換流變壓器勵磁涌流特性及其對差動保護的影響

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和經濟上的獨特優勢，在我國遠距離大容量輸電和大區聯網中得到廣泛應用。高壓直流輸電的可靠性一定程度上決定了區域電網穩定性，作為直流換流站的主要設備，換流變壓器的作用很重要，換流變保護必須保證換流變壓器的設備安全及系統的可靠運行[1]。換流變的一次結構、變壓器特性及保護配置都與普通變壓器有很大區別，特別是大差差動保護在空載合閘時產生的勵磁涌流特性和普通變壓器有本質的不同，需要針對其特殊性進行詳細分析，并采用與其特征對應的保護策略。

1換流變與普通變壓器保護的區別

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

1.1一次結構

高電壓等級大容量的換流變壓器通常是由完全獨立的2臺兩圈變壓器組成，1臺Y/Y接線，1臺Y/D接線，2臺變壓器并聯運行，同時投退。

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程實際上就是兩相短路，為了將換相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[2]。

1.2 TA配置

換流變壓器和普通變壓器相比，配置了較多的保護用TA，除了開關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的TA。另外，換流變低壓側為直流系統的換流閥，由于空間的限制，Y/D接線換流變的低壓側TA一般是接在三角環內。從差動保護的角度來看，2個兩圈變均相當于Y/Y接線，保護裝置計算差流無需進行星角變換。

1.3保護配置

換流變配置了較多的TA，可以配置更加復雜和完善的差動保護。同時由于換流變壓器的短路阻抗較大，內部故障情況下差電流較小，對差動保護靈敏度也提出了更高的要求。

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

考慮以上因素，當條件允許時，換流變通常配置8個差動保護，各保護的保護范圍相互重疊，互為補充，如圖1所示。其中TA1、TA2、TA3、TA4構成大差差動保護，保護從交流開關到閥側的整個范圍；TA3和TA5構成星接小差差動；TA4和TA6構成角接小差差動，2個小差分別保護 2個小變壓器。TA1、TA2、TA13、TA14構成引線差動，保護交流開關到換流變高壓側套管部分；TA5 和 TA7、TA6 和 TA8、TA3 和 TA9、TA4 和TA10構成繞組差，分別保護換流變的4個繞組。

圖1 換流變差動保護配置

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

2換流變空投時勵磁涌流特性分析

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，大差差流可能出現非常明顯的故障特征。下面結合換流變的一次實際空充波形，對這種現象進行分析。

2.1現場波形

現場實際一次接線和TA配置與圖1相同。TA2處的開關處于斷開狀態，無電流；閥側未解鎖；換流變通過TA1處開關空載合閘。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實際測量電流，TA1的電流等于TA5和TA6之和；圖5為消除直流分量和標幺化后的大差差流波形；圖6、圖7、圖8分別為2個小差和大差差流中的二次諧波含量。

圖2 Y/Y換流變網側套管TA5電流

圖3 Y/D換流變網側套管TA6電流

2.2換流變大差勵磁涌流的特殊性

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

圖4網側開關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

從現場實際錄波來看，換流變大差的勵磁涌流和普通變壓器的勵磁涌流有較大區別。普通變壓器涌流一般偏于時間軸一側，衰減較快；而換流變的勵磁涌流可能出現關于時間軸對稱、衰減較慢、諧波含量較低的情況。產生這種不同的最主要原因為換流變大差的勵磁涌流是2臺變壓器勵磁涌流的綜合結果。由于每臺小變壓器有自己獨立的磁回路，因此會產生獨立的勵磁涌流，當2個勵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，和電流中工頻分量會占據絕大部分，從而產生非常明顯的故障特征。

Y/Y和Y/D 2臺變壓器雖然空充時的電壓初始相位相同，但仍然可能產生不同的勵磁涌流，主要有以下幾個影響因素：（1）空充前初始剩磁不同[3]。（2）2臺獨立變壓器，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換流變由于低壓側存在三角環，在空充過程中會出現一定的零序環流，從而對變壓器磁通產生影響。而Y/Y變壓器因為閥處于未解鎖狀態且低壓無三角環，所以空充過程中低壓側基本無電流。

可以看出，Y/Y和Y/D 2臺變壓器的勵磁涌流受很多因素影響，一般不會完全相同，特殊情況下和電流確實可能出現工頻分量高且直流和二次諧波含量低的情況。此外由于2臺變壓器同時空充，涌流之間會相互影響，產生比較復雜的和應涌流，造成涌流衰減速度比較慢，甚至可能在一段時間內出現逐漸增大的情況[4]，如圖2所示。

2.3對保護的影響

由于換流變差動保護使用的TA之間不存在角差，因此差動保護無需進行星角變換，各相差流均可獨立計算，無相互影響。為保證區內故障時保護可快速出口，差動保護的涌流判據可采用分相閉鎖方式，即一相涌流判據滿足就可以開放本相保護。因為大差的這種特殊勵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，大差差動在空充時存在誤動的可能性。

3解決方案

空充時大差差動存在誤動的可能，因此需要對現有保護判據進行修改完善。

3.1現有的電流判據無法可靠閉鎖

目前判別勵磁涌流最主要的是二次諧波原理，此外還有間斷角原理，波形識別等方法[5]。這些方法中絕大多是都是以差流波形為基礎進行分析。實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。當波形中的直流分量、二次諧波、其他各次諧波都較小時，說明該波形以基波工頻分量為主，和短路時的故障電流無明顯區別，因此所有單純基于相差流的判據均無法可靠閉鎖。若要解決這個問題，需要引入大差差流之外的其他電氣量進行輔助判別。

3.2小差差流和網側電壓相結合的判別方式

從物理概念上來講，小差的勵磁涌流具有實際的物理意義，因此小差差流和大差相比，可以更直接地反應變壓器的工作狀態。從上述現場實際波形也可以看出，2個小差電流均有明顯的涌流特征，二次諧波含量也較高，利用現有主流方法均可可靠識別。因此可以使用2個小差的勵磁涌流判據閉鎖大差對應相，即大差動作除自身涌流判據開放外，還需兩小差中任一對應相的涌流判據開放。但大差和小差相比，其保護范圍是不同的，因此不能單純的考慮空充時的勵磁涌流，還要兼顧合閘于故障和實際運行中發生故障的情況。

采用小差閉鎖大差的方式，當小差范圍內發生故障時，小差勵磁涌流判據可以開放，因此大差保護不受影響。但當變壓器引線上發生故障時，該故障對于小差為穿越性故障，小差差流可能很小，其涌流判據無法給出正確結果，可能造成大差差動保護拒動。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側電壓進行輔助判別。當識別到網側電壓明顯低于正常電壓時，大差不經小差涌流判據閉鎖。

綜上所述，可采用結合小差涌流判據和電壓的方法對大差涌流閉鎖判據進行完善。當網側電壓正常時，使用兩小差的涌流判據閉鎖大差差動；當網側電壓明顯低于額定電壓時，大差涌流判據不變，不受小差影響。使用這種綜合閉鎖判據，再結合換流變冗余度很高的差動保護配置，既可保證空投過程中大差保護可靠閉鎖，又可保證發生區內故障時保護動作時間不受影響。

4結束語

從換流變獨特的一次結構和保護配置出發，分析了換流變空充時，大差差流中出現明顯故障特征的原因，對這種特殊的勵磁涌流的產生原因和特性進行了詳細分析，并提出了結合小差涌流判據和網側電壓的換流變大差勵磁涌流閉鎖判據。

[1]韓曉東，翟亞東.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.超高壓直流系統中的換流變壓器保護[J].電力系統自動化，2006,30(9)：91-94.

[3]張紅躍.換流變大差保護勵磁涌流識別的思考[J].電力系統保護與控制，2011，39(20)：151-154.

[4]邵德軍，尹項根，張 哲，等.基于基波幅值增量的變壓器和應涌流識別方法[J].中國電機工程學報，2010，30(10)：151-154.

[5]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[J].北京中國電力出版社，1996.