换流变压器差动保护异常动作行为分析及对策

第29卷第31期中国电机工程学报 V ol.29 No.31 Nov. 5, 20092009年11月5日 Proceedings of the CSEE ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 87 文章编号：0258-8013 (2009) 31-0087-08 中图分类号：TM 77 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40换流变压器差动保护异常动作行为分析及对策翁汉琍，林湘宁(电力安全与高效湖北省重点实验室(华中科技大学), 湖北省武汉市 430074)Analysis and Countermeasure of Abnormal Operation Behaviors ofthe Differential Protection of Converter TransformerWENG Han-li, LIN Xiang-ning(Hubei Electric Power Security and High Efficiency Key Lab (Huazhong University of Science and Technology),Wuhan 430074, Hubei Province, China)ABSTRACT: Due to the impacts of the core saturation and the filters in AC and DC fields in high voltage direct current (HVDC) systems, the differential protection of the converter transformer may mal-operate during the unloaded transformer energization. On the other hand, in virtue of the particularity of the operating environment of the converter transformer, as the differential current may contain the 2nd order harmonic component with quite high amplitude, the transformer differential protection may fail to trip in the case of asymmetric internal faults. The energizations and internal faults of the converter transformer are simulated and analyzed in this paper. It is disclosed that the 2nd order harmonic restraint criterion is not completely appropriate when it is applied to the differential protection for the converter transformer. According to the investigation of the characteristic of the transformer core, there exists a time difference between the sudden change of phase voltage and the emergence of differential current. Therefore, a novel criterion utilizing the time difference between the superimposed phase voltage and differential current to distinguish between the internal faults and energizations of the converter transformer is proposed. The feasibility and effectiveness of the proposed criterion are validated with numerous EMTDC based simulation tests.KEY WORDS: high voltage direct current (HVDC); converter transformer; differential protection;2nd order harmonic restraint criterion; magnetizing inrush; time-difference criterion摘要：在高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电系统中，受铁心饱和及交直流场各种滤波器影响，相比常规基金项目：国家自然科学基金项目(50777024)；新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-07-0325)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50777024)．变压器，换流变压器空载合闸时差动保护更容易误动，由于换流变压器工作环境的特殊性，在发生不对称故障时，可能在差动电流中存在较大的2次谐波，从而导致差动保护误制动。

对换流变空载合闸和区内故障进行仿真分析，验证了2次谐波制动在HVDC系统变压器差动保护中确实有较大的局限性，同时具有误动和拒动的可能。

经分析，由于变压器的铁心进入饱和需要一定时间，励磁涌流引起的虚假差动电流突变量出现时刻要比相电压突变量的出现时刻滞后一个时间差。

据此，提出基于相电压突变量和差动电流突变量出现时差的变压器差动保护判据，运用该判据对各种换流变压器区内故障和励磁涌流进行判别。

通过EMTDC进行了大量的仿真试验，结果验证了该判据的可行性和有效性。

关键词：高压直流；换流变压器；差动保护；2次谐波制动判据；励磁涌流；时差法判据0 引言高压直流输电由于具备交流输电所不能比拟的优点和特殊性，因而在电力系统中逐渐得到广泛的应用。

作为换流站的主要设备，换流变压器的作用是很重要的，而其保护对整个系统的正常工作也是及其重要的。

长期以来，变压器差动保护的矛盾主要集中在鉴别励磁涌流和内部故障上。

在变压器差动保护中，涌流往往会引起保护误动；为防止差动保护误动，目前多采用2次谐波制动原理[1-12]，这样能有效区分励磁涌流和故障差动电流。

然而，即使换流变压器保护系统采用的保护装置设有2次谐波制动功能，在对换流变压器充电瞬间，因励磁涌流导致差动保护误动的事件时有发生，如2007 年1 月28 日，天广直流输电系统复电时，将极1 由备用状态操作至闭锁状态过程中，合上换流变压器交流侧开88 中国电机工程学报第29卷关对换流变压器充电后, 极1换流变压器差动保护动作，跳开断路器。

根据其故障录波分析可知，这是一次比较典型的由于励磁涌流导致变压器保护误动的事故[13]。

带有2次谐波制动的换流变压器差动保护的误动延缓了直流输电系统恢复正常运行，对整个电网造成了一定影响。

根据上述案例报道和直流换流站的特点，可以推测，因为换流变压器是联系交直流场的枢纽，除了铁心饱和[14]影响外，交直流场滤波器的存在使得换流变压器合闸时涌流波形相对于常规变压器励磁涌流发生了一定的变化，2次谐波特征有可能被削弱，因而更容易出现误动情况。

此推测将通过本文后边的仿真分析得到验证。

另一方面，在高压直流输电系统中，由于换流变压器工作环境的特殊性，在发生不对称故障时，出现了差动电流中含有较大2次谐波分量的现象，文献[15]认为这是由于交流电压中存在负序分量，通过交直流系统相互作用和传递，有可能在换流阀的交流电网侧产生2次谐波，从而导致差动保护误制动。

因此，对于高压直流输电系统换流变压器差动保护采用2次谐波制动是否恰当仍需进一步验证。

本文利用CIGRE的HVDC标准测试系统I建立换流变压器合闸和故障模型，以此研究换流变压器空载合闸时励磁涌流波形和各种出口故障时故障电流波形的特性，进而通过研究涌流和故障电流的暂态特征，以评价2次谐波制动在换流变压器差动保护中的动作行为。

采用PSCAD/EMTDC软件进行仿真，通过分析得到，2次谐波制动在HVDC 系统变压器差动保护中确实有很大的局限性，同时具有误动和拒动的可能。

为可靠实现对换流变压器的保护，提出一种基于相电压和差动电流突变量时差的新方法，来实现对励磁涌流和故障电流的区分，并通过仿真验证了新方法的有效性。

1 模型建立与仿真1.1 HVDC系统仿真模型本文采用CIGRE的HVDC标准测试系统I(即Benchmark I)来研究HVDC系统换流变压器励磁涌流和出口故障电流特征。

该模型是CIGRE直流联络线研究委员会HVDC系统工作组于1991年提出的第一个用于HVDC控制系统研究的标准模型[16]。

该标准测试系统主电路结构如图1所示，图中所标注的电阻、电感、电容参数单位分别为Ω、H和F 。

整个HVDC系统主要由2个直流换流站、直流传输线及基本阀控制系统组成，两侧分别与2个交流电力系统相连，逆变侧为弱系统，整流器和逆变器的短路比都为2.5，该模型的基本脉冲数为12，直流线路的额定电压为500kV，直流线路额定电流为2kA，直流线路电阻为2.5Ω，逆变器换流电抗为9.522Ω，整流器换流电抗为21.4245Ω，无功装置为固定电容器，滤波器采用阻尼滤波器。

图1 HVDC系统仿真模型Fig. 1 Simulating model of HVDC system以整流侧Y0/Δ-1型变压器为研究对象，变压器参数为：功率为603.73MV A，一二次侧电压为345kV/213.4557kV，正序漏抗为0.18pu，气隙电抗为0.2pu，饱和点1.25pu，励磁电流为1%。

采用仿真软件PSCAD/EMTDC 分别对换流变压器空载合闸、二次侧出口单相接地、两相接地和短路、三相接地和短路故障进行仿真。

在仿真空载合闸励磁涌流时，加入直流电流源模拟变压器剩磁情况，而各类出口故障则通过在变压器二次侧添加故障模块来进行模拟[17]。

1.2 换流变压器空载合闸励磁涌流仿真本文针对不同的合闸角和剩磁情况对换流变压器空载合闸进行了仿真，限于篇幅，仅列举一例2次谐波制动判据失效算例的仿真结果。