特高壓直流輸電換流變壓器保護及充電試驗的探討

袁凱琪

【摘 ?要】近些年來，我國電力系統得到較大的發展，并且電力資源的分布不能使電力的需求得到較好的滿足，超高壓電網逐漸呈現其局限性。因此，特高壓電網的發展成為電網發展的大勢所趨，其中特高壓直流輸電術能夠使區域電能分布不均、輸送不便的問題得到有效的解決。本文首先簡單介紹特高壓直流輸電換流變壓器的保護工作，提出系統變壓器保護的一些設計及措施，并且也提出充電試驗測試系統調試的設計，以供參考。

【關鍵詞】特高壓直流輸電;變壓器;充電試驗

1 引言

換流變壓器對直流輸電而言十分重要，能夠對系統運行的穩定性及安全性起到一定的保護作用，因此需要對其給予足夠的重視。在換流站建設過程中，變壓器的投資占據較大的比例。然而，存在較多因素會對變壓器產生影響，從而導致變壓器運行安全遭受威脅。所以，在直流輸電系統運行中，必須重視變壓器運行安全的保護。

2 換流變壓器的基本特點

（1）存在直流偏磁問題：直流偏磁不僅導致鐵心周期性的飽和，并發出低頻噪聲，而且也將使得變壓器的損耗和溫升大幅增加。

（2）需要更高的絕緣裕度：換流變壓器在運行中既要承受交流電應力作用，又要承受較大分量的直流電應力作用，要求變壓器絕緣尤其是閥側絕緣對運行中的工作場強有足夠的耐受裕度，其絕緣問題非常突出。換流變壓器閥側除應承受一般交流電壓外，還要承受疊加的直流電壓，在系統輸送能量反向時，還有閥側繞組的直流極性反轉以及沖擊試驗電壓等。換流變壓器在運行中的絕緣事故在全部事故所占比例為50%左右。

（3）諧波問題：換流變壓器在運行中會流過特征諧波和非特征諧波電流。這些諧波作用于變壓器漏磁使得變壓器雜散損耗增大，有時還會使一些金屬部件和油箱產生局部過熱。數值較大的諧波磁通會引起磁滯伸縮噪音，且處于聲覺敏感頻段，必須采取有效的隔音手段。

3 特高壓直流輸電換流變壓器保護分析

（一）換流變壓器保護的配置原則

（1）可靠性：保護裝置完全冗余或三取二配置，每套冗余配置的保護完全一樣，有自己獨立的硬件設施。（2）靈敏性：保護的配置應該能夠檢測到所有可能的、致使換流變壓器及相關設備處于危險情況的的故障和異常運行情況，因此換流變壓器保護應采用分區重疊且無保護死區。（3）選擇性：保護裝置應能在對系統影響可能最小的處所，實現斷路器的控制操作，以終止換流變壓器故障或系統事故的發展。（4）快速性：應當能夠充分利用直流輸電控制系統，以盡可能快的速度隔離故障系統，保障系統和設備的安全。（5）安全性：保護應既不能拒動，也不能誤動。

（二）差動保護

換流變壓器差動保護和交流系統變壓器差動保護原理基本相同，都是反應的工頻分量，也都是建立在變壓器功率平衡的原理之上。但是換流變壓器中正常情況下就流過較大的諧波電流，這些諧波電流對勵磁涌流判據和TA飽和判據會產生較大的影響;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，在設計保護方案和整定定值時都要充分考慮到換流變壓器的這些特點為了提高交流繞組靠近中性點處發生接地故障時差動保護的靈敏度，可以配置交流繞組的零序差動保護（包括繞組差動保護）。由于該差動保護與變壓器的磁平衡沒有直接關系，可以不受勵磁涌流判據的閉鎖，因此大大提高了變壓器差動保護的靈敏度和動作速度。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的諧波含量和直流電流（直流電流不能被保護反應）;同時，差電流出現間斷，極端情況下可能導致該相電流基本消失（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，此情況下如果條件允許，可增設閥側繞組差動保護，以提高這種故障下差動保護的靈敏度。

（三）后備保護

后備保護主要包括過流、零序過流、零序過壓、過電壓、飽和保護等。

（1）過流保護主要作為換流變壓器各種故障的后備保護。由于只需與直流系統的最大過負荷能力配合，靈敏度容易滿足要求，因此不需采用復合電壓閉鎖與方向閉鎖。

（2）零序過流保護主要作為換流變壓器接地故障后備保護。為防止變壓器和應涌流對零序過流保護的影響，應具有二次諧波制動閉鎖措施。當二次諧波含量超過一定比例時，閉鎖零序過流保護。

（3）零序過壓保護為針對在閥未解鎖前，當閥側交流連線存在接地故障的保護。因為換流變壓器副邊不接地運行，保護主要在閥解鎖前檢測閥側交流連線的零序電壓來判斷是否有接地故障。閥解鎖后保護要被閉鎖，因為閥解鎖后會測得零序電壓，但是該零序電壓不是接地故障造成的。

（4）飽和保護為針對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人大地，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，要配置飽和保護防止這種情況下對換流變壓器造成的損壞。由于TA無法傳變直流電流，因此只能間接測量直流電流的大小。測量的基本原理如下：直流引起的鐵心飽和造成原邊繞組零序電流中含有3次諧波，通過檢測零序電流中3次諧波峰值，可以等效出流過換流變壓器的直流電流。

4 換流變壓器的充電試驗

總共進行三次充電試驗，后兩次通過開路試驗進行。（1）通過手動來控制換流變壓器分接開關，把換流變壓器二次側電壓設置為最低;（2）閉合斷路器，首次給極I 低端換流變壓器充電;（3）再次手動控制換流變壓器分接開關，設置為空載檔位;（4）將換流變壓器分接開關控制的手動換成自動;（5）換流變壓器首次充電后，使其運行1h;（6）在換流變壓器帶電運行過程中，檢查并記錄數據;（7）切斷斷路器，停止給換流變壓器充電;（8）過5min，再次閉合斷路器，再次給換流變壓器充電;完成換流變壓器充電后，繼續使之運行15min;與此同時，對換流變壓器、交流母線和閥廳進行檢測，檢測是否會出現電暈放電等其它事故出現，并給與記錄;（9）斷開斷路器，換流變壓器再次斷電;（10）過5min，閉合斷路器，第三次給換流變壓器充電;同上步驟，充電之后繼續保持運行15min;重復步驟（9）;（11）斷開斷路器，換流變壓器最后一次斷電;最后將斷路器轉冷備用，結束極I 低端換流變壓器帶換流器投切及帶電試驗。

5 結語

綜上所述，特高壓直流輸電技術以其特有的特點與技術優勢將在我國未來的經濟建設、社會發展等方面擔負起重要作用。從我國實際情況來看，發展特高壓直流輸電工程，是落實科學發展觀，貫徹國家能源政策，確保電力工業全面、協調、可持續發展的重大舉措，有利于實現更大范圍的資源優化配置，滿足未來我國經濟社會發展的用電需求，具有重大的政治意義、經濟意義和技術創新意義。

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（作者單位：國網山西省電力公司檢修分公司）