換流變壓器閥側接地故障分析及保護優化

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(國網電力科學研究院)有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引言

高壓直流輸電(high voltage direct current transmission,HVDC)系統電壓等級高,送電容量大,送電距離遠,線路故障恢復能力強,調節速度快,有利于交流系統的穩定,可實現電力系統間的非同步聯網,因此得到了越來越廣泛的應用[1—4]。隨著大批高壓直流輸電工程的投運,直流運行的穩定性對電網安全穩定控制的影響日益顯著[5]。

作為HVDC系統中最主要的設備之一,換流變壓器是接在交流系統與換流橋之間的電力變壓器,提供相位差為30°的12 脈動交流電壓。換流變設備能否安全運行直接影響整個直流輸電系統運行的可靠性。換流變閥側發生單點接地故障時,故障特征同普通的接地系統有很大不同。目前針對換流變閥側故障以及換流變壓器差動保護特性已有相關研究。文獻[6—9]主要介紹直流輸電的基本知識和發展概況；文獻[10—13]通過現場故障以及仿真分析等對不同工況下閥側故障的特征進行了分析,指出由于換流閥具有單向導通性,閥側套管電流和直流中性端套管電流均呈周期性變化,閥側接地故障應分為6種不同情況進行分析,故障電流中有較大的諧波含量；文獻[14—18]主要探討了涌流對換流變保護的影響,指出故障性涌流,并聯變壓器的合應涌流,恢復性涌流均可能導致換流變保護的不正確動作以及直流的換相失敗,并提出了相應的解決方案；文獻[19—20]重點研究區內故障時的諧波對換流變保護的影響,指出閥側故障差流小,且整流側和逆變側故障特征不同,逆變側故障后的諧波可能導致保護拒動；文獻[21]指出直流換相失敗可能導致換流變飽和,此時零序保護可以對主保護起到很好的補充作用；文獻[22]探討了換相失敗后的直流電流可能導致電流互感器(current transformer,CT)飽和,進而引起換流變出現拒動的可能；文獻[23]通過仿真闡述了故障下各保護的一些配合關系,指出部分換流變故障需要靠換流器差動配合切除。目前針對換流變閥側單點接地故障下換流變不同類型保護的靈敏度分析對比,特別是Y/Y接線變壓器閥側中性點發生故障后保護的動作特性的研究較少。

文中概括總結了閥側接地故障的波形特征及影響因素,歸納了現有保護配置及其對閥側故障的響應特性,進而提出了基于零序差動和快速零序過流原理的換流變閥側保護,并通過現場波形及實時數字仿真系統(real-time digital simulator,RTDS)仿真結果進行分析驗證。文中方案可提高保護系統的整體可靠性,有利于現場故障的準確定位。

1 閥側故障特征及保護現狀

1.1 換流變閥側故障特征

換流變壓器直接連接換流閥,交流系統經過換流變和換流閥轉換后同直流系統相連,其系統接線方式同普通變壓器有很大的不同。對于網側故障或者閥側兩相、三相故障,故障電流大,現有保護靈敏度高,無需特殊分析研究。對于閥側單點接地故障(指換流變閥側CT首端到中性點之間的部分,包括換流變閥側繞組及其引出線、中性點等部分的故障),故障特征同常規交流系統差異較大,故障電流具體呈現以下特征：

(1) 故障特征弱。換流變閥側自身無接地點,但直流側有接地點。閥側發生單點接地故障時,故障點同直流側接地點形成回路。由于直流側接地點通常離換流站有一定距離,且換流變短路阻抗一般較大,將導致閥側單點接地故障電流相對較小。整流側和逆變側短路后特征不同,通常逆變側故障電流會更小。

(2) 故障電流諧波含量高。換流閥及直流系統不能簡單等效為交流系統中的電源或負荷,換流閥是周期性導通和關斷的,且閥具有單向導通特性,當閥側發生換流變區內單相接地故障后,不同閥導通時換流變閥側CT(包括首端CT和尾端CT)感受到的故障電流不同,因此故障電流不對稱,其中包含有大量諧波分量。如圖1所示,當系統在F1處發生故障時,不同時刻的電流流向不同。如紅色閥導通時,電流沿紅色箭頭方向流動,此時故障相首端CT有電流流出；藍色閥導通時,故障相首端CT有電流流入；綠色閥導通時,故障相首端CT電流為0。

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

(3) 故障電流持續變化。閥解鎖后,一旦換流變區內發生故障,系統電壓和直流側電流都會跟隨變化,對直流系統會產生一定影響,直流控保的動作行為會進一步影響故障波形特征,故障電流呈現持續變化的特征。

(4) 故障電流中存在零序電流。由于存在接地點,因此換流變閥側首端自產零序電流始終存在且等于流入故障點的電流。

(5) 特殊故障無差流。對于Y/Y換流變中性點發生接地的特殊故障(圖1中的F2處),各相首端CT和尾端CT電流大小一致,無差流,故障電流只流過對應導通的單相繞組。此種情況當前換流變保護設計分析中未見考慮。

1.2 現有保護配置及區域劃分

換流變閥側故障位于換流變保護區域,同時直流保護中的換流器保護,極保護等雖然保護的主要對象不是換流變壓器,但也可以反應部分換流變區內故障,可以對換流變保護進行有效補充,共同構成完整的保護體系。圖2為直流輸電系統的結構示意圖和保護區域劃分,可以看出,換流變保護保護區域為換流變網側到閥側,換流器保護的設備是換流器本體,極保護則以極為保護對象。

圖2 閥側相關保護區域Fig.2 Protection zone of valve side

1.3 現有保護的特性及不足

不同直流工程保護配置有所不同,以特高壓直流輸電系統的保護配置為例進行分析說明。目前各保護區域中,部分保護可以反應閥側接地故障,部分保護則不能,表1為主要相關保護的動作特性。

表1 換流變閥側相關保護配置及性能Table 1 Protection configuration and performance of converter valve side

由表1可以看出,不同類型故障下,可以有效動作的保護各不相同。

(1) 閥未解鎖時發生接地故障。此時直流側的接地點同換流變隔離,系統無零序回路,因此基本無故障電流,相當于普通的不接地的交流系統。使用閥側的零序過壓保護可以很好地反應此類故障,該保護動作后會禁止閥解鎖,防止故障進一步擴大。

(2) 解鎖后換流變閥側區內接地故障。此時故障點在換流變閥側首端CT和末端CT之間,故障點處存在故障電流,換流變閥側首末兩端CT測量值不同,同時網側電流和閥側電流也不再成比例變化。因此換流變大差,小差,以及繞組差動保護均會產生差流。但按前文分析可知,此時差流中的諧波含量可能偏高,造成經勵磁涌流判據的大差和小差差動被閉鎖,無法動作。繞組差不經涌流判據,但在差流較小的情況下仍存在靈敏度不足的問題。換流器保護中的換流器差動和極保護中的極差動使用直流側的電流作差動,當差流達到定值時,保護可以快速動作,但動作元件不在換流變保護內,因此動作后故障定位較為困難,不宜查找故障點。此外閥側過流保護也可能滿足動作條件,但動作速度較慢,換流變網側的過流和零流保護則無法反應此類故障。

(3) Y/Y換流變閥側中性點故障。此類故障比較特殊,故障點位于換流變保護范圍內,但對于變壓器的各種差動均為穿越性故障,理想情況下差流為0,因此換流變自身的差動保護無法反應此類故障。但從另一角度,正因為換流變的磁平衡沒有被打破,會有較大電流流過換流變繞組,此時網側也能感受到同比例的電流及零序電流,網側的過流和零流可以動作,但時間通常較慢。同樣,換流器差動和極差動也可以反應此類故障,但不利于故障排查和定位。

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

2 保護優化方案

對于上述問題,可對換流變自身的保護配置和算法進行優化。

2.1 配置優化

文中提供了快速零序保護和零序差動保護2種配置優化措施,具體保護配置見圖3。

圖3 保護優化配置Fig.3 Optimized protection configuration

2.1.1 快速零序保護

由于方案針對的是閥側接地故障,當閥解鎖后,必然有故障電流,而故障電流在換流變保護中則體現為閥側的零序電流。換流變自身不接地,在無內部故障的情況下,理論上閥側的首端和尾端均無零序電流,因此可以配置較為快速的零序過流反應此類接地故障。

零序過流保護可使用Y/Y換流變的閥側首端CT和尾端CT。當首端零流保護動作時,表示閥側內部存在接地故障,當尾端零流保護動作時,表示中性點處存在接地故障。

對于Y/D換流變,不能直接增加零序保護。因為在網側發生故障時,Y/D換流變存在零序回路,其三角環內可能產生較大的零序電流,簡單地配置零序過流保護會導致區外故障的誤動作。但現場條件允許的情況下(需考慮造價,安裝空間及保護設備模擬量接入能力),可在三角環外加裝CT,用此加裝的CT做零序過流保護。

零流保護可配置2段,1段無延時快速出口,用于切除嚴重故障,整定時需躲過系統區外故障產生的最大零序電流(包括CT特性不一致產生的零序電流),可考慮取0.5Ie～1Ie(Ie為閥側額定電流)。2段可增加20～80 ms延時,作為快速保護的后備保護,定值可適當降低,可考慮整定為0.1Ie～0.2Ie。

2.1.2 零序差動保護

除了使用零序過流外,還可以用換流變閥側首端CT和尾端CT構成零序差動。零序差動的優勢是制動電流小,靈敏度高。

對于Y/Y接線變壓器,可采用尾端零序電流作為制動電流,除非中性點處發生故障,否則正常運行及各種區內外故障過程中,理想情況下制動電流均為0,因此有很高的靈敏度。

對于Y/D接線變壓器,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電流。對于區外故障,三角環內流過純零序穿越電流,可以提供足夠的制動量；對于區內故障,使用較小的零序電流作制動可以提高靈敏度。

和零序過流相比,零序差動的優勢是可以通過差動計算和制動特性弱化CT傳變特性不一致產生的零序電流對保護的影響,可靠性相對較高,同時Y/D側也具備配置零序差動的條件。和普通繞組差動保護相比,使用零序電流作制動電流相對較小,靈敏度高。定值可考慮取0.2Ie～0.3Ie。

但零序差動不能反應Y/Y換流變中性點附近的故障,使用上有一定局限性。

2.2 算法優化

閥側發生接地故障后,故障電流隨著閥的導通和關斷不斷變化,并不是標準的正弦波。因此,為進一步提高保護的靈敏度,在零序電流的算法上也可以做部分優化。

(1) 使用零序電流的峰值進行判別。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。采用此算法時定值可同普通傅氏算法取相同數值。

(2) 零序電流滿足條件后進行內部展寬。故障電流可能時大時小,保護在動作后達到延時前可能返回,因此可在動作后對動作標志進行展寬,展寬長度可取1～1.5周波,保證帶延時的保護持續動作。此時需通過定值可靠躲過最大異常零序電流。

此外,現有閥保護和極保護也可以切除故障,新增判據根據情況可選擇僅作用于信號,用于故障的快速定位。

3 仿真及現場波形驗證

文中結合現場實際波形及RTDS仿真波形對理論分析和保護優化判據進行了驗證。

3.1 Y/Y接換流變閥側中性點故障波形及分析

圖4—圖9為現場真實故障的波形。故障點在整流站Y/Y接線變壓器閥側中性點處。故障發生時直流功率370 MV·A,閥側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,故障時刻剛好B相閥導通,因此B相出現較大電流,之后B相關斷,C相導通。換流變首尾兩端電流大小基本一致,無差流。但首端和尾端均有較大的零序電流,峰值達到了10 000 A,有效值超過3 300 A。當時現場繞組無差流(如圖8所示),換流變保護未動作。如采用尾端零序快速過流,當定值取1Ie(約1 400 A)時,保護可在10 ms內快速可靠動作,并提示故障點在換流變閥側中性點處。

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

3.2 閥側區內接地故障波形及分析

圖10—圖13為使用實際特高壓直流輸電系統參數搭建的RTDS仿真模型,模擬整流側高端Y/Y換流變閥側A相區內接地故障。故障發生時直流功率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換流變閥側繞組差動作特性Fig.12 Operating characteristic of winding different protection at Y/Y-converter transformer valve side

圖13 Y/Y換流變閥側零序差動動作特性Fig.13 Operating characteristic of zero-sequence diffe- rent protection at Y/Y-converter transformer valve side

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

4 結語

文中從直流輸電系統的結構出發,總結了換流變閥側單點接地故障下的波形特征及現有保護的性能,針對現有不足提出了優化改進判據。現場數據和RTDS仿真波形特征同文中分析一致,可以驗證文中理論分析和判據優化的正確性。優化后判據可以提高換流變壓器保護在閥側區內單點接地故障下的靈敏度、動作速度及故障定位準確度。提高靈敏度和動作速度可以進一步提升整個保護系統在部分極端情況下(如定值或測量回路異常導致直流相關保護不能動作情況)的可靠性；而精準定位故障,有利于現場事故分析處理,加快恢復送電的速度。同時,文中指出對于Y/D接線的換流變,受CT安裝問題等影響,優化判據存在一定局限性；而CT暫態特性導致的測量誤差對新判據的影響也需要通過現場的數據收集總結進一步驗證。