超高压直流系统中的换流变压器保护

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简介： 介绍了超高压直流输电系统中的换流变压器保护，分析了换流变压器的特点以及超高压直流输电的各种运行工况对换流变压器保护带来的影响。提出了换流变压器保护的总体设计思想、相应的保护原理与方案
1 x* v& K- i+ {) s4 \& F4 r关键字：换流变压器 比率差动 谐波

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( `; d& M4 c$ r/ ^4 C, m9 p* U0 引言

" Z* y7 ?8 F- q3 W) [$ K+ O超高压直流输电由于其特有的优点，越来越广范的得到应用。这些优点[1>包括：不须考虑稳定问题；线路故障恢复能力较强；调节作用利于交流系统的稳定；减少互联交流系统的短路容量；超过一定距离建设投资更经济等。我国目前已投运的超高压直流输电工程包括葛上直流、天广直流和三常直流等，在这些工程中所有的保护与控制系统都是国外进口设备。
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$ R* l% c% c* H! s+ V4 k1 ~% Q2 ?换流变压器是直流输电系统中必不可少的重要设备。它可以提供相位差为30°的12脉波交流电压，降低交流侧谐波电流；作为交流系统和直流系统的电气隔离，提供阀的换相电抗；通过换流变压器可以在较大范围内调节交流电压，以使直流系统运行在最优的状态等。
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  ~" k0 J+ }  }" A9 s: z) X6 f* H% o1 C换流变压器的投资在换流站中占有很大的比例，换流变压器的可靠安全运行是直流输电系统可靠安全运行的基础。因此对换流变压器提供完善的保护功能对直流输电系统的安全稳定可靠运行显得尤为重要。下面主要讨论换流变压器的特点、直流输电的各种运行工况对换流变压器保护的影响，并结合其特点提出相应的保护原理与方案。
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1 换流变压器的特点以及对保护带来的影响

4 {' D' r, H& r* s6 f; d1.1 短路阻抗
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4 V% i/ }! b' X" ?$ d5 j, s* a% T- K直流输电中阀的换相过程实际上就是两相短路，为了将换向过程中的电流限制在一定范围内，换流变压器的短路阻抗要大于一般变压器。短路阻抗过大，会使换流变压器二次侧故障时短路电流较一般变压器小，因此保护配置与整定要在这方面予以考虑。
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( ~: G. y' V+ R9 g! Q- T6 Y1.2 直流偏磁

当直流系统在使用大地回线的情况下，在一些运行工况下会有直流电流流入大地，如双极不平衡运行，单极大地回线方式等，使地电位发生变化，造成直流电流流入变压器原边绕组，使换流变压器发生直流偏磁，工作点偏移。如果此直流电流过大，会导致换流变压器铁心饱和，同时损耗和温升也将增加。因此，要配置相应的保护防止这种情况下对换流变压器造成的损坏。
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/ Y  n+ M# Z0 k& W# M1.3 谐波
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& h: R/ ]+ ?6 L4 z& X9 P由于换流器的非线性，在交流和直流系统中将出现谐波电压和电流。对于换流变压器，主要会流过特征谐波电流，即p*n + 1次谐波电流（p为脉波数，n为任意正整数）。在运行中，谐波电流会使换流变压器损耗和温升增加，产生局部过热，发出高频噪声，还会使交流电网中的发电机和电容器过热，对通讯设备产生干扰。这些谐波电流应加以考虑，以免对保护装置造成影响。
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8 U! _- O& C3 z' ]9 t/ y1.4 调压分接头
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为了使直流系统运行在最优的工况，减少交流系统电压扰动对直流系统的影响，换流变压器都具有较大范围的利用分接头调整电压的功能。例如：三峡到常州工程三峡侧换流变压器档位范围+25/-5，每档调节范围1.25%。因此保护设计时要考虑分接头调整带来的影响，如正常运行时变比的变化等。
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8 s& r( d/ ~0 k, T; `1.5 直流系统的特殊运行工况

+ t0 s1 s2 U2 S由于直流控制系统的特殊调节作用，使换流变压器遇到的运行工况以及故障情况不同于普通变压器。这些不同主要包括以下几点：
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a. 直流系统的故障相当于换流变压器的区外故障，一般短路电流都不会太大。对于整流侧，穿越换流变的电流会增大，但由于直流控制保护系统的快速作用，很快会减小。对于逆变侧，直流系统的故障会造成直流电流无法传变至交流侧，反而会使穿越电流减小。
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b. 对于换流变压器保护来说，直流系统造成的最严酷的区外故障为整流侧的阀短路故障，相当于换流变出口的两相或三相短路故障。但由于直流保护的干预，实际只会出现半个周波的两相短路。对于逆变侧，由于触发角很大，阀短路时流过换流变压器的电流较整流侧小很多。

+ f0 O, Q# e# K8 _c. 换流变压器发生区内故障时，直流系统一般不会提供短路电流。这是由直流控制系统的作用造成的。在整流侧，功率由交流侧转换至直流侧，换流变压器的故障只会造成这种转换的停止，而不会使功率反向，因此直流侧不会提供短路电流；在逆变侧，当故障轻微换相可以正常进行时，由于直流系统的定电流控制特性，直流侧不会提供额外的短路电流。如果故障严重，必然造成换相无法进行（交流电压降低），直流侧更不会提供短路电流。
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d. 由于直流控制系统快速的调节作用，在需要的时候，可以快速的将功率传输由一个方向反至另一个方向，对于换流变压器来说，就会出现快速的潮流反向。

. X  k3 F- }5 P# t: E$ af. 换流变压器保护区内发生接地故障时，实际造成了阀的短路(参见图4)。由于阀的单向导电性，故障电流半周电流大，半周电流小，导致差电流中含有较大的二次谐波。
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g. 对于逆变侧的换流变压器的区内故障，往往会导致换相失败的发生，从而在穿越电流电流中产生很大的谐波，但差电流（即提供给故障点的电流）仍主要为工频分量。

h. 由于换流变压器的特殊运行方式以及较大的漏抗（作为换相电抗），二次侧故障一般不会造成各侧TA的饱和，即使饱和造成保护的“误动作”也是正确的（换流变的区外即阀的区内故障，都会造成直流的停运）。但对于一个半开关的接线方式，交流系统区外故障时高压侧TA存在饱和的可能。见图7。这种情况下的误动作是不可接受的，必须防止。

* i( b$ e- M* O+ T, p  `- Pi. 在阀未解锁前，当阀侧交流连线存在接地故障时，并不产生接地电流，也不会对变压器造成损害。但如此时不发现故障，阀一解锁后，就会造成阀的短路。因此要设置保护检测这种情况下的接地故障。
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. y" e: `# K6 Y- F+ Z/ t+ |3 `9 g2 换流变压器保护的实现
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( n9 x1 c) _* Q; p) E6 ?! g2.1 保护的配置原则

" B' x8 B( A3 f3 J: v0 Q为了保证既可靠又安全，在既简单又经济的情况下，可以这样配置换流变压器保护：每台换流变压器保护装设两台保护装置，每台保护装置的电源、输入独立，每台装置的输出都可以到达断路器的两个跳闸线圈以及直流控制的两个系统。每台装置采取措施防止自身误动作，而靠两装置的或出口防止故障情况下的拒动作。

1 o  c  z5 ^. m" r" v: b2.2 保护的配置及原理
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" {6 O2 x+ n0 ~  u, \/ H为了避免换流站特有的谐波对保护的影响，保护装置应从硬件和软件上采取措施，使保护只针对工频分量。

/ B; n% `0 S( }主保护包括稳态比率差动、差动速断、工频变化量比率差动、零序比率差动、过激磁保护。后备保护包括过流、零序过流、过电压、零序过压、饱和保护。
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8 G4 D) M8 M7 A) s% q( ~& h2.2.1 稳态比率差动保护

由于变比和联接组的不同，电力变压器在运行时，各侧电流大小及相位也不同。在构成继电器前必须消除这些影响。换流变压器的TA一般装在各侧绕组上，因此原、副边绕组电流相位相同，因此只需要对变比的影响进行补偿。以下的叙述的前提均为已消除了变压器各侧幅值和相位的差异。
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& o4 e7 ~' `6 x' q# o$ ^8 z稳态比例差动保护用来区分感受到的差流是由于内部故障还是不平衡输出（特别是外部故障时）引起。装置采用初始带制动的变斜率比率制动特性，稳态比率差动元件由低值比率差动（灵敏）和高值比率差动（不灵敏）两个元件构成[2>。为了保证区内故障的快速切除，只有低值比率差动元件（灵敏）设有TA饱和判据，高值比率差动元件（不灵敏）不设TA饱和判据。
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6 Q' A2 V  B' ~$ Q! t对于换流变压器分接头调整造成的差动电流不平衡，可用三种方法来解决：一是通过整定值躲开；二是利用浮动门槛自适应调整；三是利用分接头位置来调整。方法一、二简单实用，三实现起来复杂。

对于2.5中g所述的工况，差电流仍为交流电源提供的工频故障电流，因此保护可以正确动作。
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对于2.5中f所述的工况，应为阀短路及其后备保护首先动作(动作时间小于10ms)切除故障，差动速断和过流保护作为后备的后备，因此差动保护此种工况下不能动作并不影响安全性。

& R6 X; B+ T7 s3 P+ v( n2.2.2 工频变化量比率差动保护
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) Q$ @' Z8 X; m+ E装置中依次按相判别，当满足 一定条件时，工频变化量比率差动动作。工频变化量比率差动保护经过涌流判别元件、过激磁闭锁元件闭锁后出口。
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由于工频变化量比率差动的制动系数可取较高的数值，其本身的特性抗区外故障时TA的暂态和稳态饱和能力较强。工频变化量比率差动元件提高了装置在变压器正常运行时内部发生轻微匝间故障的灵敏度。且工频变化量比率差动保护不会受换流变压器分接头调整造成的差动电流不平衡的影响。
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* ^& F5 N6 F) S# R) Z# v, K5 X. f2.2.3后备保护

3 \4 ?" r0 f% L  \" m0 W后备保护包括过流、零序过流、过电压、零序过压、饱和保护。
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过流保护，主要作为换流变压器各种故障的后备保护。由于只需与直流系统的最大过负荷能力配合，灵敏度容易满足要求，因此不需采用复合电压闭锁与方向闭锁。
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) H, |$ I9 k, V) t零序过流保护，主要作为换流变压器接地故障后备保护。为防止变压器和应涌流对零序过流保护的影响，应具有二次谐波制动闭锁措施。当二次谐波含量超过一定比例时，闭锁零序过流保护。
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零序过压保护为针对2.5节工况i的保护。因为换流变压器副边不接地运行，保护主要在阀解锁前检测阀侧交流连线的零序电压来判断是否有接地故障。阀解锁后保护要被闭锁，因阀解锁后会测得零序电压，此电压不是接地故障造成的。

饱和保护为针对2.2节工况的保护。由于TA无法传变直流电流，因此只能间接的测量直流电流的大小。测量的原理如下：直流引起的铁心饱和造成原边绕组零序电流中含有三次谐波，通过检测零序电流中三次谐波峰值，可以等效出流过换流变压器的直流电流。保护特性为根据变压器的参数定义的反时限。