12脉动换流变压器对称性涌流现象分析

第39卷第23期电力系统保护与控制Vol.39 No.23 2011年12月1日Power System Protection and Control Dec.1, 2011 12脉动换流变压器对称性涌流现象分析田 庆（南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东 广州 510663）摘要：分析了（特）高压直流系统中12脉动换流变压器的对称性涌流问题。

根据云广直流输电工程中发生的一起12脉动换流变空充误跳闸事件，从剩磁和直流偏磁衰减的角度，采用和应涌流的分析方法，分析了12脉动换流变对称性涌流的产生机理、变化特点和影响该对称性涌流的各种因素，并根据现场实际录波数据，对12脉动换流变空充误跳闸事故做了详细的讨论。

给出了两种解决办法解决12脉动换流变空充误跳闸问题，并得到现场试验验证。

这可增强高压直流系统的安全稳定运行。

关键词：特高压直流；12脉动换流变；对称性涌流；和应涌流；剩磁Analysis on the symmetry inrush of 12 impulsive convertor transformerTIAN Qing（Test and Maintenance Center，CSG EHV Power Transmission Company，Guangzhou 510663，China）Abstract：This paper analyses the symmetry inrush of 12 impulsive convertor transformers in UHV or EHV direct current. From the angle of residual magnetism and DC magnetic bias attenuation，the production mechanism，changing characteristics of symmetry inrush of 12 impulsive convertor transformers as well as the influence factors are studied according to a fault trip event during the no-load charging of 12 impulsive convertor transformer in Yunguang UHVDC project. The sympathetic inrush method is used. Two corresponding solutions are put forward after the detail study based on the recorded field data and it is proved by the field test result that it can enhance the socurity and stability of the HVDC control and protection system.Key words：UHVDC；12 Converter transformer；symmetry inrush current；sympathetic inrush；residual magnetism中图分类号： TM77 文献标识码：B 文章编号： 1674-3415(2011)23-0133-050 引言变压器差动保护不明原因误动的分析也受到了理论界和工业界的广泛关注。

特别是在和应涌流导致保护误动的研究方面，国内外多个研究小组均对其形成机理进行了深入的探讨，取得了不同程度的进展。

文献[1-3]通过数值仿真分析，指出空投一台变压器时，励磁涌流在系统与变压器之间的电阻上产生不对称电压，这在变压器之间形成了一种暂态和应作用，不但使空投变压器的励磁涌流幅值和持续时间发生变化，而且在运行变压器中将产生和应涌流，结果导致运行变压器差动保护误动和长时间的谐波过电压。

文献[4]建立了两台单相变压器并联和级联运行模型，推导了当一台变压器正常运行，另外一台并联或级联变压器空投充电时，两台变压器的磁链解析表达形式，定性分析了正在运行的变压器可能发生饱和现象以及和应涌流产生及影响的机理。

文献[5]在等效电路的基础上，从磁通变化的角度出发，分析了单台变压器励磁涌流的衰减机理，在此基础上，研究了变压器和应涌流的产生机理及其变化特点，对系统等效电阻、并联与串联以及运行变压器负载对和应涌流的影响进行了初步的分析。

文献[6]在变压器和应涌流产生机理分析的基础上，指出偏磁是和应涌流产生的根本原因，分析了串联和并联两种情况下和应涌流对变压器差动保护、变压器后备保护及其他相关保护的影响。

文献[7-10]利用励磁涌流偏向时间轴一侧的特点，解释了和应涌流产生的机理及其变化特点，指出了和应涌流产生的本质原因一是由于合闸变压器励磁涌流流过系统电阻，使得其他变压器工作母线- 134 - 电力系统保护与控制电压偏移而引起铁芯饱和所造成的。

换流变压器是直流输电系统中进行交直流变换的关键设备，换流变的安全稳定运行对提高直流系统的可靠性和可用率具有重要的意义。

然而，在高压直流系统中，12脉动换流变（Y/Y 和Y/△）是同时空充的（即闭锁过程），此时也有可能发生和应涌流现象。

云广直流输电工程调试过程中，发生过一起12脉动换流变空充误跳闸事件，励磁涌流衰减缓慢，两组变压器的和电流接近于奇对称波形，非周期分量较小，偶次谐波含量小，其故障特征与和应涌流的很多特征相似，且其物理解释可以用和应涌流的产生机理分析。

本文从剩磁和直流偏磁衰减的角度分析了12脉动换流变对称性的产生机理、变化特点，并分析了影响和应涌流的各种因素，最后根据现场实际录波数据，对12脉动换流变空充误跳闸事故做了详细的讨论，最后给出了相应的解决办法。

1 12脉动换流变空充特殊涌流产生机理12脉动换流变压器空充前的等效电路图如图1所示，T1为星角变，T2为星星变，K 为开关。

L 1m 、L 1σ、R l σ、L 2m 、L 2σ、R 2σ分别为T1、T2励磁电感、原副边漏电感、线圈电阻，L s 、R s 为系统电感、电阻。

设系统电源电压U s （θ）=U m sin （θ），i 1、i 2分别为变压器两侧电流，参考方向都为母线指向变压器；i s 为从系统电流，参考方向为系统指向母线。

Φ1和Φ2为T1和T2的铁芯磁链。

图1 用于研究12脉动换流变空充和应涌流的等效电路图 Fig.1 The equivalent circuit for the sympathetic inrush studywhen 12 impulsive convertor transformer energized当K 合上后，T1、T2的磁通满足 11s s s s 111d d d d d d s i iU L R i L R i t t t σσφ=−−−− (1) s 22s s s s 222d d d d d d i i U L R i L R i t t tσσφ=−−−− (2)显然，在合闸以前有i 1=0、i 2=0，方程两边同时积分，并考虑一个周波内磁通的变化。

由于励磁涌流i 1、i 2、i s 是近似周期函数，s d d i t、1d d i t 、2d d i t 一个周波内积分近似为0，则有2π2π2π1(2π)1(0)s s 12110d ()d d U R i i R i σφφθθθ=+−+−∫∫∫(3)2π2π2π2(2π)2(0)s s 12220d ()d d U R i i R i σφφθθθ=+−+−∫∫∫(4)由于励磁涌流i 1、i 2存在间断角，且偏向时间轴的一侧，故i 1、i 2中含有非周期分量，设i 1f 、i 2f 分别为i 1、i 2的非周期分量的平均值。

由式(3)~(4)可得一周波内两变压器磁通。

1(2π)1(0)s 1f 2f 11f 2π()2πR i i R i σφφ=−+− (5)2(2π)2(0)s 1f 2f 22f 2π()2πR i i R i σφφ=−+− (6)将公式（5）减去公式（6），考虑到并联的2组变压器R 1σ≈R 2σ，得1(2π)2(2π)1(0)2(0)11221(0)2(0)11f 2f 2π2π2π()f f R i R i R i i σσσφφφφφφ−=−−+≈−−− (7)从上面公式可知，若T1、T2初始状况相差不大，Φ1（0）和Φ2（0）相同，i 1f 和i 2f 相同时，Φ1（2n ）和Φ2（2n ） 也相同，12脉动换流变空充涌流特征和单台换流变空充特征相似。

然而，若12脉动2组换流变开关合上前，Φ1（0）-Φ2（0）的绝对值较大，则由公式（7）可知，稳定并列运行状态下Φ1=Φ2，则必然存在一个Φ1（0）-Φ2（0）的衰减过程，而且该衰减过程只和R l σ和R 2σ相关，和系统阻抗无关，Φ1（0）、Φ2（0）的衰减过程分别和i 1f 、i 2f 的变化趋势一致，Φ1（0）-Φ2（0）的衰减过程和i 1f -i 2f 的变化趋势一致，对应有幅值较大且衰减缓慢的i 1f -i 2f 。

令hf 1f 2f i i i =− (8)形成较大Φ1（0）-Φ2（0）的原因有：充电前剩磁不一致（例如直流电阻试验后）；或变压器一合上后从中性点就流过稳态的直流电流，存在直流偏磁且不一致；或者两组变压器合闸时刻不一致，不过目前在高压换流站普遍通过同期相位装置，控制一组开关同时给两组换流变充电，即可有效地避免这种合闸时刻不一致带来的磁通初值差；交流并联变压田 庆 12脉动换流变压器对称性涌流现象分析 - 135 -器可分别由各自开关投退，则可能存在合闸时刻不一致带来的磁通初值差，例如在电网中邻近的并联变压器之间，己经工作的变压器由于其他变压器的合闸也可能会产生涌流的现象，该涌流在合闸变压器涌流持续一段时间后才产生，偏向时间轴的另一侧，然后逐渐增大，达到最大值后又逐渐衰减，即和应涌流现象。

若开关K 合上前，T1、T2存在相反的大剩磁，则可能导致12脉动两组换流变空充后，T1、T2磁通饱和出现的时间和程度不一致，而系统电阻的存在，使得两组变压器的磁通相互影响，当某组变压器中出现2πR s （i 1f +i 2f ）的磁通变化时，另一组变压器中也出现2πR s （i 1f +i 2f ）的磁通变化，在初始状态不一致时这2πR s （i 1f +i 2f ）的磁通可能使T1的磁通正方向饱和，T2的磁通不饱和，然后使T1的磁通不饱和，T2的磁通负方向饱和，这两段饱和区可以分时间段不重叠，从而使两组变压器依次饱和，也可能存在重叠的两组变压器相反方向饱和（例如两组变压器剩磁差接近于2倍的额定磁通）。