馮國東

(上海思弘瑞電力控制技術(shù)有限公司，上海 201108)

一種換流變壓器零序過流保護(hù)改進(jìn)方案

馮國東

(上海思弘瑞電力控制技術(shù)有限公司，上海 201108)

針對(duì)某換流站換流變壓器空充時(shí)零序過流保護(hù)誤動(dòng)這一事故，根據(jù)故障錄波器波形證實(shí)了此次保護(hù)為正確動(dòng)作。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：國家電力調(diào)度繼電保護(hù)處和南方電網(wǎng)電力調(diào)度繼電保護(hù)處，在整定換流變零序過流保護(hù)時(shí)基于的整定原則不一致。經(jīng)優(yōu)化零序過流保護(hù)邏輯，將空充標(biāo)志狀態(tài)引入零序過流保護(hù)，使得保護(hù)裝置能夠在判別出換流變處于空充時(shí)自動(dòng)投入零序過流保護(hù)的二次諧波閉鎖功能，正常運(yùn)行時(shí)退出保護(hù)的二次諧波閉鎖功能。既能確保空充時(shí)零序過流保護(hù)不誤動(dòng)，又能保證正常情況下發(fā)生接地故障時(shí)零序過流保護(hù)的可靠性。最后通過將故障錄波器波形進(jìn)行故障回放驗(yàn)證了方案的正確性。

直流輸電；換流變壓器；零序過流保護(hù)；二次諧波閉鎖；空充標(biāo)志狀態(tài)；故障回放

0 引 言

高壓直流輸電在遠(yuǎn)距離大容量輸電和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，已在我國西電東送和全國聯(lián)網(wǎng)工程中起到了重要的作用。

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器(簡稱換流變)是十分重要的設(shè)備，通過換流變實(shí)現(xiàn)了交流系統(tǒng)和直流部分的電氣絕緣和隔離，同時(shí)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(gòu)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(duì)于整個(gè)系統(tǒng)是尤為關(guān)鍵的，因此換流變壓器的保護(hù)功能應(yīng)該根據(jù)其自身的特點(diǎn)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(wǎng)公司某直流換流站年度檢修后對(duì)極 1 換流變進(jìn)行充電時(shí)，雙套換流變保護(hù)中星星換流變零序過流1段和零序過流2段均動(dòng)作，跳開換流變進(jìn)線斷路器。查閱該換流站換流變零序過流保護(hù)定值如表1所示。

表1 國家電網(wǎng)公司某換流站零序過流保護(hù)定值

調(diào)取現(xiàn)場故障錄波器錄波后發(fā)現(xiàn)，在換流變充電時(shí)刻，星星換流變A、C相均出現(xiàn)了較大的勵(lì)磁涌流，網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)側(cè)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(jīng)星星換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)的零序電流二次側(cè)基波幅值達(dá)到1.06 A，遠(yuǎn)大于定值，6 s后雖然勵(lì)磁涌流有較大衰減，但依然超過零序保護(hù)定值，零序過流保護(hù)兩段均動(dòng)作。事故發(fā)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(lì)磁涌流很大且衰減較慢，導(dǎo)致其零序過流保護(hù)動(dòng)作，開關(guān)跳閘，延緩了送電[3]。

2 現(xiàn)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(huì)配置零序過流保護(hù)，并可通過整定相關(guān)定值控制字來選擇各段零序過流是否投入及是否經(jīng)二次諧波閉鎖。零序過流保護(hù)采用換流變中性點(diǎn)專用零序TA的電流，有定時(shí)限特性和反時(shí)限特性。

查閱國家電網(wǎng)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(hù)定值發(fā)現(xiàn)：雖然各直流輸電工程中換流變零序過流保護(hù)動(dòng)作定值和延時(shí)不盡相同，但是動(dòng)作定值整定原則都是與交流系統(tǒng)零序保護(hù)最末一段配合，延時(shí)定值躲過交流系統(tǒng)接地故障最長切除時(shí)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(wǎng)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(hù)中的零序過流保護(hù)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(wǎng)公司某換流站零序過流保護(hù)定值

換流變網(wǎng)側(cè)零序過流保護(hù)本意作為換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組、網(wǎng)側(cè)引出線、換流站內(nèi)母線以及相鄰輸電線路接地故障的后備保護(hù)。但由于零序電流本身能夠反映三相電流的不對(duì)稱性，因而變壓器空充時(shí)其零序過流保護(hù)存在誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對(duì)于換流變這樣電壓等級(jí)高且容量很大的變壓器而言，空充時(shí)其勵(lì)磁電流較大且衰減很慢。

所以，很多繼電保護(hù)廠家在零序過流保護(hù)邏輯中輔以二次諧波閉鎖判據(jù)，零序過流保護(hù)是否經(jīng)二次諧波閉鎖經(jīng)控制字“零序諧波控制”投退。利用空充時(shí)勵(lì)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(hù)，這一舉措可以有效地降低零序過流保護(hù)在變壓器空充時(shí)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)[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(hù)誤動(dòng)的問題。但是問題在于：直流換流站中換流變壓器保護(hù)定值由國家電力調(diào)度繼電保護(hù)處或南方電網(wǎng)電力調(diào)度繼電保護(hù)處下發(fā)，其定值下發(fā)后不再變更。國家電網(wǎng)公司直流輸電工程中換流變零序過流保護(hù)無諧波閉鎖功能，空充時(shí)零序過流保護(hù)存在誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)；而南方電網(wǎng)公司直流輸電工程中換流變零序過流保護(hù)有諧波閉鎖功能，降低了空充時(shí)零序過流保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，卻使得本該作為交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)最后一級(jí)保護(hù)的換流變零序過流保護(hù)具有了閉鎖判據(jù)，導(dǎo)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(hù)裝置能夠識(shí)別換流變運(yùn)行狀態(tài)并自動(dòng)投入或退出零序過流保護(hù)諧波閉鎖功能就顯得很有現(xiàn)實(shí)意義。通過改進(jìn)零序過流保護(hù)方案可以實(shí)現(xiàn)：換流變保護(hù)裝置在判別出換流變處于空充時(shí)自動(dòng)投入零序過流保護(hù)的二次諧波閉鎖功能，正常運(yùn)行時(shí)自動(dòng)退出該保護(hù)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(hù)定值按照現(xiàn)場定值整定，通過PW系列繼電保護(hù)測試系統(tǒng)將故障錄波器波形進(jìn)行故障回放(如圖1所示)。零序過流保護(hù)1段和2段均動(dòng)作，再次證實(shí)了此次保護(hù)動(dòng)作的正確性。

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

4 零序過流保護(hù)邏輯優(yōu)化

本文提出將換流變空充標(biāo)志狀態(tài)引入零序過流保護(hù)，當(dāng)換流變保護(hù)裝置判別出換流變處于空充狀態(tài)時(shí)自動(dòng)將零序過流保護(hù)中的二次諧波閉鎖功能投入，而當(dāng)保護(hù)裝置判別出換流變不處于空充狀態(tài)時(shí)自動(dòng)退出二次諧波閉鎖功能。由于換流變保護(hù)采用空投過程中故障識(shí)別專利技術(shù)，短時(shí)投入按相綜合開放判據(jù)，既能正確識(shí)別勵(lì)磁涌流，又能在空投故障變壓器時(shí)快速可靠地開放差動(dòng)保護(hù)，故換流變保護(hù)本身具有空充標(biāo)志狀態(tài)。只需將其引入零序過流保護(hù)的動(dòng)作邏輯[8]。

由于本次修改主要涉及零序過流保護(hù)的諧波閉鎖部分，因而其余部分只簡要列出。改進(jìn)前后的零序過流保護(hù)動(dòng)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(hù)為例)。

圖2 改進(jìn)前零序過流保護(hù)動(dòng)作邏輯圖

圖3 改進(jìn)后零序過流保護(hù)動(dòng)作邏輯圖

圖2中，在原保護(hù)邏輯中，當(dāng)控制字“零序諧波控制”投入時(shí)，諧波閉鎖元件才可能動(dòng)作，從而閉鎖零序過流保護(hù)；當(dāng)控制字“零序諧波控制”退出時(shí)，諧波閉鎖元件狀態(tài)置0，不會(huì)閉鎖零序過流保護(hù)。

圖3中，改進(jìn)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(hù)裝置自動(dòng)識(shí)別空充狀態(tài)，判為空充狀態(tài)時(shí)空充標(biāo)志狀態(tài)置位1，諧波閉鎖元件才可能動(dòng)作，判為非空充狀態(tài)時(shí)空充標(biāo)志狀態(tài)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(yàn)證改進(jìn)后換流變零序過流保護(hù)的正確性，將故障錄波器錄波文件進(jìn)行第三次故障回放。同時(shí)為了對(duì)比分析，零序過流保護(hù)1段仍保留原有動(dòng)作邏輯。故障回放結(jié)果顯示零序過流保護(hù)1段動(dòng)作，零序過流2段可靠不誤動(dòng)，驗(yàn)證了改進(jìn)后方案的正確性。換流變保護(hù)裝置錄波波形如圖4所示。

圖4 換流變保護(hù)裝置錄波波形

其他說明：文獻(xiàn)[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(dǎo)致網(wǎng)側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)流經(jīng)兩者中性點(diǎn)的零序電流大小不一樣。最后得出：對(duì)于星星換流變，其零序過流保護(hù)沒有投入的必要。本文仍支持這一結(jié)論，可以分析出，若采用上文中提出的零序過流保護(hù)改進(jìn)方案，即使星星換流變零序過流保護(hù)投入，空充時(shí)其也不會(huì)誤動(dòng)[11]。

6 結(jié)束語

本文提出將空充標(biāo)志狀態(tài)引入換流變零序過流保護(hù)，使得換流變保護(hù)裝置能夠在判別出換流變處于空充時(shí)自動(dòng)投入零序過流保護(hù)的二次諧波閉鎖功能，正常運(yùn)行時(shí)退出該保護(hù)的二次諧波閉鎖功能。既能確保空充時(shí)零序過流保護(hù)不誤動(dòng)，又能保證正常情況下發(fā)生接地故障時(shí)零序過流保護(hù)的可靠性。最后通過現(xiàn)場故障錄波器波形故障回放驗(yàn)證了該方案的正確性。

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

[2] 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理和應(yīng)用[M].2版.北京:中國電力出版社，2002.

[3] 國家電力調(diào)度通信中心.國家電網(wǎng)繼電保護(hù)培訓(xùn)教材[M].北京:中國電力出版社，2009.

[4] 浙江大學(xué)發(fā)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(dòng)保護(hù)方案比較[J]. 創(chuàng)新科技，2014，17(12):90-92.

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

[7] 彭海平. 500 kV變壓器中壓側(cè)及220 kV出線零序過流保護(hù)配置及整定方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)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(hù)誤動(dòng)案例分析 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(23):223-226.

[9] 聶鴻宇.特高壓換流變壓器非常規(guī)安裝及現(xiàn)場局部放電試驗(yàn) [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(dòng)保護(hù)的靈敏度校驗(yàn) [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(hù)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(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的研究和開發(fā)。

定稿日期: 2015-02-24