换流变压器差动保护对称性涌流识别算法研究

杨阳 张文波 杜迪

摘 要：本文比较了換流变和普通变压器在接线形式上的特殊性，分析了换流变保护差动中对称性涌流产生的原因。根据换流变对称性涌流的波形特征，提出了一种虚拟制动电流的构建方法，通过构建的虚拟制动电流和实际采样电流进行波形预测，根据定义的波形系数函数进而求取波形系数，通过波形系数的差异可以有效识别对称性涌流。通过仿真验证，所提出的对称性涌流识别算法可以有效避免换流变保护装置在发生对称性涌流时产生误动，发生空充于故障的情况时保护可以有效动作。

关键词：换流变；对称性涌流；虚拟制动电流；波形系数

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）02-0157-04

Research on Identification of Symmetrical Inrush Current Algorithm for Converter Transformer Differential Protection

YANG Yang ZHANG Wenbo DU Di

（Hefei Electric Power Installation Co.，Ltd，Hefei Anhui 230601）

Abstract： In this paper， the particularity of converter transformer and common transformer in connection form was compared， and the cause of symmetrical inrush in differential protection of converter protection was analyzed. According to the waveform characteristics of symmetrical inrush current， a virtual restraint current construction method was proposed， virtual restraint current and actual sampling curren was used for waveform prediction， waveform coefficient was obtained according to the defined waveform function. Then the symmetrical inrush can be identified effectively by the difference of the waveform coefficient. The simulation results show that the proposed algorithm can avoid misoperation of protection device when the symmetric inrush occurs， and it can act effectively when no-load switching into fault.

Keywords： converter transformer；symmetrical inrush；virtual restraint current； waveform coefficient

1 研究背景

换流变压器（以下简称“换流变”）是特高压直流输电系统中最重要的设备之一，其运行可靠性直接决定了特高压直流输电系统的整体性能。换流变压器不同于普通电力变压器，其在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压及试验等电气特征上与普通电力变压器有很大不同[1-4]。在高压直流输电工程中，换流变压器处于交流电与直流电互相交换的核心位置。换流变构成方式主要取决于直流输电工程对传输容量的要求。一般特高压系统多采用由Y/Y和Y/△两组双绕组变压器与换流阀构成12脉动换流单元。特高压系统通常采用双极单阀组或双极双阀组结构。

在任何组合运行方式下，每组12脉动2台换流变均是同时投退的，所配置主保护也包括12脉动换流变的大差保护和单台换流变的小差保护，且均采用二次谐波制动判据。

与普通变压器相比，换流变配置了较多的CT，因此可以配置更加复杂和完善的差动保护。同时，由于换流变压器的短路阻抗较大，内部故障情况下差电流较小，对差动保护灵敏度也提出了更高的要求。

从换流变保护的配置可以看出，排除CT传变特性的影响，当变压器引线部分无故障时，大差差流始终等于两小差差流之和。

换流变大差的励磁涌流和普通变压器的励磁涌流有较大区别。普通变压器涌流谐波含量较高，波形畸变严重，衰减较快；而换流变的励磁涌流可能出现衰减较慢、谐波含量较低的情况。

产生这种不同的主要原因是，换流变大差的励磁涌流是两台变压器励磁涌流的综合结果。由于每台小变压器有自己独立的磁回路，因此会产生独立的励磁涌流。当两个励磁涌流的二次谐波分量刚好大小接近、方向相反时，和电流中工频分量会占据绝大部分，从而产生非常明显的故障特征，造成差动保护误动。

2 换流变励对称性励磁涌流分析

Y/Y和Y/D两台变压器虽然空充时的电压初始相位相同，但仍然可能产生不同的励磁涌流，主要有以下几个影响因素：①空充前初始剩磁不同[5]；②两台独立变压器，变比不同；③铁磁饱和特性不完全相同。

特别是部分换流变Y/Y和Y/D两台变压器，可能由不同的厂家供货。

Y/D换流变由于低压侧存在三角环，在空充过程中会出现一定的零序环流，从而对变压器磁通产生影响。而Y/Y变压器因为阀处于未解锁状态且低压无三角环，所以空充过程中低压侧基本无电流。

可见，Y/Y和Y/D两台变压器的励磁涌流受很多因素影响，一般不会完全相同，特殊情况下和电流确实可能出现工频分量高且直流和二次谐波含量低的情况。

此外，由于两台变压器同时空充，涌流之间会相互影响，产生比较复杂的和应涌流，造成涌流衰减速度比较慢，甚至可能在一段时间内出现逐渐增大的情况。

由于Y/Y、Y/△换流变压器的电源、合闸角等参数完全相同，因此，在系统侧合闸为换流变压器空充时，若两换流变压器因剩磁不同，产生的励磁涌流相差很大，导致合成的励磁涌流对称性较好，差流最大相的二次谐波闭锁功能基本上没有作用，容易引起差动保护误动。

换流变压器的励磁涌流、对称性励磁涌流和和应涌流现象都存在于实际直流输电系统中。

3 励磁涌流（对称性涌流）判别

由于在空载合闸时采用二次谐波闭锁方案，因此，会影响空载合闸于故障时差动保护的动作速度，且当变压器空载合闸于对称性涌流时，差动保护容易误动。本方法采用一种新原理，比较波形系数R与ε（ε为设定的定值）的大小：如果R<ε，开放差动保护；否则，闭锁差动保护。

3.1 构建虚拟制动电流

通过上述对合成电流及两种极端情况的分析，考虑到在内部故障情况下，电流中可能含有较多的直流分量，使电流向某一方向有较大偏移，并根据电流在故障和正常空投时波形特征的差异，结合极端情况下合成电流的特征，笔者按照以下步骤进行虚拟电流的构建。①通过比较每个周期内的最大值imax与最小值imin，选取二者中绝对值小的值，记为ip.min；②以ip.min为中心分别向前向后求取1/4周期的点；③随后根据该值的符号选取一个值ip，判断|imax|-|imin|的方向：若|imax|-|imin|≥0，涌流向正向偏置，则求取该半个周期内的最大值ip，若|imax|-|imin|<0，涌流向负向偏置，则求取该半个周期内的最小值ip；④计算虚拟电流：该半个周期内的所有点都与ip做差，将电流转换到时间轴的一侧，作为一个新的数列，构成虚拟电流i，该虚拟电流中已经没有直流偏置[6]。

3.2 波形預测算法及波形系数计算

在构建虚拟电流后，设k时刻的实际电流的值为ik，虚拟电流为i，且在j时刻有极值ip.peak存在，则通过波形预测，第k点的预测电流ii值为：

[iik=ip·peak?cos2πNk-2πNj，k=j-N4，L，j+N4]（1）

式中，N为每个周期的采样点数。当Ts为采样周期时，可以定义波形系数为：

[R=12iij-N4-ij-N4?Ts+k=j-N4+1j+N4-1iik-ik?Ts+12iij+N4-ij+N4?Ts12iij-N4?Ts+k=j-N4+1j+N4-1iik?Ts+12iij+N4?Ts =iij-N4-ij-N4+2?k=j-N4+1j+N4-1iik-ik+iij+N4-ij+N4iij-N4+2?k=j-N4+1j+N4-1iik+iij+N4]（2）

从波形系数R可以看出，分母为预测波形的面积，分子部分为预测电流波形与虚拟电流波形面积之差。通过上述公式可以了解到，在换流变压器空充时，间断角较大，R的分子部分较大，所计算出的R值较大；当变压器发生故障时（包括内部和外部故障），故障电流基本为正弦波，R的分子部分较小，所计算出的R值也较小。因此，可以通过变压器内部故障时产生的差流满足差动保护，而外部故障时差流不满足差动保护的要求，利用差动保护区别区内故障与区外故障。同时，差动保护也可作为虚拟电流计算及波形系数计算的启动算法。然后，设定合理的门槛值，即可通过判别R值的大小识别换流变压器是空充还是故障状态[7]。

对称性涌流识别的具体算法是：首先对合成电流进行采样，并进行数据滤波，检测电流是否满足差动保护，若合成差流满足差动，则启动对称涌流识别算法，先采样一周数据，根据采样数据构建虚拟电流，根据构建的虚拟电流进行波形预测，进而求取波形系数。根据定义的波形系数函数求取波形系数，通过比较波形系数与设定的门槛值的大小，确定换流变压器是否发生励磁涌流或故障电流，当波形系数大于门槛值时，可认为换流变压器为空充状态，闭锁差动保护；当波形系数小于设定门槛值时，可认为变压器发生内部故障，开放差动保护。由于合成涌流中有明显的间断角特征，涌流波形与预测波形的差值较大，计算的波形系数也较大；而故障电流具有正弦波的特征，故障电流与预测电流差值较小，计算的波形系数也较小。当门槛值选取过大，在空充时容易误动，但故障时，保护的开放速度较快；而门槛值选取较小时，可以避免空充误动，但在小匝间短路时，保护的开放速度较慢。综合上述因素，选取门槛值。

图1为一种适用于变压器涌流闭锁的综合判别方法流程框图。

[R

三相变压器参数为：额定容量4.5kVA，高压侧电压230V，低压侧电压为230V，高压侧额定电流6.52A，空载损耗22.6W，空载电流0.25A，短路损耗20W，短路阻抗13.4%。

3.1 变压器空载试验

图2（a）为系统侧的合成电流，包括饱和电流与不饱和电流。从图上可以看出，在换流变压器空充时，会导致电流互感器饱和。由于合成电流的对称性不是很好，致使涌流中二次谐波含量较高，谐波的制动作用较强，不会引起保护的误动。求取合成电流的波形系数，所求取的波形系数大于门槛设定值，如图2（b）所示，该算法能可靠地制动差动保护，防止误动。

[t/s][t/s][t/s][iB/A][iA/A][iC/A]

（a） 合成电流