新一代调相机变压器组启机过流保护误动作原因及对策

郑玉平，潘书燕，柴济民，郑作伟，吴崇昊，龙 锋

（1. 南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏省南京市 211106；2. 智能电网保护和运行控制国家重点实验室，江苏省南京市 211106；3. 常州工学院电气信息工程学院，江苏省常州市 213032）

0 引言

为了缓解交、直流故障引起的电压问题以及直流换相失败等问题，国家电网有限公司自2015 年起研究部署调相机在电网中的应用，利用调相机具有大容量双向无功调节的能力和动态无功输出的特点，提高特高压直流电网的支撑能力，推动特高压电网发展和安全稳定水平［1-4］。新一代调相机在结构设计、启动方式、励磁控制方式和运行模式等各方面均与常规的发电机组、抽水蓄能机组等不同［5］，国家电网优有限公司组织专家、学者开展了相关的技术研究，发布了系列规范［6-7］。2017 年12 月随着±800 kV 扎鲁特换流站首套新一代调相机组工程的成功投运，±800 kV 祁连换流站、±1 100 kV天山换流站、±800 kV 金华换流站等调相机组工程也相继投入运行，整体运行情况良好，但在具体应用过程中，启机过程出现过保护动作现象，主要表现为调相机升压惰转过程中机端出现幅值较大的波形畸变电流。

已有新一代大型调相机保护相关文献［8-12］针对上述现象及问题鲜有论述。文献［8］分析了调相机在静止变频器（SFC）拖动时的谐波特性，阐述了变频启动过程中的变频特性及谐波特性对启机保护的影响，提出了一种改进型的定频采样变数据窗离散傅里叶变换算法，在变频启动时启机过流保护能够更准确地算出故障电流的基波幅值。文献［9］提及调相机启动过程对继电保护的影响，从总体方案上提出需配置一些特殊功能应对低频工况，如调相机的低频过流保护等，相关的保护算法应与信号的频率无关，但对SFC 退出运行后调相机升压惰转过程中的电流波形畸变产生原因没有论述。文献［10］主要对大型调相机内部绕组匝间短路故障进行了分析并提出了相应的解决方案，未给出调相机启动过程中保护的策略、算法等。文献［11］分析了调相机在SFC 投入运行启动阶段，机端电压、电流等电气量可能出现较大的谐波，启机状态下测频算法的精度以及响应速度需要考虑谐波的影响，未述及SFC 退出运行后调相机升压惰转过程中的电流波形畸变产生原因及对策。

本文首先介绍了新一代大型调相机组启动与运行特点，然后重点分析了调相机升压惰转过程电流畸变产生的机理，以及启机过流保护动作的原因，在此基础上，提出了保护应对策略并验证了策略的有效性。

1 新一代大型调相机组启动特点及启机保护配置方案

1.1 新一代大型调相机组启动特点

新一代大型调相机通过升压主变压器并入电网，其系统配置如图1 所示。

图1 新一代调相机变压器组系统配置图Fig.1 System configuration diagram of new-generation condenser and transformer unit process

调相机机端与主变压器低压侧之间无断路器连接。调相机没有原动机，由SFC 系统驱动以电动机工况启动，由静止状态拖动至约1.05 倍额定转速后惰转并网，启机过程存在SFC 投入后机组缓慢匀速升压和升频阶段、SFC 退出后机组快速升压及惰转检同期并网阶段［13-14］。

1）启机SFC 投入，机组升频升压阶段

本阶段为SFC 投入阶段，主励磁不带电，启动励磁通过厂用电给机组励磁，拖动调相机使其机端电压从0 V 升至机端额定电压UN的10%（UN=20 kV），频率由5 Hz 升频到52.5 Hz。为避免调相机过激磁，本阶段机端电压调节的同时，频率也同步进行调节，且按照U*/f*≤0.36 进行调节，U*和f*分别为机端电压和频率的标幺值。

2）启机SFC 退出，机组升压惰转阶段

惰转阶段为SFC 退出之后到机组同期并网的过程。SFC 系统退出后，启动励磁快速切换至主励磁，励磁切换完成后，升压过程中调相机由于没有SFC 拖动，转动速度会慢慢下降，在这个过程中同期装置会进行同期并网点捕捉，当满足并网条件时，同期装置控制并网开关合闸，调相机并网成功。在此过程中，调相机机端电压在5 s 内从2 kV 升至20 kV，频率在25 s 内由52.5 Hz 降至50 Hz。

1.2 新一代大型调相机组启机保护配置方案

调相机组启机保护配置了启机差动保护、启机低频过流保护和启机零序过电压保护，作为尚未并网前的调相机、主变压器、励磁变压器相间故障及定子接地故障的保护。

由于调相机启动或停机过程中，定子电压频率是变化的，因此启机保护均采用了不受频率影响的算法，其中调相机启机差动保护取调相机机端侧、中性点侧的电流互感器形成差动保护。启机低频过流保护电气量取自调相机中性点侧三相电流。启机零序过电压保护电气量取自机端开口三角零序电压。调相机变压器组并网后启机保护自动退出，即调相机启机差动保护、启机低频过流保护和启机零压保护均自动退出。

启机低频过流保护的整定原则为［6］：定值Iop应可靠躲过启机过程的最大SFC 注入电流，Iop=KrelILoad，其中ILoad为低频工况下的额定SFC 注入电流，Krel为可靠系数，取1.3～1.5。工程应用中SFC的最大注入电流一次值为1 650 A，机端和中性点电流互感器变比为12 500∶5。因此，最大注入电流二次值为0.66 A，可靠系数取为1.3，Iop整定为0.85 A。

2 调相机惰转过程电流畸变分析

2.1 工程现场惰转过程保护动作情况说明

对于图1 所示调相机工程现场配置，当调相机完成第1 阶段的SFC 投入升频升压过程后，SFC 会退出运行，断开与调相机机端的刀闸连接，自并励励磁系统投入运行，调相机处于第2 阶段的SFC 退出，机组升压惰转过程，此时调相机为带空载变压器运行模式，但在调相机机端（即主变压器低压侧）和中性点侧出现了较大的畸变电流，超过了调相机变压器组保护中的启机低频过流保护定值，保护动作，调相机并网失败，此时输出的波形如图2 所示。图中8.25 s 后为放大波形曲线。

由图2 可知，在调相机机端电压上升的过程中，调相机机端电流幅值逐渐增大（在无内部故障时机端和中性点侧为穿越性电流，幅值和波形形状一致，图中显示为机端电流），通过全波傅氏算法得到的幅值大于1 A，超过了定值0.85 A，满足启机过流保护动作条件，保护动作跳闸。在此过程中，机端电流波形严重畸变且呈现涌流波形特征，为何会出现较大的畸变电流波形需要进一步分析。

图2 启机过程中的调相机机端电气量Fig.2 Electric quantities at condenser terminal during start-up process

2.2 调相机升压惰转过程电流畸变原因分析

当调相机转速达到3 150 r/min，进入惰转过程后，调相机机端仅与励磁变压器和升压主变压器有电气连接，励磁升压过程中，增加转子励磁，机端电压快速由2 kV 提升到20 kV，励磁变压器容量较小（约为1.2%主变压器容量），相比升压主变压器容量可以忽略不计。由1.1 节可知，调相机机端电压在5 s 内从2 kV 升至20 kV，频率在25 s 内由52.5 Hz降至50 Hz，根据调相机制造厂提供的数据和工程实际运行情况，在5 s 内调相机频率由52.5 Hz 降至52 Hz，0.5 Hz 的频率变化相对较小，为分析方便，忽略频率变化影响。所以在升压惰转过程时可看成主变压器空载运行，主变压器低压侧电压（即调相机机端电压）的幅值不断变大，频率可以近似认为不变。考虑到新一代调相机变压器组中的变压器为20 kV/500 kV 或者20 kV/750 kV 三相五柱式变压器，由于旁柱提供了零序磁链的磁路，因此对于每相的磁路分析也可基于单相变压器模型，本文后续分析和公式推导取其中一相进行分析，其他两相相同。

为方便分析，忽略升压变压器漏电抗的影响，以下分析主要是考虑电压实时变化过程中变压器铁芯磁链变化情况，忽略磁链非周期分量衰减的影响。

变压器低压侧快速升压从整个过程看其幅值是线性变化、逐渐增大的，本文将整个过程拆分成很多次电压升压变化阶段，每一阶段都可看成从一种电压状态变化到另一种电压状态，对每一切分时刻变压器磁链值进行推导［15］。

式中：Um为主变压器低压侧额定电压；k1为变压器端电压变化前的电压系数；φ为合闸角；ω为角频率。

式中：C2为积分常数。

3）电压变化前后磁链不能突变，即ψ1(0) =ψ2(0)，可得C2=ψm(k2cos(φ+θ)−k1cosφ)+ψr，从而得到对应时刻电压变化后的磁链为［14］：

从保护装置软件实现的角度，对式（6）和式（7）进行如下处理：一是标幺化处理，二是电压量实时采集，三是软件实时积分数据窗的选取。从而可以近似间接计算出磁链值（标幺值），如式（8）所示。

式中：ψ*2(t)为磁链实时计算标幺值；u*(t)为电压实时标幺值；ψ*r为剩磁标幺值。

相对于式（7），式（8）改变了非周期分量表达式上限，主要考虑在其他情况（如和应涌流）下，非周期分量有一缓慢变化过程，需要连续积分，对于非和应涌流工况，基本上半个工频周期后电压为稳定的周期分量，后期积分结果为0，所以积分上限的改变影响不大。

根据现场录波数据和式（8）设置不同剩磁情况进行磁链值估算，发现当剩磁在0.7 p.u.时，磁链值超过铁芯饱和阈值，机端电流出现励磁涌流，且随着磁链的逐渐增大，机端电流增大，与现场出现励磁涌流的时间相近，如图3 所示。图中，第1 个波形为机端BC 相间电压标幺值，是仿真实测值；第2 个波形是由第1 个波形根据式（8）中电压变化量表达式计算得到的相间电压变化量；第3 个波形为仿真实测机端B 相电流值；第4 个波形是由第1 个波形根据式（8）计算得到的磁链值；红线表示变压器饱和磁链值，下文同。

图3 启机过程中的调相机机端B 相电气量Fig.3 Electric quantities of phase B at condenser terminal during start-up process

2.3 仿真验证调相机升压惰转过程电流畸变现象

为了进一步验证上述分析的准确性，按照新一代调相机工程相关参数建立了基于PSCAD/EMTDC 的大型调相机组启机保护仿真试验系统，含励磁控制系统模型。仿真系统中调相机的升压惰转原理和过程见1.1 节分析：SFC 退出运行，主励磁投入运行，调相机机端电压从10%额定电压在5 s内升至额定电压，调相机5 s 内频率从52.5 Hz 下降至52 Hz 附近，25 s 内降至50 Hz 附近。仿真系统中三相一体530 kV/20 kV 的电力变压器，容量为360 MV·A，绕组方式为Ynd11，铁芯为五柱式，短路阻抗为8.25%，空载电流为0.10%，空载损耗为212.6 kW，负载损耗为401.2 kW。变压器铁芯磁化曲线用Jiles-Atherton hysteresis 磁滞模型［16］，铁芯柱的膝点电压为1.17 p.u.，变压器运行在接近饱和状态，与目前大型变压器运行情况基本一致。仿真变压器500 kV 侧空载，20 kV 侧在5 s 内由10%额定电压升至100%额定电压，等效电路图如附录A 图A1 所示。从图A1 可以看到，由于星形侧三相电流均为0，在各相磁路独立时，三角形侧各绕组电流即为对应相的励磁电流。那么三角形侧线电流即为两相励磁电流之差，以A 相线电流İa为例，有

式中：İma和İmb分别为A 相和B 相的励磁电流。

仿真中为便于分析，分别设置A 相的剩磁为0.5、0 和−0.5 p.u.（B 相和C 相不设置剩磁）。同时为了验证计算磁链的准确性，在PSACD 中增加了仿真软件自带的磁链测量模块，如附录A 图A2 所示。仿真结果如图4 所示。

由图4 仿真结果可知，利用式（6）理论计算的磁链波形与PSCAD 自带的仿真输出磁链波形基本一致，表明了理论计算分析的准确性。

在带有剩磁情况下，仿真磁链会超过饱和磁链，图4（a）和（c）分别为产生了偏于正向和反向的励磁涌流波形。而在如图4（b）所示没有剩磁的情况，由于升压过程中电压幅值低于额定电压，并没有产生饱和。

综合理论分析与仿真结果可见，剩磁和电压幅值的不断升高可能导致铁芯饱和，从而产生较大的励磁涌流使得保护动作。

3 改进措施

如何在调相机组升压惰转过程中，启机低频过流保护性能不受变压器铁芯饱和影响，从上述分析可以知道，尽可能地消除剩磁，可降低变压器发生铁芯饱和的概率，或者减小变压器铁芯饱和程度、降低励磁涌流幅值，如从图4（b）中可以看到，当无剩磁时，变压器铁芯基本上不会发生饱和。

图4 启机过程调相机机端A 相仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of phase A at condenser terminal during start-up process

3.1 消磁处理

由于变压器铁芯硅钢材料的磁滞特性［16］，变压器在出厂前直流电阻测量、断路器分闸等操作时会产生剩磁，其根本原因是变压器端部激励源突然与变压器断开，虽然磁场强度为0，但因铁磁性材料不会恢复到磁中性而是保持有一定的磁性，其磁感应强度并不一定为0，从而产生剩磁。新一代调相机变压器组的工程运行有其特殊性，调相机组的机端电压与励磁电流成正比，将转子绕组视为一个大电感，当调相机并网失败、故障下断路器分闸、变压器退出运行等工况，灭磁时励磁电流不能突变，按照一定的时间常数衰减至0，使得调相机机端电压会缓降至0 而非骤降为0，升压变压器铁芯不容易出现剩磁，对于容易出现剩磁的场景如投运前升压变压器直流电阻试验后进行消磁处理，可避免因剩磁较高导致铁芯饱和出现较大励磁涌流而引起保护误动问题。

3.2 启机过流保护方案改进

通过前述分析，也可从软件算法上对励磁涌流与故障电流进行甄别，避免励磁涌流对过流保护的影响［17-18］。启机过流保护作为调相机尚未并网前的相间故障的后备保护，担负保调相机组设备安全运行重任，其灵敏性和可靠性尤为重要。

由前文分析可知，涌流的出现仅在SFC 退出运行机组升压阶段，由于变压器低压侧为不接地系统，启机过流主要应对相间、三相短路故障，故障电流较大，所以可在SFC 退出阶段增加简单的二次谐波含量按相闭锁判据，以此消除励磁涌流的影响。

对图2 中的机端电流进行二次谐波含量计算，结果如图5 所示，三相电流的二次谐波含量均高于15%，保护可靠闭锁。同时，仿真变压器角侧区内的AB 相间故障，在1.6 s 时发生AB 相间故障，电流波形如附录A 图A3 所示，A、B 两相的电流幅值很大，且基本上无谐波，启机过流保护可以不受二次谐波闭锁，判别为区内故障可靠动作。

图5 启机过程调相机机端电流及其二次谐波含量Fig.5 Current at condenser terminal and its second harmonic content during start-up process

4 结语

针对新一代调相机启机升压惰转过程中机端电流出现畸变的情况，综合变压器实时磁链理论计算与仿真结果可看到，变压器剩磁和机端电压幅值的不断升高可能导致铁芯饱和，出现幅值较大且波形畸变的励磁涌流，从而使得启机过流保护动作。

将调相机转子绕组视为一个大电感，当调相机并网失败、故障下退出运行等工况灭磁时，调相机励磁电流不能突变，机端电压会缓降至0，变压器出现剩磁的概率较小。因此，调相机变压器组投运前直流电阻试验后需要进行消磁处理，可降低变压器发生铁芯饱和的概率，或者减小变压器铁芯饱和程度而降低励磁涌流幅值。在剩磁过高、铁芯饱和涌流幅值较大时，从保护调相机组自身安全、宁误动不拒动的角度出发，可采用传统的二次谐波按相闭锁启机过流保护方法，以应对变压器发生铁芯饱和工况。

本文在铁芯实时磁链公式的推导过程中忽略了变压器绕组漏电抗的影响。随着高比例新能源、高比例电力电子设备广泛接入电网，系统的故障特征发生深刻改变，基于变压器模型区分励磁涌流和内部故障的方法是对不受电源特性影响的继电保护新技术的一种探索，将会进一步深入研究。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。