降低勵(lì)磁涌流對換流站調(diào)試影響的新方案

曲文韜，吳春軍，劉 昊，趙桂鑫

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

在空載變壓器合閘的瞬間，會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)電流，在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)返回至正常范圍。這個(gè)電流不是短路電流，但會(huì)使變壓器在啟動(dòng)的瞬間被保護(hù)斷開，從而無法實(shí)現(xiàn)變壓器充電，這個(gè)電流就是勵(lì)磁涌流［1-2］。在換流站交流系統(tǒng)調(diào)試和直流系統(tǒng)調(diào)試過程中，會(huì)多次對換流變壓器充電，而由于合閘角的偶然性，每次換流變壓器充電勵(lì)磁涌流的大小都是不同的［3-4］。現(xiàn)階段，開關(guān)過流保護(hù)在調(diào)試過程中處于投入狀態(tài)，而且開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作定值較小，調(diào)試過程中經(jīng)常達(dá)到開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作定值，從而導(dǎo)致開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作跳開換流變壓器兩側(cè)進(jìn)線開關(guān)。在±660 kV拉合爾換流站交流系統(tǒng)調(diào)試過程中，對極Ⅰ換流變壓器進(jìn)行5次空載充電試驗(yàn)，出現(xiàn)了1次因開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作而導(dǎo)致的跳閘情況，經(jīng)現(xiàn)場查看及二次系統(tǒng)檢查分析，極Ⅰ換流變壓器無一次設(shè)備接地及相間短路等故障，是因?yàn)閯?lì)磁涌流過大導(dǎo)致的跳閘。±660 kV 默蒂亞里站在對換流變壓器空載充電試驗(yàn)時(shí)，同樣出現(xiàn)了因換流變壓器勵(lì)磁涌流過大而導(dǎo)致跳開換流變壓器兩側(cè)進(jìn)線開關(guān)的情況。在直流站系統(tǒng)調(diào)試和直流端對端調(diào)試過程中，不帶線路空載加壓試驗(yàn)（Open Line Test，OLT）、帶線路OLT、手動(dòng)閉鎖試驗(yàn)、X、Y、Z閉鎖（直流閉鎖的3種類型）等大量的試驗(yàn)項(xiàng)目［5-7］，都存在換流變壓器斷電和再充電的情況。若換流變壓器頻繁因勵(lì)磁涌流動(dòng)作而跳開開關(guān)，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)中斷，嚴(yán)重影響調(diào)試的進(jìn)度，并對其他調(diào)試項(xiàng)目的調(diào)試目標(biāo)形成干擾。

通過分析勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生原因及現(xiàn)場因勵(lì)磁涌流而導(dǎo)致開關(guān)保護(hù)動(dòng)作的情況［8-10］，研究諧波比較法和波形識(shí)別法歸納出判斷勵(lì)磁涌流的方法，幫助試驗(yàn)人員在試驗(yàn)過程中快速識(shí)別勵(lì)磁涌流，排除勵(lì)磁涌流對變壓器充電時(shí)保護(hù)動(dòng)作判斷的干擾。針對變壓器充電過程中的開關(guān)過流保護(hù)頻繁動(dòng)作的情況，提出一種降低變壓器勵(lì)磁涌流對調(diào)試影響的新思路，幫助試驗(yàn)人員有效、科學(xué)地開展系統(tǒng)調(diào)試。

1 常規(guī)試驗(yàn)

1.1 500 kV 1號(hào)站用變壓器充電試驗(yàn)

變壓器充電試驗(yàn)流程如圖1 所示。500 kV 1 號(hào)站用變壓器充電時(shí)開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作進(jìn)線開關(guān)電流波形，如圖2所示。

圖1 變壓器充電試驗(yàn)流程

圖2 500 kV 1號(hào)站用變充電時(shí)開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作進(jìn)線開關(guān)電流波形

站用變壓器B 相進(jìn)線開關(guān)電流波形符合勵(lì)磁涌流的典型特征，一次真實(shí)有效值最大為360 A，其一次電流達(dá)到了開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作的設(shè)定值320 A，持續(xù)時(shí)間達(dá)到50 ms，開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作（站內(nèi)開關(guān)保護(hù)為施耐德生產(chǎn)的保護(hù)裝置，過流保護(hù)為后期通過修改程序配置添加，保護(hù)中和失靈保護(hù)共用出口和信號(hào)，故錄中采樣開關(guān)量為失靈動(dòng)作），跳開交流進(jìn)線開關(guān)。

1.2 極Ⅰ換流變壓器充電試驗(yàn)

考慮到變壓器充電過程中，一次設(shè)備發(fā)生接地或短路的時(shí)候，接地電流或短路電流會(huì)很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過320 A。在后續(xù)直流站系統(tǒng)調(diào)試過程中調(diào)高開關(guān)過流保護(hù)的定值至動(dòng)作值520 A，動(dòng)作時(shí)間為50 ms。

極Ⅰ換流變壓器充電時(shí)開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作進(jìn)線開關(guān)電流波形，如圖2所示。前3個(gè)量為換流變壓器三相電壓，之后為換流變壓器進(jìn)線開關(guān)三相電流。由圖2 可以看出，換流變壓器進(jìn)線開關(guān)電流A 相波形畸變、間斷、上下半軸不對稱，且為在正半軸的“饅頭波”，認(rèn)為其為勵(lì)磁涌流。其一次真實(shí)有效值最高達(dá)到1 460 A，達(dá)到了開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作的設(shè)定值520 A，持續(xù)時(shí)間達(dá)到50 ms，開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作，跳開交流進(jìn)線開關(guān)。

2 勵(lì)磁涌流識(shí)別方法

2.1 勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生

變壓器可以看作一個(gè)強(qiáng)感性負(fù)載，即看作一個(gè)非線性電感，當(dāng)合閘時(shí)，變壓器上的電壓在變壓器內(nèi)部也產(chǎn)生一個(gè)磁通［11-13］。當(dāng)變壓器有剩磁時(shí)，合閘后所產(chǎn)生的磁通如果和剩磁極性相同，則變壓器內(nèi)部的總磁通就會(huì)隨著電壓的升高而增加，從而勵(lì)磁涌流也會(huì)隨之增加；如果合閘后所產(chǎn)生的磁通和剩磁極性相反，則變壓器內(nèi)部的總磁通就會(huì)隨著電壓的升高而減小，從而削弱了勵(lì)磁涌流。在充電試驗(yàn)前，為了降低充電時(shí)勵(lì)磁涌流的影響，通常會(huì)給變壓器消磁。

常規(guī)試驗(yàn)時(shí)，為了確保新投運(yùn)的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)對與之相連的系統(tǒng)產(chǎn)生影響，會(huì)利用已投運(yùn)設(shè)備的已通過校驗(yàn)的開關(guān)保護(hù)作為其后備保護(hù)，具體方式為通過降低其定值和延時(shí)的方式，增加保護(hù)動(dòng)作的靈敏性，更好地保護(hù)與之相連的交流系統(tǒng)設(shè)備。因此，在500 kV 站用變壓器空載充電及直流站系統(tǒng)OLT 試驗(yàn)期間，使用交流進(jìn)線開關(guān)的過流保護(hù)作為變壓器充電時(shí)的后備保護(hù)。根據(jù)常規(guī)調(diào)試方案，變壓器需要空載充電5 次，而每次由于合閘角的偶然性，勵(lì)磁涌流的大小均不同。這就說明每一次合閘都具有不確定性，都可能因勵(lì)磁涌流過大而保護(hù)動(dòng)作跳開交流進(jìn)線開關(guān)。

2.2 諧波比較法

換流變壓器空投時(shí)，三相勵(lì)磁涌流中往往有一相含有大量的2 次諧波。可采用差動(dòng)電流中的2 次諧波含量來識(shí)別勵(lì)磁涌流［14-16］。判別方程如式（1）—式（2）所示。

式中：Iop.1為差動(dòng)電流中的基波；Iop.2為差動(dòng)電流中的2次諧波；Iop.3為差動(dòng)電流中的3次諧波；K1、K2分別為第2次、第3次諧波制動(dòng)系數(shù)，可以取不同值，也可以取相同值，工程應(yīng)用一般取相同值，固定為0.15～0.20。

在保護(hù)裝置的外置故障錄波裝置中，會(huì)接入相應(yīng)的模擬量。對于模擬量也會(huì)有相應(yīng)基波含量以及多次諧波含量顯示。通過比較基波含量以及2 次諧波和3次諧波含量可有效判別勵(lì)磁涌流［17］。

現(xiàn)行的變壓器保護(hù)內(nèi)部也采用了此方法來判斷勵(lì)磁涌流。當(dāng)保護(hù)裝置判斷某相電流為勵(lì)磁涌流時(shí)，部分裝置采用閉鎖裝置的三相差動(dòng)保護(hù)、部分裝置采用閉鎖該相的差動(dòng)保護(hù)。筆者認(rèn)為，只閉鎖該相差動(dòng)保護(hù)，而開放其余相的差動(dòng)保護(hù)，可以有效保護(hù)其余相的接地和相間等故障，方法更嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)。

2.3 波形識(shí)別法

2.3.1 波形的不對稱度比較

根據(jù)變壓器的不同工況自動(dòng)選擇差動(dòng)電流或相電流計(jì)算波形的不對稱度［6-7］，計(jì)算出勵(lì)磁涌流的波形不對稱度更加真實(shí)。判別方程為：

式中：Ssum+為差動(dòng)電流采樣點(diǎn)的不對稱度值；Ssum-為對應(yīng)差動(dòng)電流采樣點(diǎn)的對稱度值；K為某一固定系數(shù)，工程上取0.15～0.2；Ii為基波到N∕2 次諧波，N為選擇的N次諧波。如果某相差動(dòng)電流滿足式（3）—式（5），閉鎖該相差動(dòng)保護(hù)。變壓器空載充電勵(lì)磁涌流典型波形，如圖3所示。

圖3 極Ⅰ換流變壓器充電時(shí)開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作進(jìn)線開關(guān)電流波形

2.3.2 波形的畸變比較

故障時(shí)，差動(dòng)電流基本上是工頻正弦波［18］。而勵(lì)磁涌流時(shí)，有大量的諧波分量存在。波形發(fā)生畸變，利用算法識(shí)別出這種畸變，即可識(shí)別出勵(lì)磁涌流。故障時(shí)，電流會(huì)滿足式（6）和式（7）的要求。

式中：S為差動(dòng)電流的全周積分值；SQ為差動(dòng)電流瞬時(shí)值與差動(dòng)電流半周前瞬時(shí)值之和的全周積分值；Ka、Kb、Kc為常數(shù)；Id為差電流的全周積分值；Ie為變壓器運(yùn)行額定電流。

當(dāng)三相中的某一相不滿足以上方程時(shí)，被判別為勵(lì)磁涌流，閉鎖該相比率差動(dòng)元件。

綜合諧波比較法和波形識(shí)別法，可以得出直觀、快速的勵(lì)磁涌流的判別方法，即在觀察故障錄波時(shí)，一是可以對比2 次諧波、3 次諧波與基波分量的比值，比值是否在0.15及以上；二是可以觀察波形的特點(diǎn)，判斷波形是否存在衰減、畸變、間斷、不對稱，波形是否為在正半軸的“饅頭波”。

圖4 變壓器空載充電勵(lì)磁涌流典型波形

3 改進(jìn)調(diào)試試驗(yàn)

3.1 改進(jìn)的思路

基于對勵(lì)磁涌流的快速識(shí)別和判斷，提出一種降低勵(lì)磁涌流對調(diào)試影響的新思路，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的調(diào)試流程

在變壓器首次充電時(shí)，根據(jù)故障電流及勵(lì)磁涌流大小的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)值，可以通過適當(dāng)提高過流保護(hù)動(dòng)作定值的方式，減少勵(lì)磁涌流引起的動(dòng)作次數(shù)，同時(shí)又能有效保護(hù)變壓器。在變壓器首次充電后，可判斷一次引線及變壓器有無接地及短路故障。而且在驗(yàn)收過程中，已經(jīng)對變壓器進(jìn)行過通流試驗(yàn)，變壓器保護(hù)二次回路得到驗(yàn)證，變壓器保護(hù)可以起到對設(shè)備保護(hù)的作用，改進(jìn)后的調(diào)試流程如圖5 所示。變壓器保護(hù)有諧波制動(dòng)等，可以有效降低勵(lì)磁涌流引起的保護(hù)跳閘。因此，在變壓器首次充電之后的充電過程中，可以退出開關(guān)過流保護(hù)。在直流系統(tǒng)調(diào)試過程中，站內(nèi)空載加壓試驗(yàn)、模擬各種故障閉鎖試驗(yàn)等均會(huì)反復(fù)的對換流變壓器充電，開關(guān)過流保護(hù)的退出能使試驗(yàn)更能順利進(jìn)行。

3.2 改進(jìn)后的試驗(yàn)

針對站內(nèi)調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的跳閘現(xiàn)象，在對極Ⅱ換流變壓器調(diào)試時(shí)采用新的思路：第1次變壓器充電時(shí)抬高開關(guān)過流保護(hù)定值至520 A、持續(xù)時(shí)間50 ms，后面幾次變壓器充電退出開關(guān)過流保護(hù)。極Ⅱ換流變壓器第3 次充電時(shí)開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作進(jìn)線開關(guān)電流波形，如圖4所示。A相勵(lì)磁涌流真有效值達(dá)到650 A，若按照之前過流保護(hù)設(shè)定值520 A，持續(xù)時(shí)間50 ms的設(shè)定，此時(shí)開關(guān)過流保護(hù)會(huì)動(dòng)作，跳開進(jìn)線開關(guān)。退出之后，換流變壓器保護(hù)啟動(dòng)未動(dòng)作。由圖中所標(biāo)水平紅線可以看出，A 相勵(lì)磁涌流逐漸衰減。在4 866 ms 后，勵(lì)磁涌流衰減至10%以下，有效避免了一次因勵(lì)磁涌流引起的跳閘，提高了調(diào)試的效率。

圖6 極Ⅱ換流變壓器充電時(shí)開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作進(jìn)線開關(guān)電流波形

默蒂亞里站交流調(diào)試及直流站系統(tǒng)調(diào)試在拉合爾站之后，默蒂亞里站交流調(diào)試及站系統(tǒng)調(diào)試時(shí)采用了新提出的思路。按照原調(diào)試方案當(dāng)勵(lì)磁涌流大于320 A 時(shí)就會(huì)發(fā)生開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作跳開交流進(jìn)線開關(guān)的情況。交流系統(tǒng)調(diào)試時(shí)500 kV變壓器充電的勵(lì)磁涌流統(tǒng)計(jì)如表1 所示，由表1 可知，在交流系統(tǒng)調(diào)試期間，有效避免了一次500 kV 變壓器因勵(lì)磁涌流過大而導(dǎo)致的跳閘。直流站系統(tǒng)調(diào)試時(shí)±660 kV 換流變壓器充電時(shí)的勵(lì)磁涌流統(tǒng)計(jì)如表2 所示，可知在直流站系統(tǒng)調(diào)試期間，有效避免了兩次±660 kV 換流變壓器勵(lì)磁涌流過大導(dǎo)致的跳閘。由此可知，改進(jìn)后的調(diào)試方案在能夠有效保護(hù)電力系統(tǒng)及一次設(shè)備的前提下，提高調(diào)試效率，保障調(diào)試的順利進(jìn)行。

表1 交流系統(tǒng)調(diào)試時(shí)500 kV變壓器充電時(shí)的勵(lì)磁涌流

表2 直流站系統(tǒng)調(diào)試時(shí)±660 kV換流變壓器充電時(shí)的勵(lì)磁涌流

4 結(jié)語

通過勵(lì)磁涌流研究，確定兩種快速識(shí)別勵(lì)磁涌流的方法。并針對現(xiàn)行調(diào)試試驗(yàn)時(shí)，變壓器勵(lì)磁涌流導(dǎo)致開關(guān)過流保護(hù)頻繁動(dòng)作，提出了一種新的調(diào)試思路，即第1 次變壓器充電時(shí)，適當(dāng)提高過流保護(hù)的定值；第2～5 次變壓器充電，可退出開關(guān)過流保護(hù)。直流站系統(tǒng)調(diào)試和端對端調(diào)試過程中，退出開關(guān)過流保護(hù)。現(xiàn)場試驗(yàn)證明了此方法可行性和有效性。

下一步，將對變壓器第1 次充電時(shí)設(shè)定的既能保護(hù)設(shè)備又能充分降低勵(lì)磁涌流而使開關(guān)保護(hù)動(dòng)作影響的定值展開研究。