换流变压器差动保护异常动作仿真分析
2014-01-14代景龙
摘要：文章在国际大电网会议提出的HVDC标准测试系统中对高压直流输电系统中的换流变压器二次侧发生各类故障及空载合闸进行大量仿真，通过分析合闸和故障发生的不同时刻的情况，来研究换流变压器二次侧出口故障电流波形和空载合闸时励磁涌流的波形特性，进而深入地研究高压直流输电系统中的换流变压器差动保护误动和拒动的原因。
关键词：换流变压器；差动保护；励磁涌流；二次谐波制动
中图分类号：TM773 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0052-03
HVDC输电较之传统的交流输电没有相位和功角，不存在稳定性问题，在电力系统互联和大容量远距离输电方面的优势突出。换流变压器是高压直流输电系统的关键设备之一，在传输电能的同时要为换流器提供相位相差30°的换相电流，降低交流侧谐波电流。换流变压器的安全稳定运行是整个直流输电系统安全稳定运行的基础。与普通电力变压器相比，换流变压器具有以下特征：短路阻抗较大，以限制过大的短路电流损坏换流阀；由于其工作环境的特殊性，受谐波和直流偏磁的影响较大。与普通电力变压器一样，换流变压器的主保护为差动保护，由于励磁涌流可能引起变压器差动保护误动，以防止上述情况的出现，如何区分故障电流和励磁涌流成为电力变压器保护的关键问题，国内外学者对这方面也进行了大量的研究，针对励磁涌流引起的差动保护误动的问题，现行电力变压器差动保护中主要采用二次谐波制动以克服涌流对差动保护的影响。但在直流系统中即便采用了二次谐波制动判据，换流变压器差动保护非正常动作的事件也不时出现，例如2007年1月28日，天广直流输电系统在对换流变充电时就发生了一起由于励磁涌流导致差动保护误动的事故，经过事后对故障录波分析得出，这是一起由于二次谐波制动判据失效引起的误动，对整个电网造成了一定影响。此外，当换流变压器发生不对称故障时，差流中含有二次谐波，而使二次谐波误制动，严重危害了直流输电系统的安全稳定运行。本文建立了换流变压器空载和闸和二次侧出口故障的PSCAD/EMTDC模型，分析了故障电流和励磁涌的暂态特征。分析得出：故障电流和励磁涌流的暂态特征由于受变压器铁芯饱和谐波的影响而发生变化，使得二次谐波制动在换流变压器差动保护中不适应，使差动保护拒动或误动。
1 CIGRE的HVDC标准模型
本文用HVDC标准测试系统I（CIGRE HVDC Benehmark mod I）在不同时刻空载合闸和发生故障时，对换流变压器的励磁涌流和出口故障电流波形暂态特征进行分析和研究。国际大电网会议（CIGRE）直流输电测试系统是用于直流输电HVDC控制研究的标准系统，可以在不同的仿真软件及仿真器上运行，该标准测试系统主电路结构如图1所示，直流输电参数如表1所示：
图1 HVDC系统仿真模型
表1 CIGRE直流系统直流输电参数
参数 整流侧 逆变侧
交流侧线电压 345（kV） 230（kV）
交流侧阻抗值 19.0Ω 52.9Ω
换流变一次侧分接头 1.01 0.989
等效换相阻抗 27Ω 27Ω
触发角 15° 15°
直流功率 1000MW 1000MW
整个高压直流输电系统包括2个直流换流站、直流输电线路及换流器控制系统，直流输电线路两侧分别与交流系统相连，整流侧为送电端，逆变侧为受电端，两侧短路比均为2.5，基本脉动数均为12，直流输电线路上额定电压500kV，额定电流2kA，电阻为2.5，逆变器换流电抗为9.522，固定电容器为无功装置，滤波器采用阻尼滤波器。以整流侧Y0/d-11型换流变为研究对象，换流变参数如下：一二次侧电压为345kV/213.4557kV，额定功率603.73MVA，正序漏抗0.18p.u.，气隙电抗0.2p.u.，励磁电流1%。模型中各元件值均为有名值，电阻、电感及电容的单位分别是Ω、H和F。
2 换流变压器出口故障差动保护拒动仿真分析
实际电力变压器一般采用Y，dll的接线方式，此种接线方式使得变压器一、二次电流相位相差30°，为了消除此相位误差，必须通过计算才能得到相应的差流，在不考虑TA传变误差的情况下，在实际变压器差动保护中，合成差流就是变压器星形侧两相电流做差后再与三角形侧对应相电流相减。对于本文研究的换流变压器，其两侧差流的表达式应为（以A相为例）：，其中和分别为星形侧A相和C相的相电流，为三角形侧的相电流。在PSCAD/EMTDC软件中搭建前文所述的模型，在换流变出口处设置故障模块来模拟换流变出口处发生各种故障的情况。故障发生时刻不同，故障电流的暂态特性就可能不同，本文针对不同类型故障在不同时刻发生故障做了大量仿真，下面仅以换流变压器出口处发生A相接地故障为例，且二次谐波发生误制动的仿真算例来说明差动保护拒动的原因。
换流变压器二次侧接地故障就相当于阀短路。因换流阀内部电力电子设备的单向导电特性，使短路电流的波形发生变化，大半个周波内幅值变大，而相邻的半个周波内幅值变小，从而换流变压器差动保护的测量值两侧差流中的二次谐波含有量显著增大，在二次谐波制动判据作用下发生误制动，从而使换流变压器差动保护拒动。仿真时长0.4s，故障发生时刻为0.14s。发生A接地故障时，换流变两侧的电流波形分别如图2所示。由于是A发生接地故障，A相差流较大，合成的A相差流如图3所示：
（a）A相接地换流变一次侧电流
（b）A相接地换流变二次侧电流
图2 换流变A接地故障时两段电流波形
图3 A相差流波形
为分析差流的波形特性，对其作傅立叶分析得到基波幅值变化和二次谐波比值变化波形分别如图4和图5所示：
图4 基波幅值变化波形endprint
图5 二次谐波与基波的幅百分比变化波形
在变压器差动保护中，二次谐波制动的门槛值一般设为基波的15%，一般情况下，故障电流中二次谐波含量不会达到这个门槛值，但励磁涌流中的二次谐波的含量较大，超过了15%，因此，当二次谐波与基波比值超过这个门槛值时二次谐波制动判据会使差动保护闭锁，保护拒动。在本算例中，由图4和图5可以看出，当故障发生后，基波幅值显著增大，但二次谐波与基波的百分比也稳定超过了二次谐波制动的门槛值（15%），从而使二次谐波误制动，保护拒动。
3 换流变空载合闸差动保护误动分析
变压器铁芯中的磁通是不能突变的，因此，在变压器空载合闸时，可能会发生铁芯饱和现象，使得励磁阻抗显著变小，从而产生励磁涌流，与正常工作时的电流相比，励磁涌流的幅值很大，可达到前者的十几倍，从而引起差动保护的误动作，但励磁涌流中二次谐波含量也很大，因此，通常采用二次谐波制动的方法来克服涌流对差动保护的影响。但在高压直流系统中由于交流侧和直流侧的滤波器作用，涌流波形会发生一定的变化，二次谐波含量可能会减少，因此发生误动的可能性更大。现通过仿真来分析换流变压器空载合闸时差动保护误动的原因。跳开直流线路上的断路器使其空载，在一次侧加入直流电源来模拟剩磁的情形，然后再闭合换流变高压侧交流线上的断路器。合闸角与剩磁情况不同，涌流波形的特性就可能不同，合闸角可通过不在不同时刻合闸来控制，剩磁大小可通过控制加入的直流电源模拟，本文针对不同合闸时刻和剩磁大小做了大量的仿真，限于篇幅，这里仅列举一例来分析说明二次谐波制动判据换流变差动空载合闸时存在着失效的可能。
仿真时长为1.2s，合闸时刻为0.14s，换流变压器A相铁芯剩磁为0.6p.u.，B相剩磁为0，C相剩磁为-0.6p.u.。空载合闸时，二次侧电流几乎为0，因此换流变两侧合成的差流波形即为一次侧波形，如图6所示：
图6 空载合闸时换流变三相差流波形
利用傅立叶算法对各相差流进行分解得到各相差流基波幅值及二次谐波百分比分别如图7、图8和图9所示，由图可知，在变压器空载合闸后，三相差流基波稳态值迅速门槛整定在0.25以上，并维持稳定，此时差动保护就有可能发生误动。
图7 换流变空载合闸A相保护
图8 换流变空载合闸B相保护
图9 换流变空载合闸C相保护
利用傅立叶算法的结果分析三相差流中的二次谐波与基波的百分比值，由图可知，若换流变压器差动保护动作门槛整定为0.25，二次谐波制动比整定为15%，则三相差动保护都将误动作。由此可以画出换流变压器三相差动保护的跳闸信号输出如图7、图8、图9所示。显然，换流变压器差动保护在空载合闸后三相都会发生误动，各相的二次谐波制动判据也会失效，即使采取一相制动三相的方案，换流变差动保护也会发生误动作。
4 结语
本文在PSCAD/EMTDC软件中建立了CIGRE的HVDC标准测试系统I的仿真模型，对换流变压器在不同时刻二次侧各类出口故障和不同时刻的空载合闸情况进行了大量仿真，通过分析换流变压器两侧的差流波形暂态特征来研究采用二次谐波制动的变压器差动保护在高压直流系统中发生误动和拒动的原因。通过分析可知，由于换流变压器受谐波和铁芯饱和的影响较普通电力变压器的影响大，采用二次谐波制动判据的HVDC系统换流变差动保护存在着很大的局限性，在换流变压器出口处发生不对称短路故障时差动保护由于二次谐波误制动而拒动，而在系统空载合闸时，差动保护又有可能发生误动，会对整个直流输电乃至整个电网的安全稳定运行造成很大的影响。为了克服励磁涌流下的影响，需要寻找其他不受谐波和铁芯饱和的判据来区分故障电流和励磁涌流。
参考文献
[1] 赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电
力出版社，2004.
[2] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北
京：中国电力出版社，2002.
[3] 张杰，罗隆福，R.K.Aggarwal，李勇，刘福生.新
型换流变压器保护方案设计[J].电力系统及其自动化
学报，2010，（6）.
[4] 朱韬析，夏拥，何杰，郭卫明.逆变侧换流变压器
阀侧接地故障特性分析[J].电力系统自动化，2011，
（1）.
[5] 肖燕彩，文继锋，袁源，等.超高压直流系统中换流
变压器保护[J].电力系统自动化，2006，30（9）.
[6] 翁汉琍.复杂电磁暂态下变压器差动保护异常动作行
为分析及对策研究[D].华中科技大学，2009.
作者简介：代景龙（1981—），男（回族），吉林长春人，江苏省电力公司盱眙县供电公司工程师（中级），硕士，研究方向：电网规划、电网基建项目管理及电网技术改造施工管理、电网设备安全管理。endprint
图5 二次谐波与基波的幅百分比变化波形
在变压器差动保护中，二次谐波制动的门槛值一般设为基波的15%，一般情况下，故障电流中二次谐波含量不会达到这个门槛值，但励磁涌流中的二次谐波的含量较大，超过了15%，因此，当二次谐波与基波比值超过这个门槛值时二次谐波制动判据会使差动保护闭锁，保护拒动。在本算例中，由图4和图5可以看出，当故障发生后，基波幅值显著增大，但二次谐波与基波的百分比也稳定超过了二次谐波制动的门槛值（15%），从而使二次谐波误制动，保护拒动。
3 换流变空载合闸差动保护误动分析
变压器铁芯中的磁通是不能突变的，因此，在变压器空载合闸时，可能会发生铁芯饱和现象，使得励磁阻抗显著变小，从而产生励磁涌流，与正常工作时的电流相比，励磁涌流的幅值很大，可达到前者的十几倍，从而引起差动保护的误动作，但励磁涌流中二次谐波含量也很大，因此，通常采用二次谐波制动的方法来克服涌流对差动保护的影响。但在高压直流系统中由于交流侧和直流侧的滤波器作用，涌流波形会发生一定的变化，二次谐波含量可能会减少，因此发生误动的可能性更大。现通过仿真来分析换流变压器空载合闸时差动保护误动的原因。跳开直流线路上的断路器使其空载，在一次侧加入直流电源来模拟剩磁的情形，然后再闭合换流变高压侧交流线上的断路器。合闸角与剩磁情况不同，涌流波形的特性就可能不同，合闸角可通过不在不同时刻合闸来控制，剩磁大小可通过控制加入的直流电源模拟，本文针对不同合闸时刻和剩磁大小做了大量的仿真，限于篇幅，这里仅列举一例来分析说明二次谐波制动判据换流变差动空载合闸时存在着失效的可能。
仿真时长为1.2s，合闸时刻为0.14s，换流变压器A相铁芯剩磁为0.6p.u.，B相剩磁为0，C相剩磁为-0.6p.u.。空载合闸时，二次侧电流几乎为0，因此换流变两侧合成的差流波形即为一次侧波形，如图6所示：
图6 空载合闸时换流变三相差流波形
利用傅立叶算法对各相差流进行分解得到各相差流基波幅值及二次谐波百分比分别如图7、图8和图9所示，由图可知，在变压器空载合闸后，三相差流基波稳态值迅速门槛整定在0.25以上，并维持稳定，此时差动保护就有可能发生误动。
图7 换流变空载合闸A相保护
图8 换流变空载合闸B相保护
图9 换流变空载合闸C相保护
利用傅立叶算法的结果分析三相差流中的二次谐波与基波的百分比值，由图可知，若换流变压器差动保护动作门槛整定为0.25，二次谐波制动比整定为15%，则三相差动保护都将误动作。由此可以画出换流变压器三相差动保护的跳闸信号输出如图7、图8、图9所示。显然，换流变压器差动保护在空载合闸后三相都会发生误动，各相的二次谐波制动判据也会失效，即使采取一相制动三相的方案，换流变差动保护也会发生误动作。
4 结语
本文在PSCAD/EMTDC软件中建立了CIGRE的HVDC标准测试系统I的仿真模型，对换流变压器在不同时刻二次侧各类出口故障和不同时刻的空载合闸情况进行了大量仿真，通过分析换流变压器两侧的差流波形暂态特征来研究采用二次谐波制动的变压器差动保护在高压直流系统中发生误动和拒动的原因。通过分析可知，由于换流变压器受谐波和铁芯饱和的影响较普通电力变压器的影响大，采用二次谐波制动判据的HVDC系统换流变差动保护存在着很大的局限性，在换流变压器出口处发生不对称短路故障时差动保护由于二次谐波误制动而拒动，而在系统空载合闸时，差动保护又有可能发生误动，会对整个直流输电乃至整个电网的安全稳定运行造成很大的影响。为了克服励磁涌流下的影响，需要寻找其他不受谐波和铁芯饱和的判据来区分故障电流和励磁涌流。
参考文献
[1] 赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电
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[4] 朱韬析，夏拥，何杰，郭卫明.逆变侧换流变压器
阀侧接地故障特性分析[J].电力系统自动化，2011，
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[5] 肖燕彩，文继锋，袁源，等.超高压直流系统中换流
变压器保护[J].电力系统自动化，2006，30（9）.
[6] 翁汉琍.复杂电磁暂态下变压器差动保护异常动作行
为分析及对策研究[D].华中科技大学，2009.
作者简介：代景龙（1981—），男（回族），吉林长春人，江苏省电力公司盱眙县供电公司工程师（中级），硕士，研究方向：电网规划、电网基建项目管理及电网技术改造施工管理、电网设备安全管理。endprint
图5 二次谐波与基波的幅百分比变化波形
在变压器差动保护中，二次谐波制动的门槛值一般设为基波的15%，一般情况下，故障电流中二次谐波含量不会达到这个门槛值，但励磁涌流中的二次谐波的含量较大，超过了15%，因此，当二次谐波与基波比值超过这个门槛值时二次谐波制动判据会使差动保护闭锁，保护拒动。在本算例中，由图4和图5可以看出，当故障发生后，基波幅值显著增大，但二次谐波与基波的百分比也稳定超过了二次谐波制动的门槛值（15%），从而使二次谐波误制动，保护拒动。
3 换流变空载合闸差动保护误动分析
变压器铁芯中的磁通是不能突变的，因此，在变压器空载合闸时，可能会发生铁芯饱和现象，使得励磁阻抗显著变小，从而产生励磁涌流，与正常工作时的电流相比，励磁涌流的幅值很大，可达到前者的十几倍，从而引起差动保护的误动作，但励磁涌流中二次谐波含量也很大，因此，通常采用二次谐波制动的方法来克服涌流对差动保护的影响。但在高压直流系统中由于交流侧和直流侧的滤波器作用，涌流波形会发生一定的变化，二次谐波含量可能会减少，因此发生误动的可能性更大。现通过仿真来分析换流变压器空载合闸时差动保护误动的原因。跳开直流线路上的断路器使其空载，在一次侧加入直流电源来模拟剩磁的情形，然后再闭合换流变高压侧交流线上的断路器。合闸角与剩磁情况不同，涌流波形的特性就可能不同，合闸角可通过不在不同时刻合闸来控制，剩磁大小可通过控制加入的直流电源模拟，本文针对不同合闸时刻和剩磁大小做了大量的仿真，限于篇幅，这里仅列举一例来分析说明二次谐波制动判据换流变差动空载合闸时存在着失效的可能。
仿真时长为1.2s，合闸时刻为0.14s，换流变压器A相铁芯剩磁为0.6p.u.，B相剩磁为0，C相剩磁为-0.6p.u.。空载合闸时，二次侧电流几乎为0，因此换流变两侧合成的差流波形即为一次侧波形，如图6所示：
图6 空载合闸时换流变三相差流波形
利用傅立叶算法对各相差流进行分解得到各相差流基波幅值及二次谐波百分比分别如图7、图8和图9所示，由图可知，在变压器空载合闸后，三相差流基波稳态值迅速门槛整定在0.25以上，并维持稳定，此时差动保护就有可能发生误动。
图7 换流变空载合闸A相保护
图8 换流变空载合闸B相保护
图9 换流变空载合闸C相保护
利用傅立叶算法的结果分析三相差流中的二次谐波与基波的百分比值，由图可知，若换流变压器差动保护动作门槛整定为0.25，二次谐波制动比整定为15%，则三相差动保护都将误动作。由此可以画出换流变压器三相差动保护的跳闸信号输出如图7、图8、图9所示。显然，换流变压器差动保护在空载合闸后三相都会发生误动，各相的二次谐波制动判据也会失效，即使采取一相制动三相的方案，换流变差动保护也会发生误动作。
4 结语
本文在PSCAD/EMTDC软件中建立了CIGRE的HVDC标准测试系统I的仿真模型，对换流变压器在不同时刻二次侧各类出口故障和不同时刻的空载合闸情况进行了大量仿真，通过分析换流变压器两侧的差流波形暂态特征来研究采用二次谐波制动的变压器差动保护在高压直流系统中发生误动和拒动的原因。通过分析可知，由于换流变压器受谐波和铁芯饱和的影响较普通电力变压器的影响大，采用二次谐波制动判据的HVDC系统换流变差动保护存在着很大的局限性，在换流变压器出口处发生不对称短路故障时差动保护由于二次谐波误制动而拒动，而在系统空载合闸时，差动保护又有可能发生误动，会对整个直流输电乃至整个电网的安全稳定运行造成很大的影响。为了克服励磁涌流下的影响，需要寻找其他不受谐波和铁芯饱和的判据来区分故障电流和励磁涌流。
参考文献
[1] 赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电
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[2] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北
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[3] 张杰，罗隆福，R.K.Aggarwal，李勇，刘福生.新
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学报，2010，（6）.
[4] 朱韬析，夏拥，何杰，郭卫明.逆变侧换流变压器
阀侧接地故障特性分析[J].电力系统自动化，2011，
（1）.
[5] 肖燕彩，文继锋，袁源，等.超高压直流系统中换流
变压器保护[J].电力系统自动化，2006，30（9）.
[6] 翁汉琍.复杂电磁暂态下变压器差动保护异常动作行
为分析及对策研究[D].华中科技大学，2009.
作者简介：代景龙（1981—），男（回族），吉林长春人，江苏省电力公司盱眙县供电公司工程师（中级），硕士，研究方向：电网规划、电网基建项目管理及电网技术改造施工管理、电网设备安全管理。endprint
