一種換流變壓器零序過流保護改進方案

馮國東

(上海思弘瑞電力控制技術有限公司，上海 201108)

一種換流變壓器零序過流保護改進方案

馮國東

(上海思弘瑞電力控制技術有限公司，上海 201108)

針對某換流站換流變壓器空充時零序過流保護誤動這一事故，根據故障錄波器波形證實了此次保護為正確動作。通過對比發現：國家電力調度繼電保護處和南方電網電力調度繼電保護處，在整定換流變零序過流保護時基于的整定原則不一致。經優化零序過流保護邏輯，將空充標志狀態引入零序過流保護，使得保護裝置能夠在判別出換流變處于空充時自動投入零序過流保護的二次諧波閉鎖功能，正常運行時退出保護的二次諧波閉鎖功能。既能確?？粘鋾r零序過流保護不誤動，又能保證正常情況下發生接地故障時零序過流保護的可靠性。最后通過將故障錄波器波形進行故障回放驗證了方案的正確性。

直流輸電；換流變壓器；零序過流保護；二次諧波閉鎖；空充標志狀態；故障回放

0 引 言

高壓直流輸電在遠距離大容量輸電和電力系統聯網方面具有明顯的優點，已在我國西電東送和全國聯網工程中起到了重要的作用。

在高壓直流輸電系統中，換流變壓器(簡稱換流變)是十分重要的設備，通過換流變實現了交流系統和直流部分的電氣絕緣和隔離，同時為換流閥提供相位差為30°的換相電壓，換流變壓器組通常由星角接法的變壓器和星星接法的變壓器構成[1]。

換流變處在交流電和直流電互相變換的核心位置，其可靠性和可用性對于整個系統是尤為關鍵的，因此換流變壓器的保護功能應該根據其自身的特點盡可能地完善和可靠[2]。

1 問題的提出

2012年4月初，國家電網公司某直流換流站年度檢修后對極 1 換流變進行充電時，雙套換流變保護中星星換流變零序過流1段和零序過流2段均動作，跳開換流變進線斷路器。查閱該換流站換流變零序過流保護定值如表1所示。

表1 國家電網公司某換流站零序過流保護定值

調取現場故障錄波器錄波后發現，在換流變充電時刻，星星換流變A、C相均出現了較大的勵磁涌流，網側中性點側流過較大的不平衡電流。從故障錄波器波形可以看到，充電瞬間流經星星換流變網側中性點的零序電流二次側基波幅值達到1.06 A，遠大于定值，6 s后雖然勵磁涌流有較大衰減，但依然超過零序保護定值，零序過流保護兩段均動作。事故發生后，檢查星星換流變無故障，再次充電后成功。

此次事故中，星星換流變本身并無異常，由于星星換流變的勵磁涌流很大且衰減較慢，導致其零序過流保護動作，開關跳閘，延緩了送電[3]。

2 現狀及存在的主要問題

一般來說，星星換流變和星角換流變均會配置零序過流保護，并可通過整定相關定值控制字來選擇各段零序過流是否投入及是否經二次諧波閉鎖。零序過流保護采用換流變中性點專用零序TA的電流，有定時限特性和反時限特性。

查閱國家電網公司寧東直流、三滬直流、高嶺背靠背和溪洛渡-浙西等直流輸電工程中的換流變保護定值發現：雖然各直流輸電工程中換流變零序過流保護動作定值和延時不盡相同，但是動作定值整定原則都是與交流系統零序保護最末一段配合，延時定值躲過交流系統接地故障最長切除時間且其二次諧波閉鎖功能均退出，典型定值如表1所示。而中國南方電網公司所屬的天廣直流、云廣直流和糯扎渡直流輸電工程中，換流變保護中的零序過流保護定值中雖然定值整定原則同上，但其諧波閉鎖功能均投入，典型定值如表2所示。

表2 南方電網公司某換流站零序過流保護定值

換流變網側零序過流保護本意作為換流變壓器網側繞組、網側引出線、換流站內母線以及相鄰輸電線路接地故障的后備保護。但由于零序電流本身能夠反映三相電流的不對稱性，因而變壓器空充時其零序過流保護存在誤動的風險，尤其是對于換流變這樣電壓等級高且容量很大的變壓器而言，空充時其勵磁電流較大且衰減很慢。

所以，很多繼電保護廠家在零序過流保護邏輯中輔以二次諧波閉鎖判據，零序過流保護是否經二次諧波閉鎖經控制字“零序諧波控制”投退。利用空充時勵磁電流中含有豐富的二次諧波這一特征閉鎖零序過流保護，這一舉措可以有效地降低零序過流保護在變壓器空充時誤動的風險[4-5]。

綜上所述，通過在空充前投入“零序諧波控制”控制字，空充后退出該控制字便可以較好地解決換流變零序過流保護誤動的問題。但是問題在于：直流換流站中換流變壓器保護定值由國家電力調度繼電保護處或南方電網電力調度繼電保護處下發，其定值下發后不再變更。國家電網公司直流輸電工程中換流變零序過流保護無諧波閉鎖功能，空充時零序過流保護存在誤動風險；而南方電網公司直流輸電工程中換流變零序過流保護有諧波閉鎖功能，降低了空充時零序過流保護誤動風險，卻使得本該作為交流系統發生接地故障時最后一級保護的換流變零序過流保護具有了閉鎖判據，導致其可靠性降低，顯然也是不合理的。

因而，如何讓換流變保護裝置能夠識別換流變運行狀態并自動投入或退出零序過流保護諧波閉鎖功能就顯得很有現實意義。通過改進零序過流保護方案可以實現：換流變保護裝置在判別出換流變處于空充時自動投入零序過流保護的二次諧波閉鎖功能，正常運行時自動退出該保護的二次諧波閉鎖功能[6-7]。

3 故障錄波器波形回放

圖1 故障錄波器波形故障回放

將換流變零序過流保護定值按照現場定值整定，通過PW系列繼電保護測試系統將故障錄波器波形進行故障回放(如圖1所示)。零序過流保護1段和2段均動作，再次證實了此次保護動作的正確性。

投入“零序諧波控制”，二次諧波含量設定為0.15，再次進行故障回放，零序過流保護1段和2段均可靠不動作。這一現象也證明了第二節末段想法的可行性?？梢栽O想，如果換流變零序過流保護能夠在空充時自動投入其二次諧波閉鎖功能，就能有效地避免類似事故的發生。

4 零序過流保護邏輯優化

本文提出將換流變空充標志狀態引入零序過流保護，當換流變保護裝置判別出換流變處于空充狀態時自動將零序過流保護中的二次諧波閉鎖功能投入，而當保護裝置判別出換流變不處于空充狀態時自動退出二次諧波閉鎖功能。由于換流變保護采用空投過程中故障識別專利技術，短時投入按相綜合開放判據，既能正確識別勵磁涌流，又能在空投故障變壓器時快速可靠地開放差動保護，故換流變保護本身具有空充標志狀態。只需將其引入零序過流保護的動作邏輯[8]。

由于本次修改主要涉及零序過流保護的諧波閉鎖部分，因而其余部分只簡要列出。改進前后的零序過流保護動作邏輯分別如圖2和圖3所示(以星星換流變零序過流保護為例)。

圖2 改進前零序過流保護動作邏輯圖

圖3 改進后零序過流保護動作邏輯圖

圖2中，在原保護邏輯中，當控制字“零序諧波控制”投入時，諧波閉鎖元件才可能動作，從而閉鎖零序過流保護；當控制字“零序諧波控制”退出時，諧波閉鎖元件狀態置0，不會閉鎖零序過流保護。

圖3中，改進后的諧波閉鎖邏輯圖中已無控制字“零序諧波控制”，換流變保護裝置自動識別空充狀態，判為空充狀態時空充標志狀態置位1，諧波閉鎖元件才可能動作，判為非空充狀態時空充標志狀態置位0，退出二次諧波閉鎖[9-10]。

5 新方案下故障錄波器波形回放

為了驗證改進后換流變零序過流保護的正確性，將故障錄波器錄波文件進行第三次故障回放。同時為了對比分析，零序過流保護1段仍保留原有動作邏輯。故障回放結果顯示零序過流保護1段動作，零序過流2段可靠不誤動，驗證了改進后方案的正確性。換流變保護裝置錄波波形如圖4所示。

圖4 換流變保護裝置錄波波形

其他說明：文獻[11]中通過此次事故展開思考，分析星星換流變和星角換流變的零序電抗存在較大差異，導致網側發生接地故障時流經兩者中性點的零序電流大小不一樣。最后得出：對于星星換流變，其零序過流保護沒有投入的必要。本文仍支持這一結論，可以分析出，若采用上文中提出的零序過流保護改進方案，即使星星換流變零序過流保護投入，空充時其也不會誤動[11]。

6 結束語

本文提出將空充標志狀態引入換流變零序過流保護，使得換流變保護裝置能夠在判別出換流變處于空充時自動投入零序過流保護的二次諧波閉鎖功能，正常運行時退出該保護的二次諧波閉鎖功能。既能確?？粘鋾r零序過流保護不誤動，又能保證正常情況下發生接地故障時零序過流保護的可靠性。最后通過現場故障錄波器波形故障回放驗證了該方案的正確性。

[1] 趙畹君. 高壓直流輸電工程技術[M].北京:中國電力出版社，2004.

[2] 王維儉.電氣主設備繼電保護原理和應用[M].2版.北京:中國電力出版社，2002.

[3] 國家電力調度通信中心.國家電網繼電保護培訓教材[M].北京:中國電力出版社，2009.

[4] 浙江大學發電教研組直流輸電科研組.直流輸電[M].北京:水利電力出版社，1985.

[5] 劉家軍.兩種星角換流變差動保護方案比較[J]. 創新科技，2014，17(12):90-92.

[6] 郭碧媛.220 kV主變110 kV側零序過流保護跳閘整定的改進[J].電力系統保護與控制，2010，38(20):209-210，216.

[7] 彭海平. 500 kV變壓器中壓側及220 kV出線零序過流保護配置及整定方法研究[J].電力系統保護與控制，2011，39(1):128-131.

[8] 張 柳.大型火電廠變壓器分支零序保護誤動案例分析 [J].電力系統保護與控制，2010，38(23):223-226.

[9] 聶鴻宇.特高壓換流變壓器非常規安裝及現場局部放電試驗 [J]. 中國電力，2013，46(11):22-25.

[10] 郝俊芳.直流換流站星角換流變差動保護的靈敏度校驗 [J]. 中國電力，2014，47(9):118-121.

[11] 劉家軍.直流輸電中換流變壓器零序過流保護的探討[J]. 中國電力，2014，47(6):22-25.

定稿日期: 2016-05-09

An Improved Scheme for Zero-sequence Over-current Protection of Converter Transformers

Feng Guodong

(Shanghai SHR Electrical Power Technology Co., Ltd., Shanghai 201108,China)

With respect to a maloperation of zero-sequence over-current protection of the converter transformer at a converter station during transformer charging, the waveform from the fault oscillograph verifies that it is a correct protection action. Through comparison, it is found that the power dispatch relay protection department of the State Power Grid and that of the China Southern Power Grid apply different principles for setting zero-sequence over-current protection for the converter transformer. Though optimization of the zero-sequence over-current protection logic, zero-sequence over-current protection is applied to the charging mark state, so that the protection device can automatically initiate second harmonic lock for zero-sequence over-current protection when it figures out the converter transformer is in charging state. During normal operation, the lock function is not in effect. In this way, no maloperation of zero-sequence over-current protection will occur during charging. Furthermore, the reliability of zero-sequence over-current protection is ensured in case of a grounding fault under normal conditions. Finally, fault playback through the fault oscillograph verifies the correctness of this scheme.

HVDC; converter transformer; zero-sequence over-current protection; second harmonic lock; charging mark state; fault playback

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.002

TM71

A

1000-3886(2016)06-0005-03

馮國東(1967-)，男，河南周口人，碩士，高級工程師，從事電力系統繼電保護裝置的研究和開發。

定稿日期: 2015-02-24