有明顯的涌流特征，二次諧波含量也較高，利用現(xiàn)有主流方法均可可靠識(shí)別。因此可以使用2個(gè)小差的勵(lì)磁涌流判據(jù)閉鎖大差對(duì)應(yīng)相，即大差動(dòng)作除自身涌流判據(jù)開(kāi)放外，還需兩小差中任一對(duì)應(yīng)相的涌流判據(jù)開(kāi)放。但大差和小差相比，其保護(hù)范圍是不同的，因此不能單純的考慮空充時(shí)的勵(lì)磁涌流，還要兼顧合閘于故障和實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生故障的情況。

采用小差閉鎖大差的方式，當(dāng)小差范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，小差勵(lì)磁涌流判據(jù)可以開(kāi)放，因此大差保護(hù)不受影響。但當(dāng)變壓器引線上發(fā)生故障時(shí)，該故障對(duì)于小差為穿越性故障，小差差流可能很小，其涌流判據(jù)無(wú)法給出正確結(jié)果，可能造成大差差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)。由于這種引線故障一般為純金屬故障，故障特征明顯，電壓有明顯跌落，因此可使用換流變網(wǎng)側(cè)電壓進(jìn)行輔助判別。當(dāng)識(shí)別到網(wǎng)側(cè)電壓明顯低于正常電壓時(shí)，大差不經(jīng)小差涌流判據(jù)閉鎖。

綜上所述，可采用結(jié)合小差涌流判據(jù)和電壓的方法對(duì)大差涌流閉鎖判據(jù)進(jìn)行完善。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓正常時(shí)，使用兩小差的涌流判據(jù)閉鎖大差差動(dòng)；當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓明顯低于額定電壓時(shí)，大差涌流判據(jù)不變，不受小差影響。使用這種綜合閉鎖判據(jù)，再結(jié)合換流變?nèi)哂喽群芨叩牟顒?dòng)保護(hù)配置，既可保證空投過(guò)程中大差保護(hù)可靠閉鎖，又可保證發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不受影響。

4結(jié)束語(yǔ)

從換流變獨(dú)特的一次結(jié)構(gòu)和保護(hù)配置出發(fā)，分析了換流變空充時(shí)，大差差流中出現(xiàn)明顯故障特征的原因，對(duì)這種特殊的勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生原因和特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了結(jié)合小差涌流判據(jù)和網(wǎng)側(cè)電壓的換流變大差勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù)。

[1]韓曉東，翟亞?wèn)|.高壓直流輸電用換流變壓器[J].高壓電器，2002，38(3)：5-6.

[2]肖燕彩，文繼鋒，袁 源，等.超高壓直流系統(tǒng)中的換流變壓器保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006,30(9)：91-94.

[3]張紅躍.換流變大差保護(hù)勵(lì)磁涌流識(shí)別的思考[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(20)：151-154.

[4]邵德軍，尹項(xiàng)根，張 哲，等.基于基波幅值增量的變壓器和應(yīng)涌流識(shí)別方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(10)：151-154.

[5]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[J].北京中國(guó)電力出版社，1996.