0、引言

　　超高壓直流輸電由于其*的優(yōu)點(diǎn)，越來越廣范的得到應(yīng)用。這些優(yōu)點(diǎn)[1]包括：不須考慮穩(wěn)定問題;線路故障恢復(fù)能力較強(qiáng);調(diào)節(jié)作用利于交流系統(tǒng)的穩(wěn)定;減少互聯(lián)交流系統(tǒng)的短路容量;超過一定距離建設(shè)投資更經(jīng)濟(jì)等。我國(guó)目前已投運(yùn)的超高壓直流輸電工程包括葛上直流、天廣直流和三常直流等，在這些工程中所有的保護(hù)與控制系統(tǒng)都是國(guó)外進(jìn)口設(shè)備。

　　換流變壓器是直流輸電系統(tǒng)中*的重要設(shè)備。它可以提供相位差為30°的12脈波交流電壓，降低交流側(cè)諧波電流;作為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的電氣隔離，提供閥的換相電抗;通過換流變壓器可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)交流電壓，以使直流系統(tǒng)運(yùn)行在優(yōu)的狀態(tài)等。

　　換流變壓器的投資在換流站中占有很大的比例，換流變壓器的可靠安全運(yùn)行是直流輸電系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此對(duì)換流變壓器提供完善的保護(hù)功能對(duì)直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行顯得尤為重要。下面主要討論換流變壓器的特點(diǎn)、直流輸電的各種運(yùn)行工況對(duì)換流變壓器保護(hù)的影響，并結(jié)合其特點(diǎn)提出相應(yīng)的保護(hù)原理與方案。

　　1、換流變壓器的特點(diǎn)以及對(duì)保護(hù)帶來的影響

　　1.1短路阻抗

　　直流輸電中閥的換相過程實(shí)際上就是兩相短路，為了將換向過程中的電流限制在一定范圍內(nèi)，換流變壓器的短路阻抗要大于一般變壓器。短路阻抗過大，會(huì)使換流變壓器二次側(cè)故障時(shí)短路電流較一般變壓器小，因此保護(hù)配置與整定要在這方面予以考慮。

　　1.2直流偏磁

　　當(dāng)直流系統(tǒng)在使用大地回線的情況下，在一些運(yùn)行工況下會(huì)有直流電流流入大地，如雙極不平衡運(yùn)行，單*地回線方式等，使地電位發(fā)生變化，造成直流電流流入變壓器原邊繞組，使換流變壓器發(fā)生直流偏磁，工作點(diǎn)偏移。如果此直流電流過大，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變壓器鐵心飽和，同時(shí)損耗和溫升也將增加。因此，要配置相應(yīng)的保護(hù)防止這種情況下對(duì)換流變壓器造成的損壞。

　　1.3諧波

　　由于換流器的非線性，在交流和直流系統(tǒng)中將出現(xiàn)諧波電壓和電流。對(duì)于換流變壓器，主要會(huì)流過特征諧波電流，即p*n+1次諧波電流(p為脈波數(shù)，n為任意正整數(shù))。在運(yùn)行中，諧波電流會(huì)使換流變壓器損耗和溫升增加，產(chǎn)生局部過熱，發(fā)出高頻噪聲，還會(huì)使交流電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)和電容器過熱，對(duì)通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾。這些諧波電流應(yīng)加以考慮，以免對(duì)保護(hù)裝置造成影響。

　　1.4調(diào)壓分接頭

　　為了使直流系統(tǒng)運(yùn)行在優(yōu)的工況，減少交流系統(tǒng)電壓擾動(dòng)對(duì)直流系統(tǒng)的影響，換流變壓器都具有較大范圍的利用分接頭調(diào)整電壓的功能。例如：三峽到常州工程三峽側(cè)換流變壓器檔位范圍+25/-5，每檔調(diào)節(jié)范圍1.25%。因此保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮分接頭調(diào)整帶來的影響，如正常運(yùn)行時(shí)變比的變化等。

　　1.5直流系統(tǒng)的特殊運(yùn)行工況

　　由于直流控制系統(tǒng)的特殊調(diào)節(jié)作用，使換流變壓器遇到的運(yùn)行工況以及故障情況不同于普通變壓器。這些不同主要包括以下幾點(diǎn)：

　　a.直流系統(tǒng)的故障相當(dāng)于換流變壓器的區(qū)外故障，一般短路電流都不會(huì)太大。對(duì)于整流側(cè)，穿越換流變的電流會(huì)增大，但由于直流控制保護(hù)系統(tǒng)的快速作用，很快會(huì)減小。對(duì)于逆變側(cè)，直流系統(tǒng)的故障會(huì)造成直流電流無法傳變至交流側(cè)，反而會(huì)使穿越電流減小。

　　b.對(duì)于換流變壓器保護(hù)來說，直流系統(tǒng)造成的嚴(yán)酷的區(qū)外故障為整流側(cè)的閥短路故障，相當(dāng)于換流變出口的兩相或三相短路故障。但由于直流保護(hù)的干預(yù)，實(shí)際只會(huì)出現(xiàn)半個(gè)周波的兩相短路。對(duì)于逆變側(cè)，由于觸發(fā)角很大，閥短路時(shí)流過換流變壓器的電流較整流側(cè)小很多。

　　c.換流變壓器發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，直流系統(tǒng)一般不會(huì)提供短路電流。這是由直流控制系統(tǒng)的作用造成的。在整流側(cè)，功率由交流側(cè)轉(zhuǎn)換至直流側(cè)，換流變壓器的故障只會(huì)造成這種轉(zhuǎn)換的停止，而不會(huì)使功率反向，因此直流側(cè)不會(huì)提供短路電流;在逆變側(cè)，當(dāng)故障輕微換相可以正常進(jìn)行時(shí)，由于直流系統(tǒng)的定電流控制特性，直流側(cè)不會(huì)提供額外的短路電流。如果故障嚴(yán)重，必然造成換相無法進(jìn)行(交流電壓降低)，直流側(cè)更不會(huì)提供短路電流。

　　d.由于直流控制系統(tǒng)快速的調(diào)節(jié)作用，在需要的時(shí)候，可以快速的將功率傳輸由一個(gè)方向反至另一個(gè)方向，對(duì)于換流變壓器來說，就會(huì)出現(xiàn)快速的潮流反向。

　　f.換流變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，實(shí)際造成了閥的短路(參見圖4)。由于閥的單向?qū)щ娦裕收想娏靼胫茈娏鞔?，半周電流小，?dǎo)致差電流中含有較大的二次諧波。

　　g.對(duì)于逆變側(cè)的換流變壓器的區(qū)內(nèi)故障，往往會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗的發(fā)生，從而在穿越電流電流中產(chǎn)生很大的諧波，但差電流(即提供給故障點(diǎn)的電流)仍主要為工頻分量。

　　h.由于換流變壓器的特殊運(yùn)行方式以及較大的漏抗(作為換相電抗)，二次側(cè)故障一般不會(huì)造成各側(cè)TA的飽和，即使飽和造成保護(hù)的“誤動(dòng)作”也是正確的(換流變的區(qū)外即閥的區(qū)內(nèi)故障，都會(huì)造成直流的停運(yùn))。但對(duì)于一個(gè)半開關(guān)的接線方式，交流系統(tǒng)區(qū)外故障時(shí)高壓側(cè)TA存在飽和的可能。見圖7。這種情況下的誤動(dòng)作是不可接受的，必須防止。

　　i.在閥未解鎖前，當(dāng)閥側(cè)交流連線存在接地故障時(shí)，并不產(chǎn)生接地電流，也不會(huì)對(duì)變壓器造成損害。但如此時(shí)不發(fā)現(xiàn)故障，閥一解鎖后，就會(huì)造成閥的短路。因此要設(shè)置保護(hù)檢測(cè)這種情況下的接地故障。

　　2、換流變壓器保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

　　2.1保護(hù)的配置原則

　　為了保證既可靠又安全，在既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)的情況下，可以這樣配置換流變壓器保護(hù)：每臺(tái)換流變壓器保護(hù)裝設(shè)兩臺(tái)保護(hù)裝置，每臺(tái)保護(hù)裝置的電源、輸入獨(dú)立，每臺(tái)裝置的輸出都可以到達(dá)斷路器的兩個(gè)跳閘線圈以及直流控制的兩個(gè)系統(tǒng)。每臺(tái)裝置采取措施防止自身誤動(dòng)作，而靠?jī)裳b置的或出口防止故障情況下的拒動(dòng)作。

　　2.2保護(hù)的配置及原理

　　為了避免換流站*的諧波對(duì)保護(hù)的影響，保護(hù)裝置應(yīng)從硬件和軟件上采取措施，使保護(hù)只針對(duì)工頻分量。

　　主保護(hù)包括穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)、差動(dòng)速斷、工頻變化量比率差動(dòng)、零序比率差動(dòng)、過激磁保護(hù)。后備保護(hù)包括過流、零序過流、過電壓、零序過壓、飽和保護(hù)。

　　2.2.1穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)保護(hù)

　　由于變比和聯(lián)接組的不同，電力變壓器在運(yùn)行時(shí)，各側(cè)電流大小及相位也不同。在構(gòu)成繼電器前必須消除這些影響。換流變壓器的TA一般裝在各側(cè)繞組上，因此原、副邊繞組電流相位相同，因此只需要對(duì)變比的影響進(jìn)行補(bǔ)償。以下的敘述的前提均為已消除了變壓器各側(cè)幅值和相位的差異。

　　穩(wěn)態(tài)比例差動(dòng)保護(hù)用來區(qū)分感受到的差流是由于內(nèi)部故障還是不平衡輸出(特別是外部故障時(shí))引起。裝置采用初始帶制動(dòng)的變斜率比率制動(dòng)特性，穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)元件由低值比率差動(dòng)(靈敏)和高值比率差動(dòng)(不靈敏)兩個(gè)元件構(gòu)成[2]。為了保證區(qū)內(nèi)故障的快速切除，只有低值比率差動(dòng)元件(靈敏)設(shè)有TA飽和判據(jù)，高值比率差動(dòng)元件(不靈敏)不設(shè)TA飽和判據(jù)。

　　對(duì)于換流變壓器分接頭調(diào)整造成的差動(dòng)電流不平衡，可用三種方法來解決：一是通過整定值躲開;二是利用浮動(dòng)門檻自適應(yīng)調(diào)整;三是利用分接頭位置來調(diào)整。方法一、二簡(jiǎn)單實(shí)用，三實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜。

　　對(duì)于2.5中g(shù)所述的工況，差電流仍為交流電源提供的工頻故障電流，因此保護(hù)可以正確動(dòng)作。

　　對(duì)于2.5中f所述的工況，應(yīng)為閥短路及其后備保護(hù)首先動(dòng)作(動(dòng)作時(shí)間小于10ms)切除故障，差動(dòng)速斷和過流保護(hù)作為后備的后備，因此差動(dòng)保護(hù)此種工況下不能動(dòng)作并不影響安全性。

　　2.2.2工頻變化量比率差動(dòng)保護(hù)

　　裝置中依次按相判別，當(dāng)滿足一定條件時(shí)，工頻變化量比率差動(dòng)動(dòng)作。工頻變化量比率差動(dòng)保護(hù)經(jīng)過涌流判別元件、過激磁閉鎖元件閉鎖后出口。

　　由于工頻變化量比率差動(dòng)的制動(dòng)系數(shù)可取較高的數(shù)值，其本身的特性抗區(qū)外故障時(shí)TA的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)飽和能力較強(qiáng)。工頻變化量比率差動(dòng)元件提高了裝置在變壓器正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部發(fā)生輕微匝間故障的靈敏度。且工頻變化量比率差動(dòng)保護(hù)不會(huì)受換流變壓器分接頭調(diào)整造成的差動(dòng)電流不平衡的影響。

　　2.2.3后備保護(hù)

　　后備保護(hù)包括過流、零序過流、過電壓、零序過壓、飽和保護(hù)。

　　過流保護(hù)，主要作為換流變壓器各種故障的后備保護(hù)。由于只需與直流系統(tǒng)的大過負(fù)荷能力配合，靈敏度容易滿足要求，因此不需采用復(fù)合電壓閉鎖與方向閉鎖。

　　零序過流保護(hù)，主要作為換流變壓器接地故障后備保護(hù)。為防止變壓器和應(yīng)涌流對(duì)零序過流保護(hù)的影響，應(yīng)具有二次諧波制動(dòng)閉鎖措施。當(dāng)二次諧波含量超過一定比例時(shí)，閉鎖零序過流保護(hù)。

　　零序過壓保護(hù)為針對(duì)2.5節(jié)工況i的保護(hù)。因?yàn)閾Q流變壓器副邊不接地運(yùn)行，保護(hù)主要在閥解鎖前檢測(cè)閥側(cè)交流連線的零序電壓來判斷是否有接地故障。閥解鎖后保護(hù)要被閉鎖，因閥解鎖后會(huì)測(cè)得零序電壓，此電壓不是接地故障造成的。

　　飽和保護(hù)為針對(duì)2.2節(jié)工況的保護(hù)。由于TA無法傳變直流電流，因此只能間接的測(cè)量直流電流的大小。測(cè)量的原理如下：直流引起的鐵心飽和造成原邊繞組零序電流中含有三次諧波，通過檢測(cè)零序電流中三次諧波峰值，可以等效出流過換流變壓器的直流電流。保護(hù)特性為根據(jù)變壓器的參數(shù)定義的反時(shí)限。

　　3、結(jié)語

　　本文討論了換流變壓器與交流系統(tǒng)的主變壓器比較所具有特點(diǎn)，闡述了這些特點(diǎn)以及直流輸電的各種特殊運(yùn)行工況對(duì)換流變壓器保護(hù)帶來的影響，并提出了相應(yīng)的保護(hù)方案。

　　以上方案已在RCS-977型換流變壓器保護(hù)裝置中采用，并已掛網(wǎng)試運(yùn)行，經(jīng)歷了交流系統(tǒng)的區(qū)外故障，直流系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況及故障考驗(yàn)。試運(yùn)行結(jié)果證明了方案的正確性。