江５２ ２０１３年９月 苏电机工程 第３２卷第５期 Ｊｉａｎｇｓｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 换流变压器励磁涌流特性及其对差动保护的影响 张晓宇，文继锋，程骁，莫品豪 （南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京２１ １ １０２） 摘 要：换流变压器通常由２台两绕组变压器并联构成。这种特殊结构使其保护配置以及空载合闸时励磁涌流特性和普 通变压器有很大不同。构成换流变的２立变压器的励磁涌流叠加可能出现明显的故障特征。结合现场的实际波形． 对这种现象的产生和影响进行了详细分析．在此基础上提出了一种较为完善的换流变大差励磁涌流闭锁判据。 关键词：换流变压器；并联运行；励磁涌流叠加；大差差动４￣ｋ／＂；和应涌流 中图分类号：ＴＭ４０７ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９—０６６５（２０１３）０５—００５２—０３ 高压直流输电由于其技术和经济上的独特优势． 在我国远距离大容量输电和大区联网中得到广泛应 换流变配置了较多的ＴＡ．可以配置更加复杂和完 善的差动保护 同时由于换流变压器的短路阻抗较大． 用 高压直流输电的可靠性一定程度上决定了区域电 网稳定性．作为直流换流站的主要设备．换流变压器 的作用很重要．换流变保护必须保证换流变压器的设 备安全及系统的可靠运行ｎ］ 换流变的一次结构、变 压器特性及保护配置都与普通变压器有很大区别．特 别是大差差动保护在空载合闸时产生的励磁涌流特 性和普通变压器有本质的不同．需要针对其特殊性进 行详细分析．并采用与其特征对应的保护策略。 内部故障情况下差电流较小．对差动保护灵敏度也提 出了更高的要求 此外．由于阀侧单相接地故障情况下是不接地系 统的两相故障和直流短路的反复切换．导致差电流中 含有大量谐波和直流电流 同时差电流出现间断．极端 情况下该相电流可能基本消失（直流系统换相失败）， 导致变压器差动保护有可能在此情况下不能出口＿２］。 考虑以上因素．当条件允许时．换流变通常配置８ 个差动保护．各保护的保护范围相互重叠，互为补充， 如图１所示 其中ＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３、ＴＡ４构成大差差动 １换流变与普通变压器保护的区别 换流变与普通变压器相比，应用场合不同。重要 程度不同，因此不论是一次结构、电流互感器（ＴＡ）配 置还是保护配置，均与普通变压器有显著差别。 １．１一次结构 保护．保护从交流开关到阀侧的整个范围：ＴＡ３和ＴＡ５ 构成星接小差差动：ＴＡ４和ＴＡ６构成角接小差差动。２ 个小差分别保护２个小变压器。ＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ１３、ＴＡｌ４ 构成引线差动．保护交流开关到换流变高压侧套管部 分：ＴＡ５和ＴＡ７、ＴＡ６和ＴＡ８、ＴＡ３和ＴＡ９、ＴＡ４和 高电压等级大容量的换流变压器通常是由完全 的２台两圈变压器组成．１台Ｙ 接线．１台Ｙ／Ｄ 接线。２台变压器并联运行．同时投退。 ＴＡ１０构成绕组差．分别保护换流变的４个绕组 ＴＡ１交流侧ＴＡ２ 换流变的电气特性也不同于普通变压器 直流输 电中阀的换相过程实际上就是两相短路．为了将换相 过程中的电流在一定范围内．换流变压器的短路 引线差动ｌ ——————’１ ’。’。。。一 — 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 ］ １．２ ＴＡ配置 １ Ｌ ］ＩＴＡ１４ ＴＡ１３ｌ ｌ绕组差动 ＴＡ８ 换流变压器和普通变压器相比．配置了较多的保 护用ＴＡ．除了开关ＴＡ和变压器的套管ＴＡ外．变压器 各绕组末端均配置了用于绕组差动的ＴＡ 另外，换流 变低压侧为直流系统的换流阀．由于空间的。Ｙ／Ｄ 接线换流变的低压侧ＴＡ一般是接在三角环内。从差 动保护的角度来看．２个两圈变均相当于Ｙ／Ｙ接线， 保护装置计算差流无需进行星角变换 １．３保护配置 收稿日期：２０１３—０４—１６；修回日期：２０１３—０６－０７ ＴＡ７ ｌ Ｉ大差比 ］ 一 ＴＡ１Ｏ 绕组差动Ｉ ＴＡ 张晓宇等：换流变压器励磁涌流特性及其对差动保护的影响 ５３ 从换流变保护的配置可以看出．排除ＴＡ传变特 性的影响，当变压器引线部分无故障时，大差差流始终 等于两小差差流之和。 ２换流变空投时励磁涌流特性分析 由于换流变的大差差流等于两小差差流之和。在 特殊情况下．大差差流可能出现非常明显的故障特征。 下面结合换流变的一次实际空充波形，对这种现象进 行分析。 ２．１现场波形 现场实际一次接线和ＴＡ配置与图１相同 ＴＡ２ 处的开关处于断开状态，无电流；阀侧未解锁；换流变 通过ＴＡ１处开关空载合闸 各ＴＡ电流波形如下（以下 所有波形和分析均以Ａ相电流为例）。其中图２、图３、 图４为ＴＡ实际测量电流．ＴＡ１的电流等于ＴＡ５和 ＴＡ６之和：图５为消除直流分量和标幺化后的大差差 流波形；图６、图７、图８分别为２个小差和大差差流中 的二次谐波含量 ２０ ４０ ６０ ８０ Ｉｏｏ １２Ｏ ｌ４０ Ｉ６０ １８０ 时间／ｍｓ 图２ Ｙ／Ｙ换流变网侧套管ＴＡ５电流 ≤ 时间／ｍｓ 图３ Ｙ／Ｄ换流变网侧套管ＴＡ６电流 ２．２换流变大差励磁涌流的特殊性 从上述波形可以看出．该次空充两小差电流均偏 于时间轴一侧．有较高的二次谐波含量ｆ均高于 ３０％）．具有明显的涌流特征 但大差励磁涌流基本关 于时间轴对称，谐波含量很低（低于５％）．涌流特征很 弱．呈现故障特征 从现场实际录波来看．换流变大差的励磁涌流和 普通变压器的励磁涌流有较大区别 普通变压器涌流 《＼ 锄 Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ ０ Ｏ ０ ０．４ ７ ６ ５ ４ ３ ２ ｌ Ｏ １ ０ ２ ０ 媛一０．２ 一０．４ ０．６ －０－８ 时间／ｍｓ 图４网侧开关ＴＡ１电流 ＼ 斌 时间／ｍｓ 图５大差差流 抽 姐 时间／ｍｓ 图６ Ｙ／Ｙ换流变小差二次谐波含量 ０．３５ 寸Ⅱ０－３Ｏ 羹ｏ－２５ Ｏ．２０ ０．１５ 时间／ｍｓ 图７ Ｙ／Ｄ换流变小差二次谐波含量 如 时间／ｍｓ 图８大差二次谐波含量 一般偏于时间轴一侧，衰减较快；而换流变的励磁涌流 可能出现关于时问轴对称、衰减较慢、谐波含量较低的 江苏 电机工程 情况。产生这种不同的最主要原因为换流变大差的励 磁涌流是２台变压器励磁涌流的综合结果 由于每台 小变压器有自己的磁回路．因此会产生的励 磁涌流．当２个励磁涌流的直流分量和二次谐波分量 刚好大小接近。方向相反时．和电流中工频分量会占据 绝大部分．从而产生非常明显的故障特征 Ｙ／Ｙ和Ｙ／Ｄ ２台变压器虽然空充时的电压初始相 位相同．但仍然可能产生不同的励磁涌流．主要有以下 几个影响因素：（１）空充前初始剩磁不同 。（２）２台 变压器．变比不同．铁磁饱和特性不可能完全相 同 特别是部分换流变Ｙ／Ｙ和Ｙ／Ｄ变压器可能由不同 的厂家供货 （３）Ｙ／Ｄ换流变由于低压侧存在三角环。 在空充过程中会出现一定的零序环流．从而对变压器 磁通产生影响 而Ｙ／Ｙ变压器因为阀处于未解锁状态 且低压无三角环．所以空充过程中低压侧基本无电流 可以看出．Ｙ／Ｙ和Ｙ／Ｄ ２台变压器的励磁涌流受 很多因素影响．一般不会完全相同．特殊情况下和电流 确实可能出现工频分量高且直流和二次谐波含量低的 情况 此外由于２台变压器同时空充．涌流之间会相互 影响．产生比较复杂的和应涌流．造成涌流衰减速度比 较慢．甚至可能在一段时间内出现逐渐增大的情况＿４］． 如图２所示 ２．３对保护的影响 由于换流变差动保护使用的ＴＡ之间不存在角 差．因此差动保护无需进行星角变换．各相差流均可独 立计算．无相互影响 为保证区内故障时保护可快速出 １５．差动保护的涌流判据可采用分相闭锁方式．即一相 涌流判据满足就可以开放本相保护 因为大差的这种 特殊励磁涌流和变压器单相故障的波形非常相似，而 且涌流衰减速度很慢．如不采取措施．大差差动在空充 时存在误动的可能性 ３解决方案 空充时大差差动存在误动的可能．因此需要对现 有保护判据进行修改完善 ３．１现有的电流判据无法可靠闭锁 目前判别励磁涌流最主要的是二次谐波原理，此 外还有间断角原理．波形识别等方法＿５］ 这些方法中绝 大多是都是以差流波形为基础进行分析 实际上所有 波形都可以分解成直流、基波、二次谐波、其他各次谐 波之和 当波形中的直流分量、二次谐波、其他各次谐 波都较小时．说明该波形以基波工频分量为主，和短路 时的故障电流无明显区别．因此所有单纯基于相差流 的判据均无法可靠闭锁 若要解决这个问题，需要弓ｌ人 大差差流之外的其他电气量进行辅助判别。 ３．２小差差流和网侧电压相结合的判别方式 从物理概念上来讲．小差的励磁涌流具有实际的 物理意义．因此小差差流和大差相比．可以更直接地反 应变压器的工作状态 从上述现场实际波形也可以看 出．２个小差电流均有明显的涌流特征．二次谐波含量 也较高．利用现有主流方法均可可靠识别 因此可以使 用２个小差的励磁涌流判据闭锁大差对应相．即大差 动作除自身涌流判据开放外．还需两小差中任一对应 相的涌流判据开放 但大差和小差相比．其保护范围是 不同的．因此不能单纯的考虑空充时的励磁涌流．还要 兼顾合闸于故障和实际运行中发生故障的情况 采用小差闭锁大差的方式．当小差范围内发生故 障时．小差励磁涌流判据可以开放．因此大差保护不受 影响 但当变压器引线上发生故障时．该故障对于小差 为穿越性故障．小差差流可能很小．其涌流判据无法给 出正确结果．可能造成大差差动保护拒动 由于这种引 线故障一般为纯金属故障．故障特征明显．电压有明显 跌落．因此可使用换流变网侧电压进行辅助判别 当识 别到网侧电压明显低于正常电压时．大差不经小差涌 流判据闭锁 综上所述．可采用结合小差涌流判据和电压的方 法对大差涌流闭锁判据进行完善 当网侧电压正常时． 使用两小差的涌流判据闭锁大差差动：当网侧电压明 显低于额定电压时．大差涌流判据不变．不受小差影 响 使用这种综合闭锁判据．再结合换流变冗余度很高 的差动保护配置．既可保证空投过程中大差保护可靠闭 锁．又可保证发生区内故障时保护动作时间不受影响 ４结束语 从换流变独特的一次结构和保护配置出发．分析 了换流变空充时．大差差流中出现明显故障特征的原 因．对这种特殊的励磁涌流的产生原因和特性进行了 详细分析．并提出了结合小差涌流判据和网侧电压的 换流变大差励磁涌流闭锁判据 参考文献： ［１］韩晓东．翟亚东．高压直流输电用换流变压器［Ｊ］．高压电器． ２００２，３８（３）：５－６． ［２］肖燕彩．文继锋．袁源．等．超高压直流系统中的换流变压器保 护［Ｊ］．电力系统自动化，２００６，３０（９）：９１—９４． ［３］张红跃．换流变大差保护励磁涌流识别的思考［Ｊ］．电力系统保 护与控制．２０１１．３９（２０）：１５卜１５４． ［４］邵德军．尹项根，张哲，等．基于基波幅值增量的变压器和应涌 流识别方法［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１０．３０００）：１５卜１５４． ［５］王维俭．电气主设备继电保护原理与应用［Ｊ］．北京中国电力 出版社．１９９６． （下转第５８页） ５８ 江苏 电机工程 参考文献： ［１］王成山．．分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战 线研究［Ｊ］．电工电能新技术，２０１１，３０（１）：３６～３９（８３）． ［８］安华．小电流接地系统自动跟踪消弧线圈装置［Ｊ］．山西电力． ２００９（４）：６１—６３． ［９］李甫成．赵桂英．一种小电流接地选线新方法的研究［Ｊ］．电 力技术，２０１０（２）：４４—４６． ［Ｊｊ．电力系统自动化．２０１０，３４（２）：１０～１４． ［２］金逸．刘伟．查显光．等．智能变电站状态监测技术及应用［Ｊ］． 江苏电机工程，２０１２．３ｌ（２）：１２—１５． ［３］丁晓群．陆鹏程．周玲．智能配电网ＡＶＣ技术探讨［Ｊ］．江苏电 机工程，２０ｌ ｌ，３０（２）：５２—５４． ［１Ｏ］窦新宇．李春明．基于小波变换的小电流接地故障选线仿真研 究［Ｊ］．电力科学与 程，２０１１，２７（２）：４卜４３（７１）． ［４］陈斌．基于多次重判断技术的谐振接地系统选线新方法［Ｊｊ．华 中电力，２０１ ｌ，２４（３）：３卜３４． 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ｂｙ ｓｔａｂｌｅ ｓｔａｔｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｌｉｎｅ ｏｆ ａｒｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｃｏｉｌ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｌｏｃａｔｅｄ ｂｙ ｓｔａｂｌｅ ｓｔａｔｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｔａｔｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ ＲＴＤＳ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｏ ｌｏｃａｔｅ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｌｉｎｅｓ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｗ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ；ＧＯＯＳＥ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ；ｓｔａｂｌｅ ｓｔａｔｅ ｑｕａｎｔｉｙ ａｒｉｔｔｈｍｅｔｉｃ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｖｏｌｔａｇｅ； ｓｍａｒｔ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ （上接第５４页） 护研究与开发工作： 作者简介： 张晓宇（１９８１），男，吉林吉林市人，工程师，从事电力系统继电保护 研究与开发工作： 文继锋（１９７８），男，江西萍乡人，高级工程师，从事电力系统继电保 程￣（１９７８），男，河南安阳人，工程师，从事电力系统继电保护研 究与开发工作： 莫品豪（１９８５），男，广西贵港人，工程师，从事电力系统继电保护研 究与开发工作。 Ｔｈｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｒｕｓｈ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｉｍｐａｃｔｓ ｏｎ Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ＺＨＡＮＧＸｉａｏ—ｙｕ，ＷＥＮ Ｊｉ－ｆｅｎｇ，ＣＨＥＮＧＸｉａｏ，ＭＯ Ｐｉｔｔ－ｈａｏ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｎａｒｉ—ｒｅｌａｙｓ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１ １ １０２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｍｅｒ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｗｏ ｐａｒａｅｌｔｌｅｄ ｗｏ－ｗｉｎｄｉｔｎｇ ｔｒａｎｓｆｏｍｅｒｓ．Ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｍｏｄｅ ｍａｋｅｓ ｉｔｓ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｒｕｓｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｍｕｃｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｃｏｍｍｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｔｈｅ ｏｖｅｒｌａｙ ｏｆ ｈｅ ｉｔｎｒｕｓｈｅｓ ｏｆ ｗｏ ｉｔｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ ｍａｙ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ａ ｓｉｍｉｌａｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆａｕｌｔｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｓｕｅ ａｎｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｕｃｈ ａ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ａ ｒｅａｌ ｃｏｎｖｅｔｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ａ ｅｆｆｅｃＷｉｅ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｌｏｃｋ ｏｆ ｏｖｅｒａｌｌ ｄｉｆｒｅｎｔｆｉａｌ ｐｒｏｔｅｃｉｔｏｎ ｏｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｍｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｋｅｖ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｐａｒａｌｌｅｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｃｋｉｎｇ；ｏｖｅｒａｌｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｓｙｍｐａｔｈｅｔｉｃ ｉｎｒｕｓｈ
