關于變壓器的保護措施分析

摘要：文章分析了換流變壓器的特點以及超高壓直流輸電的各種運行工況對換流變壓器保護帶來的影響。提出了換流變壓器保護的總體設計思想。

關鍵詞：換流變壓器 保護 分析

0 引言

超高壓直流輸電由于其特有的優點，越來越廣范的得到應用。這些優點包括：不須考慮穩定問題；線路故障恢復能力較強；調節作用利于交流系統的穩定；減少互聯交流系統的短路容量；超過一定距離建設投資更經濟等。換流變壓器是直流輸電系統中必不可少的重要設備。它可以提供相位差為30°的12脈波交流電壓，降低交流側諧波電流；作為交流系統和直流系統的電氣隔離，提供閥的換相電抗：通過換流變壓器可以在較大范圍內調節交流電壓，以使直流系統運行在最優的狀態等。

1 換流變壓器的特點

1.1 短路阻抗直流輸電中閥的換相過程實際上就是兩相短路，為了將換向過程中的電流限制在一定范圍內，換流變壓器的短路阻抗要大于一般變壓器。短路阻抗過大，會使換流變壓器二次側故障時短路電流較一般變壓器小，因此保護配置與整定要在這方面予以考慮。

1.2 直流偏磁當直流系統在使用大地回線的情況下，在一些運行工況下會有直流電流流入大地，如雙極不平衡運行，單極大地回線方式等，使地電位發生變化，造成直流電流流入變壓器原邊繞組，使換流變壓器發生直流偏磁，工作點偏移。如果此直流電流過大，會導致換流變壓器鐵心飽和，同時損耗和溫升也將增加。因此，要配置相應的保護防止這種情況下對換流變壓器造成的損壞。

1.3 諧波由于換流器的非線性，在交流和直流系統中將出現諧波電壓和電流。對于換流變壓器，主要會流過特征諧波電流，即p*n+1次諧波電流(p為脈波數，n為任意正整數)。在運行中，諧波電流會使換流變壓器損耗和溫升增加，產生局部過熱，發出高頻噪聲。還會使交流電網中的發電機和電容器過熱，對通訊設備產生干擾。這些諧波電流應加以考慮，以免對保護裝置造成影響。

1.4 調壓分接頭為了使直流系統運行在最優的工況，減少交流系統電壓擾動對直流系統的影響，換流變壓器都具有較大范圍的利用分接頭調整電壓的功能。例如：三峽到常州工程三峽側換流變壓器檔位范圍+25/-5，每檔調節范圍1.25％。因此保護設計時要考慮分接頭調整帶來的影響，如正常運行時變比的變化等。

1.5 直流系統的特殊運行工況由于直流控制系統的特殊調節作用，使換流變壓器遇到的運行工況以及故障情況不同于普通變壓器。這些不同主要包括以下幾點：

1.5.1 直流系統的故障相當于換流變壓器的區外故障，一般短路電流都不會太大。對于整流側，穿越換流變的電流會增大，但由于直流控制保護系統的快速作用，很快會減小。對于逆變側，直流系統的故障會造成直流電流無法傳變至交流側，反而會使穿越電流減小。

1.5.2 對于換流變壓器保護來說，直流系統造成的最嚴酷的區外故障為整流側的閥短路故障，相當于換流變出口的兩相或三相短路故障。但由于直流保護的干預，實際只會出現半個周波的兩相短路。對于逆變側，由于觸發角很大，閥短路時流過換流變壓器的電流較整流側小很多。

1.5.3 換流變壓器發生區內故障時，直流系統一般不會提供短路電流。這是由直流控制系統的作用造成的。在整流側，功率由交流側轉換至直流側，換流變壓器的故障只會造成這種轉換的停止，而不會使功率反向，因此直流側不會提供短路電流；在逆變側，當故障輕微換相可以正常進行時，由于直流系統的定電流控制特性，直流側不會提供額外的短路電流。如果故障嚴重，必然造成換相無法進行(交流電壓降低)，直流側更不會提供短路電流。

1.5.4 由于直流控制系統快速的調節作用，在需要的時候，可以快速的將功率傳輸由一個方向反至另一個方向，對于換流變壓器來說。就會出現快速的潮流反向。

1.5.5 換流變壓器保護區內發生接地故障時，實際造成了閥的短路。由于閥的單向導電性，故障電流半周電流大，半周電流小，導致差電流中含有較大的二次諧波。

1.5.6 對于逆變側的換流變壓器的區內故障，往往會導致換相失敗的發生，從而在穿越電流電流中產生很大的諧波，但差電流(即提供給故障點的電流)仍主要為工頻分量。

1.5.7 由于換流變壓器的特殊運行方式以及較大的漏抗(作為換相電抗)，二次側故障一般不會造成各側TA的飽和，即使飽和造成保護的“誤動作”也是正確的(換流變的區外即閥的區內故障，都會造成直流的停運)。但對于一個半開關的接線方式，交流系統區外故障時高壓側TA存在飽和的可能。這種情況下的誤動作是不可接受的，必須防止。

1.5.8 在閥來解鎖前，當閥側交流連線存在接地故障時，并不產生接地電流，也不會對變壓器造成損害。但如此時不發現故障，閥一解鎖后，就會造成閥的短路。因此要設置保護檢測這種情況下的接地故障。

2 換流變壓器的保護措施

2.1 保護的配置原則為了保證既可靠又安全，在既簡單又經濟的情況下，可以這樣配置換流變壓器保護：每臺換流變壓器保護裝設兩臺保護裝置，每臺保護裝置的電源、輸入獨立，每臺裝置的輸出都可以到達斷路器的兩個跳閘線圈以及直流控制的兩個系統。每臺裝置采取措施防止自身誤動作，而靠兩裝置的或出口防止故障情況下的拒動作。

2.2 保護的配置及原理為了避免換流站特有的諧波對保護的影響，保護裝置應從硬件和軟件上采取措施，使保護只針對工頻分量。

主保護包括穩態比率差動、差動速斷、工頻變化量比率差動、零序比率差動、過激磁保護。后備保護包括過流、零序過流、過電壓、零序過壓、飽和保護。

2.2.1 穩態比率差動保護由于變比和聯接組的不同，電力變壓器在運行時，各側電流大小及相位也不同。在構成繼電器前必須消除這些影響。換流變壓器的TA一般裝在各側繞組上，因此原、副邊繞組電流相位相同，因此只需要對變比的影響進行補償。以下的敘述的前提均為已消除了變壓器各側幅值和相位的差異。

穩態比例差動保護用來區分感受到的差流是由于內部故障還是不平衡輸出(特別是外部故障時)引起。裝置采用初始帶制動的變斜率比率制動特性，穩態比率差動元件由低值比率差動(靈敏)和高值比率差動(不靈敏)兩個元件構成。為了保證區內故障的快速切除，只有低值比率差動元件(靈敏)設有TA飽和判據，高值比率差動元件(不靈敏)不設TA飽和判據。

對于換流變壓器分接頭調整造成的差動電流不平衡，可用三種方法來解決：一是通過整定值躲開；二是利用浮動門檻自適應調整：三是利用分接頭位置來調整。方法一、二簡單實用，三實現起來復雜。

2.2.2 工頻變化量比率差動保護裝置中依次按相判別，當滿足一定條件時，工頻變化量比率差動動作。工頻變化量比率差動保護經過涌流判別元件、過激磁閉鎖元件閉鎖后出口。

由于工頻變化量比率差動的制動系數可取較高的數值，其本身的特性抗區外故障時TA的暫態和穩態飽和能力較強。工頻變化量比率差動元件提高了裝置在變壓器正常運行時內部發生輕微匝間故障的靈敏度。且工頻變化量比率差動保護不會受換流變壓器分接頭調整造成的差動電流不平衡的影響。

2.2.3 后備保護后備保護包括過流、零序過流、過電壓、零序過壓、飽和保護。

3 小結

分析換流變壓器與交流系統的主變壓器比較所具有特點，闡述了這些特點以及直流輸電的各種特殊運行工況對換流變壓器保護帶來的影響，并提出了相應的保護方案。