特高壓直流輸電換流變壓器保護及充電試驗研究

王鵬 李博

國家電網(wǎng)公司運行分公司宜賓管理處 四川宜賓 644000

特高壓直流輸電系統(tǒng)能夠正常運行的可靠基礎(chǔ)是擁有高效的換流變壓器，保證換流變壓器的正常運行就能確保證特高壓電網(wǎng)的有效運行，因此，在特高壓電網(wǎng)中換流變壓器的投資占比較大。同時，特高壓電網(wǎng)中的換流變壓器在運行時會受到諸多因素的影響而出現(xiàn)相應(yīng)的安全問題，所以，要保證特高壓電網(wǎng)的正常運行，就必須確保其中的換流變壓器的安全，如此才能確保電力系統(tǒng)的正常使用，也能對特高壓電網(wǎng)未來的應(yīng)用研究提供相應(yīng)幫助。

1 特高壓直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢

我國目前大多的輸電系統(tǒng)是應(yīng)用有高適應(yīng)性的超高壓直流輸電系統(tǒng)，超高壓直流輸電系統(tǒng)在運行中雖然有不需著重考慮穩(wěn)定性、故障恢復(fù)能力強、穩(wěn)定調(diào)節(jié)交流系統(tǒng)能力強、降低短路容量、更加經(jīng)濟等優(yōu)點，但是對于因為區(qū)域分布不均而引起的電能輸送問題卻沒有相應(yīng)的解決方案，針對這種情況，特高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)運而生，相較于超高壓直流輸電系統(tǒng)，特高壓直流輸電系統(tǒng)能有效的解決因為區(qū)域分布不均而產(chǎn)生的電能輸送問題[1]。特高壓直流輸電系統(tǒng)中的必要設(shè)備換流變壓器是不可或缺的，換流變壓器能有效的降低電力系統(tǒng)中的諧波電流，因此，在特高壓直流輸電系統(tǒng)中使用換流變壓器，能有效的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的交流電壓，最終保證特高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行

2 換流變壓器故障的特殊性

特高壓電網(wǎng)中的直流輸電系統(tǒng)在控制、調(diào)節(jié)時有一定的特殊性，而特高壓直流輸電換流變壓器和普通變壓器在出現(xiàn)故障時所表現(xiàn)的情況也不同，具體如下：

（1）換流變壓器出現(xiàn)短路故障的位置通常在變壓器的區(qū)外，而且此時的電流相對較小，但是當(dāng)電流穿越變壓器時電流就會增加，而變壓器中的直流電流在轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鱾?cè)的過程中發(fā)生故障時，此時穿越變壓器的電流會相應(yīng)降低。

（2）換流變壓器的短路故障大多出現(xiàn)在變壓器區(qū)外，當(dāng)換流變壓器的故障出現(xiàn)在變壓器區(qū)內(nèi)時是由直流控制系統(tǒng)，因此，當(dāng)換流變壓器短路故障出現(xiàn)在區(qū)內(nèi)時短路電流不會正常提供。

（3）換流變壓器會因為轉(zhuǎn)換功率傳輸?shù)姆较蛱^迅速，而導(dǎo)致?lián)Q流變壓器出現(xiàn)迅速的潮流反向故障[2]。

（4）換流變壓器區(qū)內(nèi)通常會出現(xiàn)閥短路故障，換流變壓器區(qū)內(nèi)閥短路故障會導(dǎo)致變壓器中的故障電流周期不均衡，最終使二次諧波的增大。

（5）換流變壓器除區(qū)外和區(qū)內(nèi)兩個位置出現(xiàn)故障外，其中的逆變側(cè)也有故障可能。換流變壓器的逆變側(cè)出現(xiàn)故障會使變壓器換相無法成功，同時會在穿越電流中產(chǎn)生較大諧波。

3 對特高壓直流輸電換流變壓器進行保護的重要性

在穩(wěn)定運行的特高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器占據(jù)重要位置，因此，對換流變壓器進行相應(yīng)的保護措施十分重要，針對換流變壓器的保護重要性如下：

短路阻抗：相較于普通的變壓器，特高壓電網(wǎng)在使用換流變壓器時會將換流變壓器中短路抗阻進行相應(yīng)調(diào)整，大多會將換流變壓器中的短路抗阻變大，以此來確保特高壓電網(wǎng)中的電流處于安全范圍，最終達到特高壓電網(wǎng)穩(wěn)定運行的目的。

直流偏磁：在特高壓電網(wǎng)中使用換流變壓器時，換流變壓器保護措施中的直流偏磁也十分重要。特高壓直流輸電系統(tǒng)中會時常使用大地回線，而大地回線在使用時會使地電位值發(fā)生改變而導(dǎo)致變壓器的緣邊繞組改變，最終影響變壓器的直流繞組磁場產(chǎn)生直流偏磁的現(xiàn)象。變壓器的直流偏磁現(xiàn)象會使變壓器出現(xiàn)溫度升高、鐵芯飽和等問題，而進行換流變壓器安全保護能有效的避免直流偏磁的現(xiàn)象出現(xiàn)，使特高壓電網(wǎng)能穩(wěn)定運行。

諧波電流：對換流變壓器的保護中，諧波電流的抑制也是重要部分，諧波電流的出現(xiàn)是因為換流變壓器在換流器中的直流和交流系統(tǒng)形成的。換流變壓的主要特征表現(xiàn)為出現(xiàn)諧波電流[3]，換流變壓器中如果出現(xiàn)諧波電流，不僅會對電網(wǎng)中的通訊設(shè)備形成干擾，還會使電容器、發(fā)電機的溫度升高造成故障，因此，諧波電流的出現(xiàn)對于換流變壓器具有很大的危害。對換流變壓器進行安全保護能有效的避免這一危害，使電網(wǎng)能安全穩(wěn)定的運行。

4 特高壓直流輸電換流變壓器的保護原則

在對換流變壓器進行保護時，可以從安全問題、經(jīng)濟問題兩方面入手。換流變壓器的經(jīng)濟保護，需根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)濟情況對配置上的設(shè)置質(zhì)量和數(shù)量進行相應(yīng)提升，以此達到對換流變壓器運行中安全的保護[4]。換流變壓器具有相應(yīng)的經(jīng)濟支持，安全問題也能夠間接完成。換流變壓器的安全保護，可對每臺電源設(shè)備和輸入設(shè)備進行保護，并在保護裝置的本身上采取相應(yīng)的故障防治。

在進行換流變壓器保護時，穩(wěn)態(tài)比率差動保護和后備也占有重要位置。換流變壓器穩(wěn)態(tài)比率差動保護時，換流變壓器中的各個部分具有差異性，而在換流變壓器已經(jīng)消除了側(cè)幅值和相位之間差異的前提下，處理換流變壓器的繼電器影響時可在換流變壓器的繞組上安裝 TA，用以達到繞組電流的同步性[5]。換流變壓器的后備保護包括過流、過電壓、零序過壓保護等方面。進行換流變壓器后備保護時，因為變壓器靈敏度較容易達到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，所以大多無需用到復(fù)合電壓閉鎖與方向閉鎖兩個保護措施，后備保護中的零序過流保護中需具有二次諧波制動閉鎖措施，如此不僅能有效的預(yù)防換流變壓器的接地故障，還能降低變壓器和應(yīng)涌流對零序過流保護的影響，使換流變壓器能相對安全穩(wěn)定的運行。

5 特高壓直流輸電換流變壓器的充電試驗研究

換流變壓器的充電實驗研究對于直流系統(tǒng)調(diào)試和故障處理有重要意義。換流變壓器運行中如果出現(xiàn)故障即可啟用直流保護，以此避免設(shè)備受到損害。直流系統(tǒng)調(diào)試包括對主要設(shè)備進行檢測和直流系統(tǒng)性能測評兩個方面。

試驗?zāi)康模簻y試換流變壓器空載投切時的勵磁涌流沖擊能力和、換流變壓器在空載投切時的過電壓水平、換流變壓器的繼電保護設(shè)備投切時的動作行為三個方面。

試驗步驟：①應(yīng)用手動操作對換流變壓器分接開關(guān)進行控制，同時將二次側(cè)電壓設(shè)置到最低。②對斷路器進行閉合操作并對換流變壓器進行首次充電。③將換流變壓器分接開關(guān)手動操作設(shè)置為空載檔位。④將手動操作換流變壓器分接開關(guān)控制調(diào)換為換流變壓器分接開關(guān)自動操作。⑤將第一次充電后的換流變壓器啟動并運行一小時，同時進行數(shù)據(jù)記錄。⑥換流變壓器充電停止，間隔5min后閉合斷路器并再次充電，充電結(jié)束后運行15min，在運行中檢測換流變壓器、交流母線、閥廳是否出現(xiàn)電暈、放電等故障并記錄數(shù)據(jù)。⑦對換流變壓器進行再次斷電操作，間隔5min后再次進行閉合斷路器操作并進行第三次充電，在充電結(jié)束后運行15min，并在運行中再次檢測換流變壓器、交流母線、閥廳是否出現(xiàn)電暈、放電等故障并記錄數(shù)據(jù)。⑧進行最后一次斷電操作，并將斷路器轉(zhuǎn)冷備用，結(jié)束實驗。

6 結(jié)語

特高壓電網(wǎng)相較于超高壓電網(wǎng)是一個新型的科技技術(shù)領(lǐng)域，隨著我國科技技術(shù)的快速發(fā)展，特高壓電網(wǎng)將在未來的社會發(fā)展中占據(jù)越來越多中的位置，因此，做好特高壓直流輸電換流變壓器的保護，全面分析特高壓直流輸電換流變壓器故障問題的解決方案具有重要意義。