換流變壓器直流偏磁與飽和保護(hù)

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(lái)越廣范的應(yīng)用。且可以異步互聯(lián)，不需考慮穩(wěn)定問(wèn)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(guò)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(huì)導(dǎo)致直流電流流過(guò)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(shí)，可能使得鐵心在飽和期內(nèi)的飽和度過(guò)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(guò)熱情況，導(dǎo)致變壓器熱損毀；同時(shí)直流偏磁還會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變壓器運(yùn)行噪聲變大，壽命下降。基于以上原因，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(duì)稱運(yùn)行會(huì)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(guò)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(guò)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(duì)稱的觸發(fā)角。此時(shí)，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(shí)間相同，電流對(duì)時(shí)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(wèn)題，可能導(dǎo)致橋臂的觸發(fā)角失去對(duì)稱性。此時(shí)正負(fù)半周電流導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度不再相等。雖然電流的幅值相等，但正、負(fù)半周電流-時(shí)間面積已不再相等，對(duì)稱軸相對(duì)原來(lái)的位置發(fā)生了偏移，出現(xiàn)了一個(gè)等效直流電流分量，相當(dāng)于換流變閥側(cè)繞組中流過(guò)了一個(gè)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(guò)的并不是理想的純直流電流，由于各種原因，其中會(huì)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(huì)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(huì)在換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組基波電流上分別疊加一個(gè)二次諧波電流和一個(gè)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(huì)影響電流的波形，還會(huì)影響電壓的波形。交流母線中的正序二次諧波電壓經(jīng)過(guò)換流閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)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(guò)換流閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作以后，直流側(cè)的這一基頻電流就會(huì)以一個(gè)正序二次諧波電流和一個(gè)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(jiàn)，在特定的工作條件下，換流變壓器的勵(lì)磁電流中將出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的等效直流分量，會(huì)導(dǎo)致勵(lì)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(gè)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(lì)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(gè)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(lái)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(lì)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(lì)磁電流波形，實(shí)線曲線為無(wú)直流偏磁情況下的勵(lì)磁磁通，虛線曲線為含有直流偏磁情況下的勵(lì)磁磁通；圖2（b）為換流變壓器的勵(lì)磁曲線；圖2（c）中，實(shí)線曲線為無(wú)直流偏磁情況下的勵(lì)磁電流，而虛線曲線為含有直流偏磁情況下的勵(lì)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(lì)磁電流比沒(méi)有直流偏磁情況下要大很多，同理，在反方向上，勵(lì)磁電流將相對(duì)減小。最終，含有直流偏磁情況下的換流變壓器勵(lì)磁電流的波形出現(xiàn)了上半周波和下半周波不對(duì)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(huì)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(guò)深，就會(huì)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(guò)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(lái)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(guó)內(nèi)外換流變壓器保護(hù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，換流變壓器飽和保護(hù)主要是用來(lái)防止換流站地電位變化和觸發(fā)不對(duì)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(lái)看，產(chǎn)生直流偏磁的直接原因是換流變壓器勵(lì)磁電流中出現(xiàn)的直流分量，如果可以直接測(cè)量此直流分量，實(shí)現(xiàn)換流變壓器的飽和保護(hù)將會(huì)變得非常簡(jiǎn)單，但是實(shí)際工程應(yīng)用中，目前還沒(méi)有有效的方法可以直接測(cè)量變壓器的勵(lì)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(cè)曲線為依據(jù)，通過(guò)兩次工程等效變換來(lái)進(jìn)行計(jì)算，目前國(guó)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(gè)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(gè)周波不對(duì)稱的勵(lì)磁電流，在Y軸的一側(cè)，必然存在一個(gè)尖峰勵(lì)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(lì)磁電流中包含有大量諧波分量，這樣換流變壓器的三相勵(lì)磁電流實(shí)際上是非對(duì)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(guò)的零序電流的峰值，與換流變壓器勵(lì)磁電流的峰值是基本相當(dāng)?shù)?。也就是說(shuō)，可以用換流變壓器中性點(diǎn)的零序電流峰值來(lái)代替換流變壓器勵(lì)磁電流峰值來(lái)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(gè)直流偏磁直流電流的大小和換流變壓器勵(lì)磁電流峰值的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，同時(shí)換流變壓器生產(chǎn)廠家還可以提供一個(gè)勵(lì)磁電流峰值與變壓器可以運(yùn)行時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表（類似變壓器過(guò)激磁曲線）。

通過(guò)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(duì)應(yīng)關(guān)系：直流偏磁電流大小-變壓器允許運(yùn)行時(shí)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(lì)磁電流峰值大小關(guān)系表，如圖3所示。

圖3 直流電流-勵(lì)磁電流對(duì)應(yīng)關(guān)系

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

圖4 勵(lì)磁電流峰值-變壓器允許運(yùn)行時(shí)間

最終第一級(jí)轉(zhuǎn)換關(guān)系可以通過(guò)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(jí)轉(zhuǎn)換關(guān)系：勵(lì)磁電流峰值-變壓器允許運(yùn)行時(shí)間即可，其實(shí)現(xiàn)方法與變壓器過(guò)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(guò)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(guó)內(nèi)實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，ABB和西門(mén)子換流變壓器保護(hù)均發(fā)生過(guò)飽和保護(hù)誤動(dòng)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(tái)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(lì)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(méi)有零序電流流過(guò)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(guò)Y/Δ變壓器中性點(diǎn)，基于這個(gè)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(huì)有工頻零序短路電流流過(guò)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(lì)磁涌流與和應(yīng)涌流。在換流變壓器空投過(guò)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(guò)較大的零序電流，足以讓飽和保護(hù)誤動(dòng)作，尤其是當(dāng)一個(gè)極運(yùn)行，空投另外一個(gè)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(guò)較大的零序電流，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘，這也是目前換流變壓器飽和保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行誤動(dòng)作的最主要原因，換流變壓器空投勵(lì)磁涌流波形如圖5所示。

圖5 空充換流變壓器時(shí)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(lì)磁電流的大小，如果可以直接測(cè)量換流變壓器直流勵(lì)磁電流的大小，飽和保護(hù)的實(shí)現(xiàn)將變得更加簡(jiǎn)單，但是目前缺乏直接測(cè)量換流變壓器勵(lì)磁電流的方式。另外一個(gè)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(lì)磁電流的大小，對(duì)于閥側(cè)產(chǎn)生的等效直流勵(lì)磁電流無(wú)能為力。

通過(guò)對(duì)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(chǎng)已經(jīng)有超過(guò)8年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，至今從未出現(xiàn)過(guò)不正確動(dòng)作情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(wèn)題。

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