文繼鋒，張曉宇，程 驍，熊 蕙，李海英，陳松林

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

高壓直流輸電由于其特有的優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣范的應(yīng)用。且可以異步互聯(lián)，不需考慮穩(wěn)定問題；線路故障恢復(fù)能力較強(qiáng)；調(diào)節(jié)作用利于交流系統(tǒng)的穩(wěn)定；減少互聯(lián)交流系統(tǒng)的短路容量；超過一定距離建設(shè)投資更經(jīng)濟(jì)等。由于直流輸電系統(tǒng)和交流輸電系統(tǒng)具有不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，運(yùn)行期間會導(dǎo)致直流電流流過換流變壓器[1]，從而導(dǎo)致?lián)Q流變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象[2-8]。直流偏磁現(xiàn)象使得換流變壓器鐵心持續(xù)性的飽和，增多了變壓器的空載損耗，鐵心溫升上升。當(dāng)直流偏磁現(xiàn)象較為嚴(yán)重時，可能使得鐵心在飽和期內(nèi)的飽和度過深，漏磁通增加，造成結(jié)構(gòu)件渦流損耗增加，甚至可能出現(xiàn)嚴(yán)重的局部過熱情況，導(dǎo)致變壓器熱損毀；同時直流偏磁還會導(dǎo)致?lián)Q流變壓器運(yùn)行噪聲變大，壽命下降?；谝陨显?，換流變壓器保護(hù)一般需要配置飽和保護(hù)[9，10]。

1 換流變壓器直流偏磁產(chǎn)生原因及電氣特征

換流變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象存在多種可能的原因：

1.1 換流站及其附近地電位的變化

當(dāng)直流系統(tǒng)在使用大地回線的情況下，如果兩極不對稱運(yùn)行會有直流電流流入大地，例如雙極不平衡運(yùn)行，單極大地回線方式等，使地電位發(fā)生變化。這樣，在整流站和逆變站之間以及附近，由于不同接地點(diǎn)的直流電位不一致，就造成不同變壓器的接地點(diǎn)之間可能流過直流電流，從而使變壓器產(chǎn)生直流偏磁，如圖1所示。

1.2 觸發(fā)角不平衡

圖1 直流電流流過換流變壓器繞組示意圖

理想情況下，同一閥的不同橋臂具有對稱的觸發(fā)角。此時，換流變壓器單相繞組中的電流波形正、負(fù)半周電流幅值相等，導(dǎo)通時間相同，電流對時間的積分面積相等。但是在實(shí)際工程中，如果觸發(fā)控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致橋臂的觸發(fā)角失去對稱性。此時正負(fù)半周電流導(dǎo)通時間長度不再相等。雖然電流的幅值相等，但正、負(fù)半周電流-時間面積已不再相等，對稱軸相對原來的位置發(fā)生了偏移，出現(xiàn)了一個等效直流電流分量，相當(dāng)于換流變閥側(cè)繞組中流過了一個直流電流，從而使換流變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象。

1.3 直流輸電線與交流輸電線相鄰

實(shí)際工程中，直流線路中流過的并不是理想的純直流電流，由于各種原因，其中會含有一些穩(wěn)態(tài)諧波電流。換流閥是循環(huán)導(dǎo)通和關(guān)斷的，結(jié)果導(dǎo)致直流側(cè)的諧波電流會以其他的頻率形式在換流變各相網(wǎng)側(cè)繞組中出現(xiàn)，其中有兩類頻率的諧波分量較強(qiáng)，即網(wǎng)側(cè)基頻及直流側(cè)諧波頻率的和與差。以直流側(cè)的工頻電流分量為例，會在換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組基波電流上分別疊加一個二次諧波電流和一個直流電流。

1.4 交流側(cè)母線含有正序二次諧波電壓

換流閥的循環(huán)導(dǎo)通與關(guān)斷不僅會影響電流的波形，還會影響電壓的波形。交流母線中的正序二次諧波電壓經(jīng)過換流閥的開關(guān)動作后，以工頻電壓的形式出現(xiàn)在了直流側(cè)。此工頻電壓作用在直流側(cè)的工頻阻抗上，從而產(chǎn)生了工頻電壓，經(jīng)過換流閥的開關(guān)動作以后，直流側(cè)的這一基頻電流就會以一個正序二次諧波電流和一個直流電流的形式出現(xiàn)在換流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組中。

1.5 直流偏磁的電氣特征

根據(jù)以上分析可見，在特定的工作條件下，換流變壓器的勵磁電流中將出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的等效直流分量，會導(dǎo)致勵磁電流在一半周期內(nèi)增大，在另外一半周期內(nèi)減小。因此，變壓器鐵心在正負(fù)兩個半周內(nèi)飽和程度不一致，出現(xiàn)了偏磁現(xiàn)象，這就是換流變壓器直流偏磁的根本原因。由于鐵心的非線性，不能夠認(rèn)為換流變壓器勵磁電流中的直流分量和交流分量分別依照鐵心磁化曲線各產(chǎn)生一個磁通，然后再將兩者進(jìn)行疊加。應(yīng)該把直流電流和交流電流混合在一起來考慮換流變壓器直流偏磁的電氣特征，直流偏磁情況下?lián)Q流變壓器磁通和勵磁電流的關(guān)系如圖2所示。

圖2 換流變壓器直流偏磁示意圖

圖2（a）為勵磁電流波形，實(shí)線曲線為無直流偏磁情況下的勵磁磁通，虛線曲線為含有直流偏磁情況下的勵磁磁通；圖2（b）為換流變壓器的勵磁曲線；圖2（c）中，實(shí)線曲線為無直流偏磁情況下的勵磁電流，而虛線曲線為含有直流偏磁情況下的勵磁電流。從圖2可以看出，在有直流偏磁的情況下，同方向的換流變壓器勵磁電流比沒有直流偏磁情況下要大很多，同理，在反方向上，勵磁電流將相對減小。最終，含有直流偏磁情況下的換流變壓器勵磁電流的波形出現(xiàn)了上半周波和下半周波不對稱的情況。

直流偏磁現(xiàn)象使鐵心出現(xiàn)周期性的飽和。這會使換流變壓器的空載損耗上升，使鐵心溫升升高。嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致鐵心在飽和期內(nèi)的飽和度過深，就會增加漏磁通，造成結(jié)構(gòu)件渦流損耗增加，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的局部過熱現(xiàn)象，從而導(dǎo)致?lián)Q流變壓器熱損毀或者壽命下降。正因?yàn)槿绱?，需要配置相?yīng)的保護(hù)功能來防止直流偏磁導(dǎo)致?lián)Q流變壓器損壞的情況，這就是換流變壓器的飽和保護(hù)。

2 換流變壓器飽和保護(hù)

從以上分析可以看出，存在多種可能性導(dǎo)致?lián)Q流變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，但是從國內(nèi)外換流變壓器保護(hù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看，換流變壓器飽和保護(hù)主要是用來防止換流站地電位變化和觸發(fā)不對稱導(dǎo)致的換流變直流偏磁可能導(dǎo)致的換流變壓器損壞的情況。

2.1 飽和保護(hù)的原理

從直流偏磁現(xiàn)象的本質(zhì)來看，產(chǎn)生直流偏磁的直接原因是換流變壓器勵磁電流中出現(xiàn)的直流分量，如果可以直接測量此直流分量，實(shí)現(xiàn)換流變壓器的飽和保護(hù)將會變得非常簡單，但是實(shí)際工程應(yīng)用中，目前還沒有有效的方法可以直接測量變壓器的勵磁電流。且應(yīng)用最為成熟的換流變壓器飽和保護(hù)方法是使用變壓器廠家提供的實(shí)測曲線為依據(jù)，通過兩次工程等效變換來進(jìn)行計(jì)算，目前國內(nèi)投入實(shí)際運(yùn)行的換流變壓器飽和保護(hù)基本上都基于這個方法。

工程等效變換1。由第二節(jié)分析內(nèi)容可知，直流偏磁情況下將導(dǎo)致?lián)Q流變壓器出現(xiàn)正負(fù)半個周波不對稱的勵磁電流，在Y軸的一側(cè)，必然存在一個尖峰勵磁電流，而且由于這種情況下，換流變壓器處于穩(wěn)態(tài)的磁飽和狀態(tài)，勵磁電流中包含有大量諧波分量，這樣換流變壓器的三相勵磁電流實(shí)際上是非對稱的，就可以認(rèn)為在直流偏磁情況下，換流變壓器中性點(diǎn)流過的零序電流的峰值，與換流變壓器勵磁電流的峰值是基本相當(dāng)?shù)摹Ｒ簿褪钦f，可以用換流變壓器中性點(diǎn)的零序電流峰值來代替換流變壓器勵磁電流峰值來進(jìn)行飽和保護(hù)邏輯運(yùn)算。

工程等效變換2。 另一方面，換流變壓器生產(chǎn)廠家可以提供一個直流偏磁直流電流的大小和換流變壓器勵磁電流峰值的對應(yīng)關(guān)系表，同時換流變壓器生產(chǎn)廠家還可以提供一個勵磁電流峰值與變壓器可以運(yùn)行時間的對應(yīng)關(guān)系表（類似變壓器過激磁曲線）。

通過以上2次工程等效變換，就將換流變壓器飽和保護(hù)所需要的對應(yīng)關(guān)系：直流偏磁電流大小-變壓器允許運(yùn)行時間的物理關(guān)系，拆分為兩段映射關(guān)系。

（1）直流電流大小-勵磁電流峰值大小關(guān)系表，如圖3所示。

圖3 直流電流-勵磁電流對應(yīng)關(guān)系

（2）勵磁電流峰值-變壓器允許運(yùn)行時間關(guān)系，如圖4所示。

圖4 勵磁電流峰值-變壓器允許運(yùn)行時間

最終第一級轉(zhuǎn)換關(guān)系可以通過定值整定的方式進(jìn)行考慮，保護(hù)裝置中只需要實(shí)現(xiàn)第二級轉(zhuǎn)換關(guān)系：勵磁電流峰值-變壓器允許運(yùn)行時間即可，其實(shí)現(xiàn)方法與變壓器過激磁保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法非常類似。

2.2 飽和保護(hù)實(shí)現(xiàn)必須考慮的其他因素

雖然通過換流變壓器中性點(diǎn)零序電流可以進(jìn)行飽和保護(hù)的邏輯判斷，但還需要排除其他的原因產(chǎn)生的零序電流可能導(dǎo)致誤判情況，國內(nèi)實(shí)際工程應(yīng)用過程中，ABB和西門子換流變壓器保護(hù)均發(fā)生過飽和保護(hù)誤動作的情況。

（1）換流變壓器交流側(cè)接地故障。目前，最為典型換流變壓器接線方式為兩臺雙繞組變壓器并列運(yùn)行的方式，其中Y/Y和Y/Δ變壓器交流側(cè)繞組中性點(diǎn)均接地運(yùn)行，但是由于Y/Y變壓器的零序阻抗接近于勵磁阻抗，其阻抗值相當(dāng)大，這樣在單點(diǎn)接地故障的情況下，沒有零序電流流過Y/Y變壓器中性點(diǎn)，而是基本上所有的零序短路電流都流過Y/Δ變壓器中性點(diǎn)，基于這個特點(diǎn)，ABB公司提供的飽和保護(hù)只采用Y/Y變壓器中性點(diǎn)零序電流，而不采用Y/Δ變壓器中性點(diǎn)零序電流。但是這種方法存在一定的局限性，在特定的故障情況下，同樣會有工頻零序短路電流流過Y/Δ變壓器中性點(diǎn)，這種情況將導(dǎo)致飽和保護(hù)誤判斷。

（2）變壓器勵磁涌流與和應(yīng)涌流。在換流變壓器空投過程中，由于鐵心的飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致Y/Y變壓器中性點(diǎn)同樣流過較大的零序電流，足以讓飽和保護(hù)誤動作，尤其是當(dāng)一個極運(yùn)行，空投另外一個極的情況下，變壓器之間可能形成和應(yīng)涌流的情況，從而導(dǎo)致Y/Y變壓器中性點(diǎn)流過較大的零序電流，持續(xù)時間長達(dá)數(shù)分鐘，這也是目前換流變壓器飽和保護(hù)現(xiàn)場運(yùn)行誤動作的最主要原因，換流變壓器空投勵磁涌流波形如圖5所示。

圖5 空充換流變壓器時和應(yīng)涌流

（3）交流側(cè)中性點(diǎn)安裝直流電流互感器（TA）的應(yīng)用。由于飽和保護(hù)反映最終是直流勵磁電流的大小，如果可以直接測量換流變壓器直流勵磁電流的大小，飽和保護(hù)的實(shí)現(xiàn)將變得更加簡單，但是目前缺乏直接測量換流變壓器勵磁電流的方式。另外一個變通的方式是在換流變壓器的交流側(cè)中性點(diǎn)安裝直流TA直接采集直流電流，但是這種方式只能反映交流側(cè)直流勵磁電流的大小，對于閥側(cè)產(chǎn)生的等效直流勵磁電流無能為力。

通過對換流變壓器直流偏磁特性和飽和保護(hù)的工況深入研究，采用基于以上技術(shù)要點(diǎn)設(shè)計(jì)的自適應(yīng)判據(jù)的RCS-977和PCS-977系列換流變壓器保護(hù)裝置，在現(xiàn)場已經(jīng)有超過8年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，至今從未出現(xiàn)過不正確動作情況。

3 結(jié)束語

本文分析了換流變壓器直流偏磁現(xiàn)象的原因及其導(dǎo)致?lián)Q流變損壞的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上介紹了防止直流偏磁導(dǎo)致?lián)Q流變壓器損壞的飽和保護(hù)的基本原理，并討論了換流變壓器交流側(cè)故障、和應(yīng)涌流、直流TA應(yīng)用等換流變壓器飽和保護(hù)實(shí)現(xiàn)中需要關(guān)注的問題。

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