銀東直流換流變飽和保護(hù)動(dòng)作分析與改進(jìn)措施

吳明凱，劉 亮，楊 晨，王曉東，陳昊陽(yáng)

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司， 寧夏 銀川 750001）

直流輸電工程中， 接地極直接為直流系統(tǒng)傳導(dǎo)中性點(diǎn)電流， 并鉗制中性點(diǎn)處于零電位。 當(dāng)系統(tǒng)在非雙極對(duì)稱運(yùn)行方式下會(huì)改變接地極的電位， 導(dǎo)致流過(guò)接地極的電流會(huì)通過(guò)換流變壓器中性點(diǎn)流過(guò)變壓器繞組[1-2]， 使得換流變壓器發(fā)生直流偏磁[3-6]， 如果直流偏磁持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)， 將導(dǎo)致直流閉鎖， 破壞電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[7-8]。

本文通過(guò)一起銀東直流因換流變飽和保護(hù)動(dòng)作引起的直流閉鎖事件對(duì)直流偏磁產(chǎn)生機(jī)理及飽和保護(hù)進(jìn)行分析， 針對(duì)已經(jīng)投運(yùn)直流輸電工程出現(xiàn)直流偏磁及換流變飽和保護(hù)告警時(shí)故障處理提出改進(jìn)措施， 對(duì)保障換流變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有借鑒意義。

1 直流偏磁的基本原理

1.1 直流偏磁的定義

雙極對(duì)稱運(yùn)行方式下， 換流變壓器的鐵芯工作在非飽和狀態(tài)， 產(chǎn)生的勵(lì)磁電流為周期變化的正弦波， 其數(shù)值較小可以忽略不計(jì)； 當(dāng)星接換流變中性點(diǎn)流入直流分量， 將會(huì)引起勵(lì)磁電流向軸側(cè)偏移，換流變鐵芯工作點(diǎn)隨之移動(dòng)到磁化曲線飽和段， 鐵芯工作狀態(tài)由非飽和狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)， 產(chǎn)生波形畸變、 數(shù)值突增、 諧波含量劇增的勵(lì)磁電流。 在實(shí)際直流輸電工程中， 換流變壓器直流偏磁的限值根據(jù)計(jì)算設(shè)定為1.1 倍換流變額定勵(lì)磁電流[9]， 或小于等于10～15 dB[10]噪聲增量。

1.2 直流偏磁產(chǎn)生的原因

1.2.1 換流站及其附近的電位變化

直流輸電工程正常運(yùn)行時(shí)， 由于雙極運(yùn)行功率幾乎無(wú)差， 流入接地極的電流可以理解為正負(fù)抵消接近于零。 而在不對(duì)稱運(yùn)行工況時(shí)， 接地極由于正負(fù)電流不平衡， 抬高系統(tǒng)地電位， 與變壓器中性點(diǎn)形成電流回路， 嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象。

1.2.2 觸發(fā)角異常

正常情況下， 換流閥一個(gè)閥導(dǎo)通時(shí)間為120°，按照閥1～閥6 順序依次導(dǎo)通， 流過(guò)換流變壓器閥側(cè)的電流在正負(fù)半周是對(duì)稱的， 換流變閥側(cè)繞組無(wú)直流電流流過(guò)， 換流變不產(chǎn)生直流偏磁。 但是換流閥在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中， 會(huì)出現(xiàn)閥誤導(dǎo)通或不導(dǎo)通的情況， 這種觸發(fā)角異常會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變閥側(cè)的電流出現(xiàn)直流電流分量， 從而在換流變壓器中產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象。

1.2.3 直流線路與交流線路相鄰

在直流系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中， 直流電流（包括以12k 次為主的諧波電流） 流過(guò)直流線路， 由于換流閥不斷地進(jìn)行換相， 換流變網(wǎng)側(cè)繞組中會(huì)有諧波電流出現(xiàn)， 當(dāng)此電流大于一定值時(shí)， 會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象， 持續(xù)時(shí)間過(guò)久會(huì)引起飽和保護(hù)動(dòng)作。

1.3 直流偏磁的危害

1.3.1 噪聲增大

根據(jù)數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況， 當(dāng)換流變壓器發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象時(shí)， 換流變運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲會(huì)根據(jù)直流偏磁的程度成倍增加。 而當(dāng)噪聲頻率與換流變內(nèi)部部件發(fā)生頻率共振時(shí)將會(huì)產(chǎn)生更大噪聲。

1.3.2 振動(dòng)加劇

當(dāng)換流變出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象時(shí)， 換流變鐵芯在一定周期內(nèi)出現(xiàn)磁飽和， 從而畸變勵(lì)磁電流突增導(dǎo)致磁滯伸縮加劇， 進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q流變鐵芯振動(dòng)加劇。

1.3.3 局部過(guò)熱

換流變內(nèi)部位于鐵芯表面的鐵芯拉板或支撐板， 在換流變發(fā)生直流偏磁后， 會(huì)存在半個(gè)周波的高磁場(chǎng)， 進(jìn)而造成拉板或支撐板溫升激增引起局部過(guò)熱。

1.3.4 系統(tǒng)電壓下降

換流變發(fā)生直流偏磁后， 會(huì)產(chǎn)生波形畸變且數(shù)值突增的勵(lì)磁電流， 引起系統(tǒng)無(wú)功需求劇增。

如果換流站內(nèi)交流濾波器或調(diào)相機(jī)等無(wú)功補(bǔ)償裝置不能滿足無(wú)功需求， 電網(wǎng)交流系統(tǒng)電壓將會(huì)下降。

2 換流變飽和保護(hù)

2.1 換流變飽和保護(hù)基本原理

當(dāng)實(shí)際直流工程在雙極不對(duì)稱方式工況下運(yùn)行時(shí)， 會(huì)有直流電流由換流變壓器中性點(diǎn)流入變壓器， 如果此電流長(zhǎng)時(shí)間存在會(huì)引起換流變壓器鐵芯飽和并且導(dǎo)致?lián)Q流變壓器產(chǎn)生突增且畸變的勵(lì)磁電流。 在中性點(diǎn)沒(méi)有安裝直流電流互感器的情況下，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)間接計(jì)算得出流入變壓器中性點(diǎn)的直流電流。

飽和保護(hù)監(jiān)測(cè)換流變壓器一次側(cè)中性點(diǎn)電流，采用多段折線構(gòu)成的反時(shí)限動(dòng)作曲線來(lái)反映直流電流的大小。 飽和保護(hù)配置有告警段和跳閘段。 告警段只會(huì)產(chǎn)生告警信號(hào)， 跳閘段通過(guò)時(shí)間-電流坐標(biāo)模擬反時(shí)限曲線原理， 其邏輯見(jiàn)圖1。

圖1 飽和保護(hù)動(dòng)作原理圖

2.2 銀川東換流站飽和保護(hù)配置情況

銀川東換流站飽和保護(hù)采集換流變壓器中性點(diǎn)電流I0在連續(xù)6 個(gè)周期內(nèi)（120 ms） 的每個(gè)周期中最大值， 采樣頻率為1 200 Hz， 去掉最大值和最小值后， 取剩下4 個(gè)值的平均值作為換流變星接網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)電流峰值計(jì)算值I0fz， 等效為流入換流變壓器的直流電流的大小。 實(shí)際直流工程中飽和保護(hù)告警段只設(shè)置定時(shí)限段， 其動(dòng)作條件是流過(guò)中性點(diǎn)電流峰值大于整定值時(shí)， 飽和保護(hù)告警動(dòng)作， 向運(yùn)行人員工作站發(fā)出換流變飽和保護(hù)告警信號(hào)； 實(shí)際直流工程中反時(shí)限跳閘整定6 個(gè)定值（包括中性點(diǎn)電流峰值I0fz和動(dòng)作時(shí)間T） ， 通過(guò)對(duì)計(jì)算電流與整定值進(jìn)行曲線擬合， 來(lái)實(shí)現(xiàn)飽和保護(hù)跳閘。 當(dāng)I0fz大于反時(shí)限最小值時(shí)， 反時(shí)限邏輯啟動(dòng)， 計(jì)算進(jìn)行時(shí)間， 對(duì)應(yīng)6 個(gè)不同的定值， 計(jì)算不同的跳閘時(shí)間，當(dāng)時(shí)間滿足時(shí)啟動(dòng)跳閘邏輯， 從而達(dá)到保護(hù)跳閘目的。 當(dāng)I0fz大于反時(shí)限上限值時(shí)， 飽和保護(hù)按照反時(shí)限上限值計(jì)算的時(shí)間進(jìn)行跳閘。 當(dāng)飽和告警或跳閘后， 只有中性點(diǎn)電流峰值I0fz連續(xù)100 ms 小于反時(shí)限下限時(shí)， 飽和告警和跳閘才能被復(fù)歸， 計(jì)時(shí)器清零。

實(shí)際直流工況中， 為保持換流變飽和保護(hù)與其發(fā)生的直流偏磁嚴(yán)重程度一致， 在進(jìn)行時(shí)間定值整定時(shí)， 按照延時(shí)時(shí)間從大到小依次整定t1～t6， 分別對(duì)應(yīng)第一點(diǎn)延時(shí)時(shí)間到第六點(diǎn)延時(shí)時(shí)間， 反時(shí)限上限、 下限分別對(duì)應(yīng)t 上限、 t 下限。 根據(jù)銀東直流工程飽和保護(hù)定值繪制的反時(shí)限曲線見(jiàn)圖2。

圖2 銀川東換流站換流變飽和保護(hù)反時(shí)限曲線

當(dāng)換流變零序保護(hù)1 段、 零序保護(hù)2 段、 零流反時(shí)限告警和零流反時(shí)限動(dòng)作后閉鎖直流飽和保護(hù)（包括直流飽和告警和反時(shí)限跳閘）。

3 故障時(shí)刻波形分析

3.1 故障簡(jiǎn)述

2022 年3 月24 日19 時(shí)18 分， 膠東換流站極Ⅱ換流變保護(hù)A 套飽和保護(hù)動(dòng)作， 極Ⅱ閉鎖。 產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作的原因?yàn)殂y東直流極Ⅱ單極大地回線運(yùn)行方式下， 產(chǎn)生直流偏磁， 膠東站A 套換流變保護(hù)電流采樣零漂較大， 在單極大地回線單極滿負(fù)荷運(yùn)行方式下引起換流變中性點(diǎn)流入直流， 達(dá)到飽和保護(hù)動(dòng)作定值， 極Ⅱ閉鎖， 功率損失1 980 MW。 為此，對(duì)銀川東換流站不同運(yùn)行工況下的換流變網(wǎng)側(cè)星型中性點(diǎn)電流進(jìn)行分析。

3.2 故障時(shí)刻銀川東換流站波形分析

銀川東換流站調(diào)取3 月24 日19 時(shí)18 分， 極Ⅱ閉鎖時(shí)刻故障錄波（功率1 980 MW，電流3 000 A）并進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)換流變網(wǎng)側(cè)星型中性點(diǎn)電流有輕微偏移， 存在較輕微的直流偏磁現(xiàn)象（見(jiàn)圖3） 。 錄波顯示， 閉鎖前中性點(diǎn)電流最大值為0.007 A（二次值）。

圖3 閉鎖前極Ⅱ換流變波形

銀川東換流站調(diào)取3 月25 日9 時(shí)48 分， 雙極平衡運(yùn)行波形（功率2 000 MW， 電流1 515 A） 并進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)換流變網(wǎng)側(cè)星型中性點(diǎn)電流無(wú)偏軸運(yùn)行情況， 系統(tǒng)平衡運(yùn)行良好。 錄波最大值（二次值） 為0.007 A， 換流變保護(hù)采樣值與故障錄波采樣值一致（見(jiàn)圖4、 圖5）。

圖4 雙極平衡運(yùn)行極Ι 換流變波形

圖5 雙極平衡運(yùn)行極Ⅱ換流變波形

銀川東換流變飽和保護(hù)分別投入告警段與反時(shí)限段。 其中， 告警段定值為0.055 A， 延時(shí)500 s 動(dòng)作； 反時(shí)限下限定值為0.094 A， 延時(shí)5 000 s 動(dòng)作。 根據(jù)上述兩種情況分析， 閉鎖前時(shí)刻網(wǎng)側(cè)星型中性點(diǎn)電流值（二次值） 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于告警段定值， 更小于反時(shí)限定值（0.007 A＜0.055 A＜0.094 A） 。 雙極平衡運(yùn)行同理。

根據(jù)上述時(shí)刻電流波形分析， 在極Ⅱ單極大地運(yùn)行時(shí)， 系統(tǒng)存在較輕微直流偏磁現(xiàn)象。 在此期間， 閥控系統(tǒng)運(yùn)行正常， 交流系統(tǒng)運(yùn)行正常， 因此排除由觸發(fā)控制系統(tǒng)異常或交流系統(tǒng)異常造成觸發(fā)角異常導(dǎo)致的直流偏磁現(xiàn)象。 隨后調(diào)取極Ⅱ單極大地運(yùn)行工況、 極Ⅱ單極金屬運(yùn)行工況及雙極平衡運(yùn)行3 種工況， 對(duì)中性母線電壓UDN 進(jìn)行分析。 在雙極平衡運(yùn)行時(shí)， UDN 在零電位左右。 在單極金屬運(yùn)行工況下， UDN 為29 kV 左右（該運(yùn)行方式下，逆變站為接地站， 整流站UDN 不等于0 為正常現(xiàn)象） 。 單極大地運(yùn)行工況下， UDN 為37 kV 左右。對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 在單極大地運(yùn)行工況時(shí)， 中性線電壓稍有抬高， 與網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)零電位點(diǎn)形成電勢(shì)差， 導(dǎo)致輕微直流電流流入換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)， 造成星型網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)電流向一側(cè)偏軸（見(jiàn)圖6～第97 頁(yè)圖8）。

圖6 單極大地運(yùn)行工況

圖7 單極金屬運(yùn)行工況

圖8 雙極平衡運(yùn)行工況

綜上所述， 本次單極大地回線運(yùn)行方式下， 由于接地極地電位升高， 進(jìn)而造成輕微直流偏磁現(xiàn)象的發(fā)生。

4 改進(jìn)措施

針對(duì)已投運(yùn)的直流工程， 在單極大地運(yùn)行時(shí)易發(fā)生直流偏磁引起換流變飽和保護(hù)動(dòng)作的情況， 提出以下改進(jìn)措施。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行補(bǔ)充完善。 在直流系統(tǒng)出現(xiàn)單極大地運(yùn)行情況時(shí)， 現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)第一時(shí)間檢查保護(hù)裝置及故障錄波采樣， 判斷換流變網(wǎng)側(cè)星型中性點(diǎn)電流運(yùn)行是否存在偏軸現(xiàn)象， 有無(wú)直流電流流入換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)。

換流變飽和保護(hù)告警后， 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)結(jié)合后續(xù)操作， 建議下一步需投入另一極， 盡快降低系統(tǒng)運(yùn)行功率和電流， 否則將單極大地運(yùn)行方式轉(zhuǎn)為單極金屬運(yùn)行方式。

建議研究換流變飽和保護(hù)動(dòng)作增加回降功率動(dòng)作段的可行性， 并固化回降功率定值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)直流偏磁的定義及目前換流變壓器產(chǎn)生直流偏磁的原因進(jìn)行分析， 在此基礎(chǔ)上對(duì)銀東直流發(fā)生的一起由于直流偏磁引起的換流變壓器飽和保護(hù)動(dòng)作事件進(jìn)行針對(duì)性分析， 從換流變壓器飽和保護(hù)的原理、 配置及故障時(shí)刻電壓、 電流波形， 分析本次銀東直流換流變壓器飽和保護(hù)動(dòng)作情況。 最后針對(duì)已投運(yùn)的直流工程在單極大地或雙極不平衡運(yùn)行工況下易發(fā)生直流偏磁進(jìn)而引起換流變飽和保護(hù)動(dòng)作， 提出兩點(diǎn)改進(jìn)措施。