UPFC系统的变压器差动保护分析

2021-02-23吴奕顾乔根崔玉黄海东孙仲民王业

电力工程技术 2021年1期

吴奕，顾乔根，崔玉，黄海东，孙仲民，王业

(1. 国网江苏省电力有限公司,江苏南京 210024；2. 南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102；3. 南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司,江苏南京 211106)

0 引言

变压器是柔性交流输电系统(flexible alternative current transmission systems,FACTS)与电网交互的关键性交流器件，包括串联变压器和并联变压器2种类型。差动保护作为变压器的主保护，是继电保护研究关注的重点。为提高差动保护的可靠性和准确性，学者们将S变换[1]、形态学[2]等方法用于差动保护分析。此外，差动保护受空充励磁涌流、并联运行和应涌流的影响比较大[3]。文献[4]采用多变量多尺度熵算法识别励磁涌流，具有可评价多通道数据复杂性和相关程度的特点；文献[5]分析了复杂和应涌流的影响因素、关键特征以及对相邻发电机电流差动保护的影响。

不同工作场景下的变压器对差动保护的影响也各有差异。文献[6]研究了换相失败对差动保护性能的影响；针对调压变压器的运行方式，文献[7]提出一种差动保护自适应算法，能够在线自适应地对差动电流计算结果进行修正；针对传统移相变压器保护方案的不足，文献[8]提出基于全角度移相的移相变压器差动保护方案。

电力电子技术的发展使得交流变压器在FACTS工程中应用越来越广泛，但是在这类FACTS工程，尤其是统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)工程中，关于变压器保护的研究相对较少。文献[9]分析了UPFC保护与交流保护配合策略，并阐述了南京西环网UPFC保护与各类交流保护动作配合原则；针对UPFC串联变压器特殊的启动调试方法和充电路径，文献[10]提出一种串联变压器启动试验保护配置方法；传统差动保护无法可靠反映UPFC中网侧绕组两侧的故障，文献[11]利用网侧绕组等效电流和绕组差动的辅助判据改进了串联变压器差动保护；考虑到UPFC中串联变压器的特性和运行方式，文献[12]提出串联变压器保护需要考虑的特殊问题，并据此提出完整的串联变压器保护配置方案，给出了适用于串联变压器的专用保护判据。

UPFC系统中的串联变压器在硬件结构上、工作特性上与普通并联变压器相比都有较大区别；UPFC系统中的并联变压器与常规变压器相比，其一次结构、一次接线没有区别，但UPFC并联侧换流器直接接入并联变压器，其输出特性对并联变压器差动保护的影响尚不明确。考虑到UPFC系统的特殊性，需要从UPFC的具体运行方式、UPFC故障发生过程中和故障切除的过程中电气量的变化规律等方面对串联变压器、并联变压器差动保护算法的适应性进行评估，提出切实可行的保护配置方案和改进方案。

综上所述，文中通过已建立的苏州南部工程UPFC实时仿真模型，对UPFC工程应用中的交流保护受到的影响进行系统评估，仿真分析变压器差动保护在区内外故障下的波形特征，探讨变压器差动保护在此类故障情况下的适应性，为UPFC输电工程及后续的工程建设提供技术支撑。

1 UPFC系统结构及保护动作方式

苏州南部工程UPFC系统结构如图1所示，网侧2个换流器通过2个串联变压器接入木渎—梅里500 kV双回线路。并联侧1个换流器通过1个起动电阻接至并联侧变压器，再接入木渎500 kV母线，在并联变压器的阀侧和系统侧均配有1台交流断路器；串、并联侧3个换流器采用背靠背的连接方式，网侧2个换流器在直流侧并联后再与并联侧换流器通过直流母线相连。

图1 苏州南部工程500 kV UPFC系统结构Fig.1 Structure of 500 kV UPFC system in the South of Suzhou

串联换流器通过串联变压器给线路注入幅值和相角均可控的电压矢量，其幅值和相位由UPFC在潮流控制时所选择的控制方式来确定，其控制方式主要包括自动潮流控制、相角控制以及线路电抗控制等[13—16]。串联变压器通过旁路合闸的方式实现变压器隔离。

并联换流器通过并联变压器向电网提供无功功率以维持UPFC接入母线的电压稳定，同时从电网吸收有功功率，向串联换流器提供有功并补偿电路器件的有功损耗。并联变压器一般采用常规断路器来隔离故障。

2 UPFC系统变压器保护的相关问题

2.1 串联变压器

串联变压器是UPFC系统的潮流调节电压输出器件[17]，其网侧绕组两端开放式地串接在输电线路中，其运行方式的特殊性决定了变压器结构和特性与普通电力系统变压器(并联变压器)有很大不同。

(1) 相对于同电压等级的普通变压器，串联变压器的额定电压低，容量小。其网侧额定电压通常比串联变压器工作环境的额定电压小一个数量级。

(2) 由于工作环境的电压等级较高，为了应对串联变压器可能的磁饱和及过电压，要求串联变压器的工作磁密低，并具有抗短时过电压和过激磁的能力。

串联变压器的绕组端电压来自UPFC网侧换流器输出，是时变的。当串联变压器绕组输出电压低于变压器额定电压时，串联变压器匝间故障产生的差流将明显降低[18—19]。由于一次系统上串联变压器与换流器耦合度很高，当变压器故障时，需要考虑换流器的暂态行为可能对变压器差动保护产生的影响。

2.2 阀控制保护对变压器保护的影响

电力电子设备的抗过电流抗过电压特征不同于普通交流设备[20—21]。电力电子设备具有非线性、阶跃性特征，当此类设备流过大电流时，电流越过门槛，无需积累，可能直接导致设备永久性损坏(半导体击穿或烧断)[22]。因此UPFC保护必须采用采样瞬时值作为保护计算值。当系统故障产生的暂态电流达到UPFC保护的动作门槛时，UPFC保护从保护直流设备的角度出发，须快速动作。当串联变压器存在严重故障时，必然也会引起换流阀过流，须考虑阀控制保护的动作行为对交流保护带来的影响。

2.3 并联变压器

并联侧换流器对于变压器而言，可以等效于负荷(吸收少量有功，交换无功)[23]，因此并联变压器整体特性类似于负荷变压器。并联变压器在变压器结构、一次接线、隔离方式、与上一级继电保护配合等方面没有特殊之处，差动保护反映区内外典型故障时原理上不受影响。并联变压器的差动保护需要仿真确认暂态故障情况下，并联侧换流器这一特殊“负荷”的输出特性是否会影响差动保护闭锁判据。

3 差动保护反映串联变压器区内外故障的适应性分析

3.1 差动保护配置及仿真工况

在实时数字仿真系统(real time digital simu-la-tion system，RTDS)中，接入UPFC阀侧控制保护系统、交流侧串联变压器及并联变压器保护装置，分析故障时的串、并联变压器的电气特征及继电保护元件的响应情况。

图2为两绕组串联变压器外部短路系统示意。工程上，取电流互感器CT1、CT3构成磁平衡纵差保护87T1，设置纵差保护启动值为0.3 A，纵差保护采用三段式制动特性曲线。

3.2 区外短路情况下差动保护的适应性分析

图2中，串联变压器包含网侧绕组和阀侧绕组。正常运行时，旁路开关K1、K2处于打开状态，网侧绕组直接串接在线路中，阀侧绕组首端接换流器输出引线，尾端为中性点接地。

图2 串联变压器外部短路系统示意Fig.2 Schematic diagram of external short circuit in series transformer

从串联变压器的角度来说，当线路突发短路故障时，K1处于分位，短路电流I1从线路的S侧穿越串联变压器汇入短路点，串联变压器自身阻抗串接在故障回路中。K2也处于分位状态，阀侧绕组也将流经短路电流I2。

短路电流I2势必引起换流器过流，在故障后的数毫秒内，阀控制保护将动作，闭锁换流器，合旁路开关K1、K2，其中K1的合闸过程大约持续30 ms。

在此过程中，串联变压器自身一直串联在故障回路中，客观上，串联变压器自身阻抗及换流器回路的等效阻抗能起到一定的限流作用。由于K2开关合闸速度快，当K2已合闸、K1未合闸时，流经串联变压器的短路电流达到最大。当K1、K2均已合闸，串联变压器两侧绕组均被旁路(绕组首尾短路)，变压器隔离处于隔离状态，合闸前一刻两侧绕组中存在的交流短路电流转化为衰减非周期分量。

区别于普通变压器，3/2接线、角型接线方式下，变压器区外短路电流很大(因为此时变压器自身阻抗不在故障回路中，起不到限流作用)，串联变压器网侧区外故障时，自身阻抗有一定限流作用，再结合合理的CT(按线路金属性短路故障选择CT变比，CT选型侧重于暂态特性好的类型)，串联变压器网侧区外故障造成CT深度饱和的可能性小，K1、K2合闸过程中产生的不平衡电流不至于大幅上升，而穿越性故障提供的制动电流很大，因此差动保护误动的风险较小。

应当注意到，区别于普通交流电网故障过程，K1、K2合闸后的暂态过程具有特殊性。普通交流电网故障后，断路器开关跳开并灭弧，一次系统的电流回路开路，电流为零。当K1、K2合闸后，网侧绕组、阀侧绕组两端均被旁路开关短接，构成了电流回路，同时网侧绕组、阀侧绕组为感性铁磁元件，绕组电流不能突变，绕组电流存在一个衰减的过程，需要关注这个过程中，一次侧持续的衰减非周期分量传变至二次侧时二次电流的一致性问题。

图2中，F1处发生单相永久性接地故障，仿真及计算波形如图3所示。故障起始时刻为0.05 s，故障发生后约0.01 s，K2开关合上。

图3 串联变压器区外单相接地故障Fig.3 Single-phase ground fault outside the series transformer

由图3可见，旁路开关完全合闸前(t<0.08 s)，短路电流呈典型区外故障特征。当旁路开关完全合闸后，变压器两侧电流呈非周期衰减状态，随着时间推移，两侧电流的衰减特性差异逐渐放大，过零点时波形差异明显。

分析图3可知，区外故障过程中，在K2完全合闸前(t<0.08 s)，纵差保护的差回路中不平衡电流很小，远小于短路电流提供的制动电流，此阶段差动保护能够可靠制动。

当旁路开关合闸后，变压器两侧的二次电流衰减差异逐渐放大，差流逐渐越过制动电流，纵差保护进入动作区，此时需要考虑闭锁措施以避免差动保护误动[24]。

3.3 纵差保护反映区内金属性故障的适应性分析

分析网侧区内单相接地故障时，纵差保护的差流特征和演变趋势。网侧绕组区内接地故障示意如图4所示，设网侧绕组总匝数为N1，阀侧绕组总匝数为N2，网侧绕组从首端起k×100%绕组处发生接地故障，此时S端系统有短路电流从首端流入接地点，N端系统有短路电流从尾端流入接地点。

图4 网侧绕组区内接地故障示意Fig.4 Schematic diagram of ground fault in the grid side winding area

分析此时的串联变压器，有磁平衡：

(1)

整理得到：

(2)

纵差保护(87T1)取CT1、CT3进行计算，两侧差动调整电流均以变压器各侧额定电流标幺化后进行计算。因此，以串联变压器网侧为基准，可以略去I3的乘积项，此时串联变压器两侧差流Id为：

(3)

由式(3)可知，当故障点落于变压器区内时，k值越小，即故障点越靠近绕组S侧，以CT1、CT3构成的纵差保护87T1的差流越大，纵差灵敏度越大；k越大，即故障点越靠近绕组N侧，纵差保护87T1的差流越小，保护灵敏度下降，必然存在灵敏度死区。

假如以CT2、CT3构成纵差保护(87T2)，以上述分析方法分析可知，与87T1相反，当故障点落于变压器区内，k值越大，87T2的差流越大，灵敏度越高；k值越小，87T2的差流越小，87T2的灵敏度死区位于绕组S侧。

仿真网侧绕组k=0.9处发生绕组单相接地故障，仿真及计算波形见图5，故障起始时刻为0.3 s。

图5 串联变压器区内绕组接地故障Fig.5 Ground fault waveform in the grid side winding

由图5可知，当故障点接近绕组尾端时， 87T1的差流很小，已低于纵差保护启动值，87T1保护不能动作。与此同时，由于区内故障点靠近CT2，CT2、CT3构成的磁平衡受破坏程度很高，因此87T2的差流很大，差动保护具有良好的保护灵敏度，能够补充87T1的灵敏度死区。

基于上述分析结果，工程上可以同时配置87T1、87T2两套纵差保护，以消除近S侧和近N侧的灵敏度死区，提高纵差保护整体灵敏度。

3.4 纵差保护反映匝间短路故障的适应性分析

分析串联变压器本体绕组发生匝间短路时，纵差保护的差流特征和演变趋势[16]。

文献[16]给出了串联变压器差动保护的差动电流与故障率、绕组端电压之间的数值关系：

(4)

式中：E2为串联变压器网侧绕组端间电压；I1为CT1测量电流；Zk为系统短路阻抗；Zkt为变压器短路阻抗；k为被短绕组的匝数比。

分析式(4)可知，固定绕组电压E2不变时，绕组被短路匝数越多，即k越大，则差流Id1越大；固定k不变时，相同匝数绕组被短路情况下绕组电压E2越大，则差流Id1越大。

模拟系统处于小方式下，UPFC系统轻微出力(输出电压0.1 p.u)，串联变压器发生5%匝间短路的情况进行分析，如图6所示，故障起始时刻为第0.055 s。

图6 串联变压器本体绕组轻微匝间短路故障Fig.6 Series transformer windings with slight turn-to-turn short circuit fault

分析图6(a)、(b)可知，UPFC系统轻微出力发生小匝比短路故障，短路电流数值上仅比负荷电流略有上升，仅产生轻微的差流，差流低于动作门槛，差动特性不能进入动作区，差动保护不能动作。此时需要考虑措施以提高差动保护灵敏度[9]。若串联变压器绕组端电压接近额定电压，串联变压器绕组短路的短路电流将上升。

模拟系统处于大潮流下，UPFC系统进行降功率输出，串联变压器绕组发生40%的大匝比短路故障，如图7所示。

图7 串联变压器本体绕组大匝比短路故障Fig.7 Series transformer winding short circuit fault with large turn ratio

分析图7可知，当UPFC系统出力较大时，若变压器发生大匝比短路故障，变压器阀侧绕组将产生大的冲击电流。按照CT3实际变比为2 000∶1计算，短路时刻的瞬时电流达到5 800 A以上，势必造成换流器过流，对换流器设备安全造成威胁。此时换流器控制保护将在0.002 s内快速动作，停运换流器并合闸旁路开关。受换流器控制保护的动作行为影响，差流瞬时值在故障后迅速达到顶峰，随后由于换流器不再输出控制电压且旁路开合闸，差流瞬时值迅速下降，在0.01 s内降为低值，进而造成纵差保护来不及动作。

变压器区内发生严重故障，引起了换流器过流，进而阀控制保护动作切除故障。有3点因素需要考虑：

(1) 串联变压器与换流器同属UPFC主要设备，不存在单一设备单独运行的工况，串联变压器处于纵差保护和阀控制保护共同作用的范围，退一步考虑，主变区内故障情况下，如果阀控保护拒动，交流保护是能够可靠动作切除故障的。

(2) 交流继电保护与阀控制保护的动作后续结果是一样的，都是换流器停运，合闸旁路开关。

(3) 换流器的设备安全要求阀控制保护能够在大电流情况下快速隔离串联变压器，阀控制保护快速动作，客观上有利于变压器在较严重故障情况下尽快隔离。

基于以上分析，保护动作行为的评价应基于串联变压器保护及阀保护的整体保护动作效果，不应片面地只评估单个保护。

就交流保护自身而言，需要关注：在阀控制保护先行动作、交流纵差保护不动作的情况下，如何进行事后快速故障定位，即定位故障是发生在变压器还是发生在阀侧换流器。

图7中，变压器发生较大匝间短路时，交流保护能够录到短时差流，其短时数值达到2.6 A左右。首先，通过观察线路保护行为及线路电压,可识别是否因线路故障引起变压器产生不平衡电流，进而导致差动保护出现大差流。理论上，换流器属于串联变压器电源侧，任意换流器故障都不会引起变压器纵差保护产生差流。因此，一旦线路电流没有大幅变化且串联变压器差动保护出现过较大差流，则变压器区内可能存在故障的可能性很大，此时应当抽油样分析或吊罩检查。

3.5 差动保护反映串联变压器阀侧故障的适应性分析

串联变压器阀侧发生匝间短路故障，故障特征与网侧匝间短路故障的特征基本一致。串联变压器阀侧一般采用星型高阻接地的接线形式，这种接线形式的主要问题是，当阀侧发生单相接地故障时，短路电流很小，即阀侧属于小电流接地系统，此时故障特征量主要体现在系统电压上而不是电流。纵差保护是以电流为主要分析对象的主保护，因此纵差保护不能反映此种故障，应配置零序过电压或电压不平衡等原理的保护作为辅助。

4 差动保护反映并联变压器故障的适应性分析

并联侧换流器对于变压器而言，可以等效于负荷(吸收少量有功，交换无功)，并联侧换流器的工作容量比并联变压器容量小得多，正常运行时变压器负荷电流不大，并联变压器运行特性类似于负荷变压器。并联变压器采用常规断路器使变压器与交流系统隔离。阀侧区外故障时，阀侧提供的短路电流不流经差动保护CT，因此差动保护反映区外故障没有特殊之处。

分析变压器发生区内故障，此时并联侧正序电压下降，按照既定控制策略，并联侧换流器将输出无功功率进行无功补偿。

以往变压器接入无功设备，带来的主要问题是谐波问题[25]。例如，静止无功补偿器(static var com-pen-sator,SVC)配套设备中含有滤波器组，暂态情况下将产生特定次谐波，将影响差动保护饱和判据开放，影响差动保护性能。

模拟并联变压器阀侧区内发生两相接地故障(此时阀侧电压变化最大且又不至完全失压)，如图8所示。第145 ms处，并联变压器阀侧区内发生BC两相接地故障，网侧提供短路电流，因此网侧BC相电流上升。阀侧换流器输出无功电流，流经差动保护阀侧CT汇入故障接地点，因此阀侧BC相电流也有一定程度的上升。

图8 并联变压器区内两相接地故障Fig.8 Two-phase grounding fault in parallel transformer zone

区别于SVC，UPFC采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)组成换流阀，控制响应速度快，不产生谐波，结构设计上不需要滤波器组。分析图8可知，故障后几毫秒之内，阀侧换流器能够快速响应将输出电流控制在合理范围内，输出波形平滑，无明显畸变情况，谐波含量低，不会对差动保护构成闭锁风险。

综上所述，差动保护能够不受影响地反映并联变压器区内外故障。