換流變壓器閥側(cè)接地故障分析及保護(hù)優(yōu)化

張曉宇,鄭超,莫品豪,顧喬根,張春合

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102；2. 南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引言

高壓直流輸電(high voltage direct current transmission,HVDC)系統(tǒng)電壓等級(jí)高,送電容量大,送電距離遠(yuǎn),線(xiàn)路故障恢復(fù)能力強(qiáng),調(diào)節(jié)速度快,有利于交流系統(tǒng)的穩(wěn)定,可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)間的非同步聯(lián)網(wǎng),因此得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1—4]。隨著大批高壓直流輸電工程的投運(yùn),直流運(yùn)行的穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的影響日益顯著[5]。

作為HVDC系統(tǒng)中最主要的設(shè)備之一,換流變壓器是接在交流系統(tǒng)與換流橋之間的電力變壓器,提供相位差為30°的12 脈動(dòng)交流電壓。換流變?cè)O(shè)備能否安全運(yùn)行直接影響整個(gè)直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。換流變閥側(cè)發(fā)生單點(diǎn)接地故障時(shí),故障特征同普通的接地系統(tǒng)有很大不同。目前針對(duì)換流變閥側(cè)故障以及換流變壓器差動(dòng)保護(hù)特性已有相關(guān)研究。文獻(xiàn)[6—9]主要介紹直流輸電的基本知識(shí)和發(fā)展概況；文獻(xiàn)[10—13]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)故障以及仿真分析等對(duì)不同工況下閥側(cè)故障的特征進(jìn)行了分析,指出由于換流閥具有單向?qū)ㄐ?閥側(cè)套管電流和直流中性端套管電流均呈周期性變化,閥側(cè)接地故障應(yīng)分為6種不同情況進(jìn)行分析,故障電流中有較大的諧波含量；文獻(xiàn)[14—18]主要探討了涌流對(duì)換流變保護(hù)的影響,指出故障性涌流,并聯(lián)變壓器的合應(yīng)涌流,恢復(fù)性涌流均可能導(dǎo)致?lián)Q流變保護(hù)的不正確動(dòng)作以及直流的換相失敗,并提出了相應(yīng)的解決方案；文獻(xiàn)[19—20]重點(diǎn)研究區(qū)內(nèi)故障時(shí)的諧波對(duì)換流變保護(hù)的影響,指出閥側(cè)故障差流小,且整流側(cè)和逆變側(cè)故障特征不同,逆變側(cè)故障后的諧波可能導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)；文獻(xiàn)[21]指出直流換相失敗可能導(dǎo)致?lián)Q流變飽和,此時(shí)零序保護(hù)可以對(duì)主保護(hù)起到很好的補(bǔ)充作用；文獻(xiàn)[22]探討了換相失敗后的直流電流可能導(dǎo)致電流互感器(current transformer,CT)飽和,進(jìn)而引起換流變出現(xiàn)拒動(dòng)的可能；文獻(xiàn)[23]通過(guò)仿真闡述了故障下各保護(hù)的一些配合關(guān)系,指出部分換流變故障需要靠換流器差動(dòng)配合切除。目前針對(duì)換流變閥側(cè)單點(diǎn)接地故障下?lián)Q流變不同類(lèi)型保護(hù)的靈敏度分析對(duì)比,特別是Y/Y接線(xiàn)變壓器閥側(cè)中性點(diǎn)發(fā)生故障后保護(hù)的動(dòng)作特性的研究較少。

文中概括總結(jié)了閥側(cè)接地故障的波形特征及影響因素,歸納了現(xiàn)有保護(hù)配置及其對(duì)閥側(cè)故障的響應(yīng)特性,進(jìn)而提出了基于零序差動(dòng)和快速零序過(guò)流原理的換流變閥側(cè)保護(hù),并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)波形及實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(real-time digital simulator,RTDS)仿真結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證。文中方案可提高保護(hù)系統(tǒng)的整體可靠性,有利于現(xiàn)場(chǎng)故障的準(zhǔn)確定位。

1 閥側(cè)故障特征及保護(hù)現(xiàn)狀

1.1 換流變閥側(cè)故障特征

換流變壓器直接連接換流閥,交流系統(tǒng)經(jīng)過(guò)換流變和換流閥轉(zhuǎn)換后同直流系統(tǒng)相連,其系統(tǒng)接線(xiàn)方式同普通變壓器有很大的不同。對(duì)于網(wǎng)側(cè)故障或者閥側(cè)兩相、三相故障,故障電流大,現(xiàn)有保護(hù)靈敏度高,無(wú)需特殊分析研究。對(duì)于閥側(cè)單點(diǎn)接地故障(指換流變閥側(cè)CT首端到中性點(diǎn)之間的部分,包括換流變閥側(cè)繞組及其引出線(xiàn)、中性點(diǎn)等部分的故障),故障特征同常規(guī)交流系統(tǒng)差異較大,故障電流具體呈現(xiàn)以下特征：

(1) 故障特征弱。換流變閥側(cè)自身無(wú)接地點(diǎn),但直流側(cè)有接地點(diǎn)。閥側(cè)發(fā)生單點(diǎn)接地故障時(shí),故障點(diǎn)同直流側(cè)接地點(diǎn)形成回路。由于直流側(cè)接地點(diǎn)通常離換流站有一定距離,且換流變短路阻抗一般較大,將導(dǎo)致閥側(cè)單點(diǎn)接地故障電流相對(duì)較小。整流側(cè)和逆變側(cè)短路后特征不同,通常逆變側(cè)故障電流會(huì)更小。

(2) 故障電流諧波含量高。換流閥及直流系統(tǒng)不能簡(jiǎn)單等效為交流系統(tǒng)中的電源或負(fù)荷,換流閥是周期性導(dǎo)通和關(guān)斷的,且閥具有單向?qū)ㄌ匦?當(dāng)閥側(cè)發(fā)生換流變區(qū)內(nèi)單相接地故障后,不同閥導(dǎo)通時(shí)換流變閥側(cè)CT(包括首端CT和尾端CT)感受到的故障電流不同,因此故障電流不對(duì)稱(chēng),其中包含有大量諧波分量。如圖1所示,當(dāng)系統(tǒng)在F1處發(fā)生故障時(shí),不同時(shí)刻的電流流向不同。如紅色閥導(dǎo)通時(shí),電流沿紅色箭頭方向流動(dòng),此時(shí)故障相首端CT有電流流出；藍(lán)色閥導(dǎo)通時(shí),故障相首端CT有電流流入；綠色閥導(dǎo)通時(shí),故障相首端CT電流為0。

圖1 閥側(cè)接地故障示意Fig.1 Schematic diagram of grounded fault in valve side

(3) 故障電流持續(xù)變化。閥解鎖后,一旦換流變區(qū)內(nèi)發(fā)生故障,系統(tǒng)電壓和直流側(cè)電流都會(huì)跟隨變化,對(duì)直流系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定影響,直流控保的動(dòng)作行為會(huì)進(jìn)一步影響故障波形特征,故障電流呈現(xiàn)持續(xù)變化的特征。

(4) 故障電流中存在零序電流。由于存在接地點(diǎn),因此換流變閥側(cè)首端自產(chǎn)零序電流始終存在且等于流入故障點(diǎn)的電流。

(5) 特殊故障無(wú)差流。對(duì)于Y/Y換流變中性點(diǎn)發(fā)生接地的特殊故障(圖1中的F2處),各相首端CT和尾端CT電流大小一致,無(wú)差流,故障電流只流過(guò)對(duì)應(yīng)導(dǎo)通的單相繞組。此種情況當(dāng)前換流變保護(hù)設(shè)計(jì)分析中未見(jiàn)考慮。

1.2 現(xiàn)有保護(hù)配置及區(qū)域劃分

換流變閥側(cè)故障位于換流變保護(hù)區(qū)域,同時(shí)直流保護(hù)中的換流器保護(hù),極保護(hù)等雖然保護(hù)的主要對(duì)象不是換流變壓器,但也可以反應(yīng)部分換流變區(qū)內(nèi)故障,可以對(duì)換流變保護(hù)進(jìn)行有效補(bǔ)充,共同構(gòu)成完整的保護(hù)體系。圖2為直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和保護(hù)區(qū)域劃分,可以看出,換流變保護(hù)保護(hù)區(qū)域?yàn)閾Q流變網(wǎng)側(cè)到閥側(cè),換流器保護(hù)的設(shè)備是換流器本體,極保護(hù)則以極為保護(hù)對(duì)象。

圖2 閥側(cè)相關(guān)保護(hù)區(qū)域Fig.2 Protection zone of valve side

1.3 現(xiàn)有保護(hù)的特性及不足

不同直流工程保護(hù)配置有所不同,以特高壓直流輸電系統(tǒng)的保護(hù)配置為例進(jìn)行分析說(shuō)明。目前各保護(hù)區(qū)域中,部分保護(hù)可以反應(yīng)閥側(cè)接地故障,部分保護(hù)則不能,表1為主要相關(guān)保護(hù)的動(dòng)作特性。

表1 換流變閥側(cè)相關(guān)保護(hù)配置及性能Table 1 Protection configuration and performance of converter valve side

由表1可以看出,不同類(lèi)型故障下,可以有效動(dòng)作的保護(hù)各不相同。

(1) 閥未解鎖時(shí)發(fā)生接地故障。此時(shí)直流側(cè)的接地點(diǎn)同換流變隔離,系統(tǒng)無(wú)零序回路,因此基本無(wú)故障電流,相當(dāng)于普通的不接地的交流系統(tǒng)。使用閥側(cè)的零序過(guò)壓保護(hù)可以很好地反應(yīng)此類(lèi)故障,該保護(hù)動(dòng)作后會(huì)禁止閥解鎖,防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

(2) 解鎖后換流變閥側(cè)區(qū)內(nèi)接地故障。此時(shí)故障點(diǎn)在換流變閥側(cè)首端CT和末端CT之間,故障點(diǎn)處存在故障電流,換流變閥側(cè)首末兩端CT測(cè)量值不同,同時(shí)網(wǎng)側(cè)電流和閥側(cè)電流也不再成比例變化。因此換流變大差,小差,以及繞組差動(dòng)保護(hù)均會(huì)產(chǎn)生差流。但按前文分析可知,此時(shí)差流中的諧波含量可能偏高,造成經(jīng)勵(lì)磁涌流判據(jù)的大差和小差差動(dòng)被閉鎖,無(wú)法動(dòng)作。繞組差不經(jīng)涌流判據(jù),但在差流較小的情況下仍存在靈敏度不足的問(wèn)題。換流器保護(hù)中的換流器差動(dòng)和極保護(hù)中的極差動(dòng)使用直流側(cè)的電流作差動(dòng),當(dāng)差流達(dá)到定值時(shí),保護(hù)可以快速動(dòng)作,但動(dòng)作元件不在換流變保護(hù)內(nèi),因此動(dòng)作后故障定位較為困難,不宜查找故障點(diǎn)。此外閥側(cè)過(guò)流保護(hù)也可能滿(mǎn)足動(dòng)作條件,但動(dòng)作速度較慢,換流變網(wǎng)側(cè)的過(guò)流和零流保護(hù)則無(wú)法反應(yīng)此類(lèi)故障。

(3) Y/Y換流變閥側(cè)中性點(diǎn)故障。此類(lèi)故障比較特殊,故障點(diǎn)位于換流變保護(hù)范圍內(nèi),但對(duì)于變壓器的各種差動(dòng)均為穿越性故障,理想情況下差流為0,因此換流變自身的差動(dòng)保護(hù)無(wú)法反應(yīng)此類(lèi)故障。但從另一角度,正因?yàn)閾Q流變的磁平衡沒(méi)有被打破,會(huì)有較大電流流過(guò)換流變繞組,此時(shí)網(wǎng)側(cè)也能感受到同比例的電流及零序電流,網(wǎng)側(cè)的過(guò)流和零流可以動(dòng)作,但時(shí)間通常較慢。同樣,換流器差動(dòng)和極差動(dòng)也可以反應(yīng)此類(lèi)故障,但不利于故障排查和定位。

從以上分析可以看出,目前對(duì)于閥側(cè)單點(diǎn)接地故障,換流變自身缺少較為靈敏的快速保護(hù),很多情況下要依賴(lài)于閥保護(hù)和極保護(hù),不利于故障快速切除及事故分析。

2 保護(hù)優(yōu)化方案

對(duì)于上述問(wèn)題,可對(duì)換流變自身的保護(hù)配置和算法進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 配置優(yōu)化

文中提供了快速零序保護(hù)和零序差動(dòng)保護(hù)2種配置優(yōu)化措施,具體保護(hù)配置見(jiàn)圖3。

圖3 保護(hù)優(yōu)化配置Fig.3 Optimized protection configuration

2.1.1 快速零序保護(hù)

由于方案針對(duì)的是閥側(cè)接地故障,當(dāng)閥解鎖后,必然有故障電流,而故障電流在換流變保護(hù)中則體現(xiàn)為閥側(cè)的零序電流。換流變自身不接地,在無(wú)內(nèi)部故障的情況下,理論上閥側(cè)的首端和尾端均無(wú)零序電流,因此可以配置較為快速的零序過(guò)流反應(yīng)此類(lèi)接地故障。

零序過(guò)流保護(hù)可使用Y/Y換流變的閥側(cè)首端CT和尾端CT。當(dāng)首端零流保護(hù)動(dòng)作時(shí),表示閥側(cè)內(nèi)部存在接地故障,當(dāng)尾端零流保護(hù)動(dòng)作時(shí),表示中性點(diǎn)處存在接地故障。

對(duì)于Y/D換流變,不能直接增加零序保護(hù)。因?yàn)樵诰W(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時(shí),Y/D換流變存在零序回路,其三角環(huán)內(nèi)可能產(chǎn)生較大的零序電流,簡(jiǎn)單地配置零序過(guò)流保護(hù)會(huì)導(dǎo)致區(qū)外故障的誤動(dòng)作。但現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下(需考慮造價(jià),安裝空間及保護(hù)設(shè)備模擬量接入能力),可在三角環(huán)外加裝CT,用此加裝的CT做零序過(guò)流保護(hù)。

零流保護(hù)可配置2段,1段無(wú)延時(shí)快速出口,用于切除嚴(yán)重故障,整定時(shí)需躲過(guò)系統(tǒng)區(qū)外故障產(chǎn)生的最大零序電流(包括CT特性不一致產(chǎn)生的零序電流),可考慮取0.5Ie～1Ie(Ie為閥側(cè)額定電流)。2段可增加20～80 ms延時(shí),作為快速保護(hù)的后備保護(hù),定值可適當(dāng)降低,可考慮整定為0.1Ie～0.2Ie。

2.1.2 零序差動(dòng)保護(hù)

除了使用零序過(guò)流外,還可以用換流變閥側(cè)首端CT和尾端CT構(gòu)成零序差動(dòng)。零序差動(dòng)的優(yōu)勢(shì)是制動(dòng)電流小,靈敏度高。

對(duì)于Y/Y接線(xiàn)變壓器,可采用尾端零序電流作為制動(dòng)電流,除非中性點(diǎn)處發(fā)生故障,否則正常運(yùn)行及各種區(qū)內(nèi)外故障過(guò)程中,理想情況下制動(dòng)電流均為0,因此有很高的靈敏度。

對(duì)于Y/D接線(xiàn)變壓器,可考慮使用首端零序電流和尾端零序電流中較小的一方作為制動(dòng)電流。對(duì)于區(qū)外故障,三角環(huán)內(nèi)流過(guò)純零序穿越電流,可以提供足夠的制動(dòng)量；對(duì)于區(qū)內(nèi)故障,使用較小的零序電流作制動(dòng)可以提高靈敏度。

和零序過(guò)流相比,零序差動(dòng)的優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)差動(dòng)計(jì)算和制動(dòng)特性弱化CT傳變特性不一致產(chǎn)生的零序電流對(duì)保護(hù)的影響,可靠性相對(duì)較高,同時(shí)Y/D側(cè)也具備配置零序差動(dòng)的條件。和普通繞組差動(dòng)保護(hù)相比,使用零序電流作制動(dòng)電流相對(duì)較小,靈敏度高。定值可考慮取0.2Ie～0.3Ie。

但零序差動(dòng)不能反應(yīng)Y/Y換流變中性點(diǎn)附近的故障,使用上有一定局限性。

2.2 算法優(yōu)化

閥側(cè)發(fā)生接地故障后,故障電流隨著閥的導(dǎo)通和關(guān)斷不斷變化,并不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。因此,為進(jìn)一步提高保護(hù)的靈敏度,在零序電流的算法上也可以做部分優(yōu)化。

(1) 使用零序電流的峰值進(jìn)行判別。峰值算法在電流中有較大直流分量的情況下有較高的靈敏度。采用此算法時(shí)定值可同普通傅氏算法取相同數(shù)值。

(2) 零序電流滿(mǎn)足條件后進(jìn)行內(nèi)部展寬。故障電流可能時(shí)大時(shí)小,保護(hù)在動(dòng)作后達(dá)到延時(shí)前可能返回,因此可在動(dòng)作后對(duì)動(dòng)作標(biāo)志進(jìn)行展寬,展寬長(zhǎng)度可取1～1.5周波,保證帶延時(shí)的保護(hù)持續(xù)動(dòng)作。此時(shí)需通過(guò)定值可靠躲過(guò)最大異常零序電流。

此外,現(xiàn)有閥保護(hù)和極保護(hù)也可以切除故障,新增判據(jù)根據(jù)情況可選擇僅作用于信號(hào),用于故障的快速定位。

3 仿真及現(xiàn)場(chǎng)波形驗(yàn)證

文中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際波形及RTDS仿真波形對(duì)理論分析和保護(hù)優(yōu)化判據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.1 Y/Y接換流變閥側(cè)中性點(diǎn)故障波形及分析

圖4—圖9為現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)故障的波形。故障點(diǎn)在整流站Y/Y接線(xiàn)變壓器閥側(cè)中性點(diǎn)處。故障發(fā)生時(shí)直流功率370 MV·A,閥側(cè)CT變比3 000 A/1 A,波形中電流為二次值。

圖4 Y/Y換流變閥側(cè)首端相電流波形Fig.4 Phases current waveformat at the head of Y/Y-converter transformer valve side

圖5 Y/Y換流變閥側(cè)首端零序電流波形Fig.5 Zero sequence current waveformat at the head of Y/Y-converter transformer valve side

圖6 Y/Y換流變閥側(cè)尾端相電流波形Fig.6 Phases current waveform at the tail of Y/Y-converter transformer valve side

圖7 Y/Y換流變閥側(cè)尾端零序電流波形Fig.7 Zero sequence current waveformat at the tail of Y/Y-converter transformer valve side

圖9 Y/Y換流變閥側(cè)尾端零序電流幅值Fig.9 Amplitude of zero-sequence current at the tail of Y/Y-converter transformer valve side

從圖中波形可以看出,故障時(shí)刻剛好B相閥導(dǎo)通,因此B相出現(xiàn)較大電流,之后B相關(guān)斷,C相導(dǎo)通。換流變首尾兩端電流大小基本一致,無(wú)差流。但首端和尾端均有較大的零序電流,峰值達(dá)到了10 000 A,有效值超過(guò)3 300 A。當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)繞組無(wú)差流(如圖8所示),換流變保護(hù)未動(dòng)作。如采用尾端零序快速過(guò)流,當(dāng)定值取1Ie(約1 400 A)時(shí),保護(hù)可在10 ms內(nèi)快速可靠動(dòng)作,并提示故障點(diǎn)在換流變閥側(cè)中性點(diǎn)處。

圖8 Y/Y換流變閥側(cè)繞組差流波形Fig.8 Different current waveformat of Y/Y- converter transformer valve side

3.2 閥側(cè)區(qū)內(nèi)接地故障波形及分析

圖10—圖13為使用實(shí)際特高壓直流輸電系統(tǒng)參數(shù)搭建的RTDS仿真模型,模擬整流側(cè)高端Y/Y換流變閥側(cè)A相區(qū)內(nèi)接地故障。故障發(fā)生時(shí)直流功率0.1 p.u.,波形中電流為一次值。

圖10 Y/Y換流變閥側(cè)首端電流波形Fig.10 Current waveformat at the head of Y/Y- converter transformer valve side

圖11 Y/Y換流變閥側(cè)尾端電流波形Fig.11 Current waveformat at the tail of Y/Y- converter transformer valve side

圖12 Y/Y換流變閥側(cè)繞組差動(dòng)作特性Fig.12 Operating characteristic of winding different protection at Y/Y-converter transformer valve side

圖13 Y/Y換流變閥側(cè)零序差動(dòng)動(dòng)作特性Fig.13 Operating characteristic of zero-sequence diffe- rent protection at Y/Y-converter transformer valve side

從波形可以看出,故障發(fā)生后閥側(cè)電流有較大畸變,各次諧波含量豐富,有較大零序差流。使用現(xiàn)有動(dòng)作特性的換流變繞組差靈敏度不足,無(wú)法動(dòng)作；在相同定值下,使用峰值算法的零序差動(dòng)可以可靠動(dòng)作。

4 結(jié)語(yǔ)

文中從直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā),總結(jié)了換流變閥側(cè)單點(diǎn)接地故障下的波形特征及現(xiàn)有保護(hù)的性能,針對(duì)現(xiàn)有不足提出了優(yōu)化改進(jìn)判據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和RTDS仿真波形特征同文中分析一致,可以驗(yàn)證文中理論分析和判據(jù)優(yōu)化的正確性。優(yōu)化后判據(jù)可以提高換流變壓器保護(hù)在閥側(cè)區(qū)內(nèi)單點(diǎn)接地故障下的靈敏度、動(dòng)作速度及故障定位準(zhǔn)確度。提高靈敏度和動(dòng)作速度可以進(jìn)一步提升整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)在部分極端情況下(如定值或測(cè)量回路異常導(dǎo)致直流相關(guān)保護(hù)不能動(dòng)作情況)的可靠性；而精準(zhǔn)定位故障,有利于現(xiàn)場(chǎng)事故分析處理,加快恢復(fù)送電的速度。同時(shí),文中指出對(duì)于Y/D接線(xiàn)的換流變,受CT安裝問(wèn)題等影響,優(yōu)化判據(jù)存在一定局限性；而CT暫態(tài)特性導(dǎo)致的測(cè)量誤差對(duì)新判據(jù)的影響也需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)收集總結(jié)進(jìn)一步驗(yàn)證。