换流变压器直流偏磁与饱和保护

2013-07-03文继锋张晓宇李海英陈松林

电力工程技术 2013年2期

文继锋，张晓宇，程骁，熊蕙，李海英，陈松林

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102)

高压直流输电由于其特有的优点得到了越来越广范的应用。且可以异步互联，不需考虑稳定问题；线路故障恢复能力较强；调节作用利于交流系统的稳定；减少互联交流系统的短路容量；超过一定距离建设投资更经济等。由于直流输电系统和交流输电系统具有不同的系统结构和运行方式，运行期间会导致直流电流流过换流变压器[1]，从而导致换流变压器出现直流偏磁现象[2-8]。直流偏磁现象使得换流变压器铁心持续性的饱和，增多了变压器的空载损耗，铁心温升上升。当直流偏磁现象较为严重时，可能使得铁心在饱和期内的饱和度过深，漏磁通增加，造成结构件涡流损耗增加，甚至可能出现严重的局部过热情况，导致变压器热损毁；同时直流偏磁还会导致换流变压器运行噪声变大，寿命下降。基于以上原因，换流变压器保护一般需要配置饱和保护[9，10]。

1 换流变压器直流偏磁产生原因及电气特征

换流变压器产生直流偏磁现象存在多种可能的原因：

1.1 换流站及其附近地电位的变化

当直流系统在使用大地回线的情况下，如果两极不对称运行会有直流电流流入大地，例如双极不平衡运行，单极大地回线方式等，使地电位发生变化。这样，在整流站和逆变站之间以及附近，由于不同接地点的直流电位不一致，就造成不同变压器的接地点之间可能流过直流电流，从而使变压器产生直流偏磁，如图1所示。

1.2 触发角不平衡

图1 直流电流流过换流变压器绕组示意图

理想情况下，同一阀的不同桥臂具有对称的触发角。此时，换流变压器单相绕组中的电流波形正、负半周电流幅值相等，导通时间相同，电流对时间的积分面积相等。但是在实际工程中，如果触发控制系统出现问题，可能导致桥臂的触发角失去对称性。此时正负半周电流导通时间长度不再相等。虽然电流的幅值相等，但正、负半周电流-时间面积已不再相等，对称轴相对原来的位置发生了偏移，出现了一个等效直流电流分量，相当于换流变阀侧绕组中流过了一个直流电流，从而使换流变压器产生直流偏磁现象。

1.3 直流输电线与交流输电线相邻

实际工程中，直流线路中流过的并不是理想的纯直流电流，由于各种原因，其中会含有一些稳态谐波电流。换流阀是循环导通和关断的，结果导致直流侧的谐波电流会以其他的频率形式在换流变各相网侧绕组中出现，其中有两类频率的谐波分量较强，即网侧基频及直流侧谐波频率的和与差。以直流侧的工频电流分量为例，会在换流变压器网侧绕组基波电流上分别叠加一个二次谐波电流和一个直流电流。

1.4 交流侧母线含有正序二次谐波电压

换流阀的循环导通与关断不仅会影响电流的波形，还会影响电压的波形。交流母线中的正序二次谐波电压经过换流阀的开关动作后，以工频电压的形式出现在了直流侧。此工频电压作用在直流侧的工频阻抗上，从而产生了工频电压，经过换流阀的开关动作以后，直流侧的这一基频电流就会以一个正序二次谐波电流和一个直流电流的形式出现在换流变压器的网侧绕组中。

1.5 直流偏磁的电气特征

根据以上分析可见，在特定的工作条件下，换流变压器的励磁电流中将出现稳态的等效直流分量，会导致励磁电流在一半周期内增大，在另外一半周期内减小。因此，变压器铁心在正负两个半周内饱和程度不一致，出现了偏磁现象，这就是换流变压器直流偏磁的根本原因。由于铁心的非线性，不能够认为换流变压器励磁电流中的直流分量和交流分量分别依照铁心磁化曲线各产生一个磁通，然后再将两者进行叠加。应该把直流电流和交流电流混合在一起来考虑换流变压器直流偏磁的电气特征，直流偏磁情况下换流变压器磁通和励磁电流的关系如图2所示。

图2 换流变压器直流偏磁示意图

图2（a）为励磁电流波形，实线曲线为无直流偏磁情况下的励磁磁通，虚线曲线为含有直流偏磁情况下的励磁磁通；图2（b）为换流变压器的励磁曲线；图2（c）中，实线曲线为无直流偏磁情况下的励磁电流，而虚线曲线为含有直流偏磁情况下的励磁电流。从图2可以看出，在有直流偏磁的情况下，同方向的换流变压器励磁电流比没有直流偏磁情况下要大很多，同理，在反方向上，励磁电流将相对减小。最终，含有直流偏磁情况下的换流变压器励磁电流的波形出现了上半周波和下半周波不对称的情况。

直流偏磁现象使铁心出现周期性的饱和。这会使换流变压器的空载损耗上升，使铁心温升升高。严重情况下可能导致铁心在饱和期内的饱和度过深，就会增加漏磁通，造成结构件涡流损耗增加，甚至出现严重的局部过热现象，从而导致换流变压器热损毁或者寿命下降。正因为如此，需要配置相应的保护功能来防止直流偏磁导致换流变压器损坏的情况，这就是换流变压器的饱和保护。

2 换流变压器饱和保护

从以上分析可以看出，存在多种可能性导致换流变压器出现直流偏磁现象，但是从国内外换流变压器保护的应用经验来看，换流变压器饱和保护主要是用来防止换流站地电位变化和触发不对称导致的换流变直流偏磁可能导致的换流变压器损坏的情况。

2.1 饱和保护的原理

从直流偏磁现象的本质来看，产生直流偏磁的直接原因是换流变压器励磁电流中出现的直流分量，如果可以直接测量此直流分量，实现换流变压器的饱和保护将会变得非常简单，但是实际工程应用中，目前还没有有效的方法可以直接测量变压器的励磁电流。且应用最为成熟的换流变压器饱和保护方法是使用变压器厂家提供的实测曲线为依据，通过两次工程等效变换来进行计算，目前国内投入实际运行的换流变压器饱和保护基本上都基于这个方法。

工程等效变换1。由第二节分析内容可知，直流偏磁情况下将导致换流变压器出现正负半个周波不对称的励磁电流，在Y轴的一侧，必然存在一个尖峰励磁电流，而且由于这种情况下，换流变压器处于稳态的磁饱和状态，励磁电流中包含有大量谐波分量，这样换流变压器的三相励磁电流实际上是非对称的，就可以认为在直流偏磁情况下，换流变压器中性点流过的零序电流的峰值，与换流变压器励磁电流的峰值是基本相当的。也就是说，可以用换流变压器中性点的零序电流峰值来代替换流变压器励磁电流峰值来进行饱和保护逻辑运算。

工程等效变换2。另一方面，换流变压器生产厂家可以提供一个直流偏磁直流电流的大小和换流变压器励磁电流峰值的对应关系表，同时换流变压器生产厂家还可以提供一个励磁电流峰值与变压器可以运行时间的对应关系表（类似变压器过激磁曲线）。

通过以上2次工程等效变换，就将换流变压器饱和保护所需要的对应关系：直流偏磁电流大小-变压器允许运行时间的物理关系，拆分为两段映射关系。

（1）直流电流大小-励磁电流峰值大小关系表，如图3所示。

图3 直流电流-励磁电流对应关系

（2）励磁电流峰值-变压器允许运行时间关系，如图4所示。

图4 励磁电流峰值-变压器允许运行时间

最终第一级转换关系可以通过定值整定的方式进行考虑，保护装置中只需要实现第二级转换关系：励磁电流峰值-变压器允许运行时间即可，其实现方法与变压器过激磁保护实现方法非常类似。

2.2 饱和保护实现必须考虑的其他因素

虽然通过换流变压器中性点零序电流可以进行饱和保护的逻辑判断，但还需要排除其他的原因产生的零序电流可能导致误判情况，国内实际工程应用过程中，ABB和西门子换流变压器保护均发生过饱和保护误动作的情况。

（1）换流变压器交流侧接地故障。目前，最为典型换流变压器接线方式为两台双绕组变压器并列运行的方式，其中Y/Y和Y/Δ变压器交流侧绕组中性点均接地运行，但是由于Y/Y变压器的零序阻抗接近于励磁阻抗，其阻抗值相当大，这样在单点接地故障的情况下，没有零序电流流过Y/Y变压器中性点，而是基本上所有的零序短路电流都流过Y/Δ变压器中性点，基于这个特点，ABB公司提供的饱和保护只采用Y/Y变压器中性点零序电流，而不采用Y/Δ变压器中性点零序电流。但是这种方法存在一定的局限性，在特定的故障情况下，同样会有工频零序短路电流流过Y/Δ变压器中性点，这种情况将导致饱和保护误判断。

（2）变压器励磁涌流与和应涌流。在换流变压器空投过程中，由于铁心的饱和现象，导致Y/Y变压器中性点同样流过较大的零序电流，足以让饱和保护误动作，尤其是当一个极运行，空投另外一个极的情况下，变压器之间可能形成和应涌流的情况，从而导致Y/Y变压器中性点流过较大的零序电流，持续时间长达数分钟，这也是目前换流变压器饱和保护现场运行误动作的最主要原因，换流变压器空投励磁涌流波形如图5所示。

图5 空充换流变压器时和应涌流

（3）交流侧中性点安装直流电流互感器（TA）的应用。由于饱和保护反映最终是直流励磁电流的大小，如果可以直接测量换流变压器直流励磁电流的大小，饱和保护的实现将变得更加简单，但是目前缺乏直接测量换流变压器励磁电流的方式。另外一个变通的方式是在换流变压器的交流侧中性点安装直流TA直接采集直流电流，但是这种方式只能反映交流侧直流励磁电流的大小，对于阀侧产生的等效直流励磁电流无能为力。

通过对换流变压器直流偏磁特性和饱和保护的工况深入研究，采用基于以上技术要点设计的自适应判据的RCS-977和PCS-977系列换流变压器保护装置，在现场已经有超过8年的运行经验，至今从未出现过不正确动作情况。