YD型换流变三角形绕组CT饱和对直流保护的影响及对策

2016-06-21张侃君戚宣威张时耘尹项根

电力系统保护与控制 2016年20期

张侃君，戚宣威，胡伟，张时耘，陈堃，尹项根，

(1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北，武汉，430077；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江杭州，310000；3.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，湖北武汉 430074；4.电力安全与高效湖北省重点实验室(华中科技大学)，湖北武汉 430074)

张侃君1，戚宣威2，胡伟1，张时耘3,4，陈堃1，尹项根3,4，

为提高直流换流器桥差保护的可靠性，防止其在交流系统发生短路故障、励磁涌流等扰动期间误动，提出了一种换流器桥差保护应对CT饱和的方法。理论分析与数字仿真表明，YD换流变阀侧三角形绕组在交流扰动期间流过零序环流将导致桥差保护出现虚假动作电流，引发保护误动作。对此问题，提出了通过引入三角形绕组零序环流作为制动量的桥差保护防误动策略，并利用零序环流与桥差电流出现的相对时间差，判断是否投入该防误动策略。仿真表明，该方法能够在提高桥差保护在交流系统扰动期间可靠性的同时，不影响桥差保护对于内部故障的灵敏度与动作速度。

直流输电；电流互感器；暂态饱和；桥差保护；励磁涌流

0 引言

直流输电技术对于电能的大规模远距离输送、促进新能源的并网及消纳、提高区域交流互联电网的安全稳定性具有重要意义[1-7]。随着“两个替代”战略的推进，我国正逐步形成交直流高密度互联的格局，中东部负荷集中地区将有大规模的电能通过特(超)高压直流馈入。电网发生的单一故障若不能及时阻断，将会在交直流系统间引起连锁演变的复杂事故过程，甚至导致直流系统的紧急闭锁，严重威胁交流直流互联大电网的安全稳定运行。继电保护作为电力系统安全防护的第一道防线，其可靠迅速的动作对于遏制事故扩大发展、维护系统稳定运行至关重要。

近年来，现场出现了多起交流系统发生短路故障、励磁涌流等扰动期间，直流桥差保护以及阀短路保护误动的事件，导致了直流强迫停运等严重后果。分析表明，由换流变阀侧(即换流器网侧)三角形绕组零序环流引起的互感器饱和是保护误动的主要原因。在实际的整流站中，由于换流变到阀厅之间的空间十分有限，难以在换流器网侧出口引线处直接安装互感器测量电流。测量换流器网侧电流的互感器为安装于换流变压器阀侧绕组处的套管互感器。对于YD型换流变，互感器安装于三角形绕组内部，其一次电流包括了三角形绕组的零序环流。在交流系统发生短路故障、励磁涌流等异常运行情况期间，换流变三角形绕组将会流过含有非周期分量的零序环流，进而导致互感器发生暂态饱和。在该情况下，与饱和互感器相关的换流器保护，如桥差保护和阀短路，将面临不正确动作的风险。

针对此问题，也有相关改进建议与措施被提出，譬如：更换暂态性能更好的电流互感器；在换流变空投期间闭锁相关保护；展宽保护动作时延抬高保护动作门坎等。上述方法对于防止换流器保护误动有一定指导意义，但实际应用中仍存在问题：更换电流互感器增加了成本，易受安装位置的限制，且增加了二次系统施工和检修的难度；在换流变空投期间短时闭锁保护并不能防止交流系统发生故障时导致的误动，无法从根本上解决互感器饱和对保护的影响；修改保护的动作时间和定值将有可能降低保护对内部故障的灵敏度和速动性。

本文结合理论分析与数字仿真对YD换流变三角形绕组互感器饱和机理及其对桥差保护的影响展开研究，提出了通过引入三角形绕组零序环流作为制动量的改进策略，以防止桥差保护在交流系统扰动期间误动。数字仿真表明所提方法能够有效提高桥差保护的可靠性，同时能够在内部故障期间不影响桥差保护的灵敏度与速动性。

1 保护误动原因分析

1.1 桥差保护的动作逻辑

换流器桥差保护可以对换流桥的换相失败、阀短路、换流器直流侧出口高压端和中性端对换流器中点短路等故障提供安全防护，是换流器的重要保护手段之一。

12脉波换流器由两个 6脉波换流器串联而成，其交流侧通过换流变压器的网侧绕组并联，如图2所示。其中一个换流变压器的阀侧绕组为三角形接线，对应D型整流桥；另一个为星形接线，对应Y型整流桥。其中，Y型整流桥的桥差保护判据为

同理，D型整流桥的桥差保护动作判据为根据现场实际配置情况，桥差保护的动作延时为 200 ms，采用累积法计算保护的动作时间，具体的计算方法为：每隔采样时间对判据(1)和和判据(2)进行计算，判断桥差保护的动作量是否大于动作定值如果判据满足，则将内部计数器加 20；如果小于定值，将内部计数器减 1，如果计数器内的计数值 Z 大于 20 倍的定值除以采样时间即则保护出口。桥差保护延时处理的示意如图1所示。

图1 桥差保护延时的计算方法Fig. 1 Time delay algorithm of the bridge differential protection

1.2 三角形绕组互感器饱和对桥差保护的影响

由于现场空间有限，换流变阀侧电流互感器为安装于换流变内部的套管互感器。如图2所示，对于YD 换流变，阀侧互感器的一次电流包括了三角形绕组的零序环流。因此，需要对三角形绕组的测量电流进行相-线变换，即将三相绕组电流两两作差得到线电流，以构成桥差保护判据所需的换流变阀侧线电流。

图2 换流变阀侧互感器的安装位置Fig. 2 Installation location of CTs on the valve side of the converter transformer

在交流系统发生故障或者换流变空投期间，YD换流变的三角形绕组将会流过含有非周期分量的零序环流，易导致安装于绕组处的套管互感器发生饱和，进而导致桥差保护误动作。下文通过数字仿真展开分析。

如图3 所示，假设在交流系统在 0 s 时刻发生持续 0.5 s 的不对称故障期间，零序故障电流将流经YD 换流变的三角形绕组，三角形绕组上某一个互感器由于存在剩磁等原因率先进入了饱和状态，如图3(a)所示，而另外两相的互感器尚未饱和。在该情况下，通过相-线变换得到的阀侧线电流整流值IacD开始增大，而此时 YY 变压器的阀侧线电流整流值 IacY变化并不明显，如图3(b)所示。根据如式(1)所示的YY型整流桥的桥差保护动作判据，动作电流将大于定值 Iset(0.21kA)，如图3(c)所示。桥差保护的动作判据在故障后一段时间内将长时间满足，如图3(d)所示。在 0.24 s 时，保护的累积动作时间大于整定的动作时延 0.2 s，此时桥差保护将发生误动，导致正常运行的换流极闭锁停运。

图3 交流系统故障期间，YD 换流变三角形绕组套管CT饱和对桥差保护的影响Fig. 3 Influence of the CT saturation in the delta winding of the YD converter transformer on the bridge current differential protection when a fault occurs in the AC system

下面分析换流变发生励磁涌流期间桥差保护的动作特性。假设极 II从备用转闭锁状态，极 II换流桥所连的两台并联变压器在 0 s时合闸至交流系统。空投励磁涌流的零模分量会流经YD换流变的三角形绕组，并导致其中某相套管互感器率先发生暂态饱和，如图4(a)所示。在该情况下，通过相-线变换得到的阀侧线电流整流值 IacD开始增至大于动作定值 Iset(0.21kA)，而 YY 变压器的阀侧线电流整流值IacY由于极 II 尚未运行而等于零，如图4(b)所示。故 YY 型整流桥的桥差保护动作判据将被持续满足，如图4(c)所示。在 0.57 s 时，保护的累积动作时间大于整定的动作时延 0.2 s，此时桥差保护将发生误动，如图4(d)所示。此时，桥差保护的误动将导致极 II投运失败。

图4 换流变励磁涌流期间，YD 换流变三角形绕组套管CT饱和对桥差保护的影响Fig. 4 Influence of the CT saturation in the delta winding of the YD converter transformer on the bridge current differential protection when the converter transformer is energized

2 桥差保护的防误动策略

2.1 引入零序环流作为制动量

如式(1)和式(2)所示，桥差保护判据中的动作量为固定值，无法根据实际情况自适应的调整动作电流大小，这使得桥差保护难以在交流系统故障以及换流变励磁涌流等复杂运行工况期间保持较高的可靠性。参考交流系统差动保护制动电流的选取原则：在正常运行和外部故障时制动作用增强防止保护误动作；在故障时制动作用减弱，以提高保护灵敏度。由上节的分析可知，三角形绕组零序环流导致的互感器饱和为桥差保护误动的主要原因，故可以考虑引入零序环流作为制动量。在发生交流系统故障以及换流器励磁涌流期间，可能存在较大零序环流导致互感器饱和，引入零序环流可以抬高动作门坎以防止保护误动。在换流器发生故障期间，由于换流变阀侧绕组分别为三角形接线和星型不接地接线，因此故障产生的零序电流无法流入换流变压器，此时换流变三角形绕组的零序环流较小。根据上述分析可见，引入零序环流作为制动量可以同时兼顾桥差保护在内部故障期间的灵敏度以及外部故障期间的可靠性。

修改后的Y型整流桥桥差保护动作判据为

2.2 桥差保护防误动策略的投入判据

2.1 小节提出引入三角形绕组零序环流作为保护制动量。但是，该改进措施在提高桥差保护可靠性的同时，也将会降低桥差保护在换流桥发生故障期间的灵敏度与动作速度。因此需要研究上述改进判据的投入条件，在内部故障期间尽量不投入改进判据，而在其他非正常运行工况期间投入改进判据。

交流系统发生短路故障与励磁涌流期间，三角形绕组的零序环流几乎与故障时刻或者励磁涌流的发生时刻同步，而互感器进入饱和需要经过一定的时间，所以桥差保护动作电流的增大时刻将滞后于三角形绕组零序环流的产生时刻。

当换流桥发生的内部故障时，桥差保护动作判据将会在故障发生时刻马上满足。换流变阀侧绕组分别为三角形和星型不接地接线，故障产生的零序电流将无法流入换流变。但是在该情况下，换流变的三角形绕组也有可能产生环流，这是因为故障期间换流变由于偏磁的作用发生了饱和，产生的部分零模励磁电流将流过三角形绕组。考虑到变压器进入饱和状态也需要一定的时间，故三角形绕组零序环流的产生时刻将滞后于桥差保护动作判据的满足时刻。

综上所述，可以根据零序环流的产生时刻与桥差保护动作判据满足时刻之间的相对时间关系确定是否投入桥差保护的防误动判据。当零序环流的产生时刻超前于桥差保护的满足时刻时，则认为发生了外部故障或者励磁涌流等异常运行工况，此时投入防误动策略，以提高桥差保护的可靠性；反之，则判断发生了内部故障，按照原有的动作特性切除故障。

2.3 保护实施方案

根据 2.1 小节和 2.2 小节所述的桥差保护防误动方法，形成具体实施方案，主要包括如下三个步骤。

步骤 1：判断 YD 换流变三角形绕组是否流过零序环流

当式(4)所示的判据满足时，启动桥差保护防误动判据，并记录时刻此时，换流变三角形绕组产生了零序环流，位于三角形绕组的套管互感器有可能发生饱和导致桥差保护误动。

步骤2：判断是否发生内部故障

一般情况下，电流互感器进入饱和需要 5 ms，故Dt可以取 5 ms。

步骤3：投入桥差保护防误动判据

投入桥差保护的防误动判据，通过引入零序环流作为制动电流，以防止桥差保护因三角形绕组侧互感器发生饱和而误动。

3 仿真验证

应用本文所提的防误动策略，对图2所示的交流系统故障期间桥差保护的动作特性展开仿真验证，结果如图5 所示。在 0 s 时刻交流系统发生不对称故障瞬间，YD 型换流变压器的三角形绕组立刻产生了零序环流，如图5(a)所示。在随后的 5 ms内，互感器尚未进入饱和状态，原有的桥差保护判据并未满足，故投入桥差保护防误动策略。在 0.04 s时，由于互感器发生了饱和，桥差保护的差动电流开始增加。在该情况下，桥差保护防误动判据投入，通过引入零序环流作为制动量，能够大幅减少满足桥差保护动作判据的点数，如图5(b)和(c)所示。此时，桥差保护的累积动作时延小于整定值，从而能够躲过误动，如图5(d)所示。

图5 交流系统发生不对称故障期间，桥差保护防误动策略的动作情况Fig. 5 Simulation results of the proposed method for preventing the misoperation of the bridge current differential protection when a asymmetric fault occurs in the AC system

针对如图3所示的换流变空投励磁涌流导致桥差保护误动的情况，所提应对策略的仿真结果如所示。在 0 s 时刻，极 II换流变空投，随即 YD 型换流变压器的三角形绕组即产生了零序环流，如图6(a)所示。在之后的 5 ms 内，原有的桥差保护判据并未满足，故开始投入桥差保护防误动策略。通过分析可见，引入零序环流作为制动量，能够大幅减少满足桥差保护动作判据的点数，从而避免桥差保护误动。

通过上述分析可见，本文所提的桥差保护防误动策略能够在交流系统发生不对称故障以及换流变励磁涌流等异常运行工况期间有效提高桥差保护的可靠性。

在换流桥阀侧引线处发生内部故障期间，桥差保护的仿真结果如图7 所示，故障发生时刻为 0 s。在内部故障发生的瞬间，桥差保护的动作电流迅速增大，保护的动作判据立刻满足，如图7(b)和(c)所示。在 0.2 s 时，换流变由于故障所产生的偏磁作用而进入了饱和状态，其三角形绕组才开始产生零序环流，图7(a)所示。此时，零序环流出现的时刻滞后于桥差保护判据满足的时刻，故桥差保护的防误动策略将不投入，桥差保护可以按照原有的动作特性，灵敏、迅速的切除故障。

图6 换流变空投期间，桥差保护防误动策略的动作情况Fig. 6 Simulation results of the proposed method for preventing the misoperation of the bridge current differential protection when the converter transformer is energized

图7 换流器发生内部故障期间，桥差保护防误动策略的动作情况Fig. 7 Simulation results of the proposed method for preventing the misoperation of the bridge current differential protection when an internal fault occurs in the converter

4 结论

随着直流建设的迅速推进，我国正逐步形成交直流高密度互联的格局，这使得电网故障特性和演化过程更加复杂，同时带来了交直流系统保护协调配合的新课题。由此对电力系统继电保护提出了新的挑战。

在直流输电工程中，YD 换流变阀侧(即换流器网侧)CT 为安装于三角形绕组的套管 CT，在交流系统发生短路故障、励磁涌流等扰动期间，三角形绕组将产生零序环流，并会引起互感器饱和，使得与该饱和互感器相关的保护，譬如直流桥差保护，发生误动，导致直流闭锁，严重威胁交直流混联输电系统的安全稳定运行。对此问题，论文提出了通过引入零序环流作为制动量的桥差保护防误动策略，并利用零序环流与桥差电流出现的相对时间关系，判断是否投入该防误动策略。在交流系统发生扰动期间，通过引入零序环流能够提高桥差保护的动作门坎值，从而有效改善桥差保护的可靠性；在发生内部故障期间，由于零序环流出现的时间晚于桥差电流增大时刻，所提的防误动策略不会被投入，故桥差保护可以按照原有的动作特性切除故障。仿真表明，该方法能够在提高桥差保护在交流系统扰动期间可靠性的同时，不影响桥差保护对于内部故障的灵敏度与动作速度。

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(编辑张爱琴)

Impact of the CT saturation of the delta winding on the HVDC protection and its countermeasure

ZHANG Kanjun1, QI Xuanwei2, HU Wei1, ZHANG Shiyuan3,4, CHEN Kun1, YIN Xianggen3,4
(1. State Grid Hubei Electric Power Research Institute, Wuhan 430077, China; 2. State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310000, China; 3. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology
(Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China; 4. Electric Power Security and High Efficiency Laboratory (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China)

In order to improve the reliability of the bridge differential protection for the DC converter, prevent the misoperation of the protection during short-circuit fault and the inrush current, the countermeasure for the CT saturation of the YD converter transformer of the bridge differential protection is proposed. The theoretical analysis and the simulation test disclose that the CT saturation in the delta winding of the YD converter transformer during the disturbance of the AC system will cause the false operation current, resulting in the misoperation. To solve this problem, the paper proposes a countermeasure that introducing the zero-sequence circulating current as the restraint current of the bridge differential protection. The time difference between the increase of the zero-sequence circulating current and the rise of the bridge differential current is utilized to determine whether to apply the proposed countermeasure. The simulation tests indicate that this countermeasure can improve the reliability of the bridge differential protection during the disturbance in the AC system, and meanwhile would not affect the sensitivity and the speed of the bridge differential protection for the internal fault.

HVDC transmission; current transformer; transient saturation; bridge differential protection; inrush current

10.7667/PSPC201646

：2016-06-18

张侃君(1977-)，男，博士，高级工程师，主要从事电力系统继电保护与自动控制的研究和生产工作；

戚宣威(1988-)，男，通信作者，博士，工程师，主要从事电力系统保护与控制的研究工作；E-mail: 814512663@ qq.com

胡伟(1981-)，女，博士，工程师，主要从事直流输电系统控制与保护技术研究。

湖北省电力公司科技项目(鄂电科研(2014)第110 号)