張侃君，戚宣威，胡 偉，張時耘，陳 堃，尹項根，

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北，武漢，430077；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州，310000；3.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074；4.電力安全與高效湖北省重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074)

YD型換流變?nèi)切卫@組CT飽和對直流保護的影響及對策

張侃君1，戚宣威2，胡 偉1，張時耘3,4，陳 堃1，尹項根3,4，

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北，武漢，430077；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州，310000；3.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074；4.電力安全與高效湖北省重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074)

為提高直流換流器橋差保護的可靠性，防止其在交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障、勵磁涌流等擾動期間誤動，提出了一種換流器橋差保護應(yīng)對CT飽和的方法。理論分析與數(shù)字仿真表明，YD換流變閥側(cè)三角形繞組在交流擾動期間流過零序環(huán)流將導(dǎo)致橋差保護出現(xiàn)虛假動作電流，引發(fā)保護誤動作。對此問題，提出了通過引入三角形繞組零序環(huán)流作為制動量的橋差保護防誤動策略，并利用零序環(huán)流與橋差電流出現(xiàn)的相對時間差，判斷是否投入該防誤動策略。仿真表明，該方法能夠在提高橋差保護在交流系統(tǒng)擾動期間可靠性的同時，不影響橋差保護對于內(nèi)部故障的靈敏度與動作速度。

直流輸電；電流互感器；暫態(tài)飽和；橋差保護；勵磁涌流

0 引言

直流輸電技術(shù)對于電能的大規(guī)模遠距離輸送、促進新能源的并網(wǎng)及消納、提高區(qū)域交流互聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性具有重要意義[1-7]。隨著“兩個替代”戰(zhàn)略的推進，我國正逐步形成交直流高密度互聯(lián)的格局，中東部負(fù)荷集中地區(qū)將有大規(guī)模的電能通過特(超)高壓直流饋入。電網(wǎng)發(fā)生的單一故障若不能及時阻斷，將會在交直流系統(tǒng)間引起連鎖演變的復(fù)雜事故過程，甚至導(dǎo)致直流系統(tǒng)的緊急閉鎖，嚴(yán)重威脅交流直流互聯(lián)大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。繼電保護作為電力系統(tǒng)安全防護的第一道防線，其可靠迅速的動作對于遏制事故擴大發(fā)展、維護系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

近年來，現(xiàn)場出現(xiàn)了多起交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障、勵磁涌流等擾動期間，直流橋差保護以及閥短路保護誤動的事件，導(dǎo)致了直流強迫停運等嚴(yán)重后果。分析表明，由換流變閥側(cè)(即換流器網(wǎng)側(cè))三角形繞組零序環(huán)流引起的互感器飽和是保護誤動的主要原因。在實際的整流站中，由于換流變到閥廳之間的空間十分有限，難以在換流器網(wǎng)側(cè)出口引線處直接安裝互感器測量電流。測量換流器網(wǎng)側(cè)電流的互感器為安裝于換流變壓器閥側(cè)繞組處的套管互感器。對于YD型換流變，互感器安裝于三角形繞組內(nèi)部，其一次電流包括了三角形繞組的零序環(huán)流。在交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障、勵磁涌流等異常運行情況期間，換流變?nèi)切卫@組將會流過含有非周期分量的零序環(huán)流，進而導(dǎo)致互感器發(fā)生暫態(tài)飽和。在該情況下，與飽和互感器相關(guān)的換流器保護，如橋差保護和閥短路，將面臨不正確動作的風(fēng)險。

針對此問題，也有相關(guān)改進建議與措施被提出，譬如：更換暫態(tài)性能更好的電流互感器；在換流變空投期間閉鎖相關(guān)保護；展寬保護動作時延抬高保護動作門坎等。上述方法對于防止換流器保護誤動有一定指導(dǎo)意義，但實際應(yīng)用中仍存在問題：更換電流互感器增加了成本，易受安裝位置的限制，且增加了二次系統(tǒng)施工和檢修的難度；在換流變空投期間短時閉鎖保護并不能防止交流系統(tǒng)發(fā)生故障時導(dǎo)致的誤動，無法從根本上解決互感器飽和對保護的影響；修改保護的動作時間和定值將有可能降低保護對內(nèi)部故障的靈敏度和速動性。

本文結(jié)合理論分析與數(shù)字仿真對YD換流變?nèi)切卫@組互感器飽和機理及其對橋差保護的影響展開研究，提出了通過引入三角形繞組零序環(huán)流作為制動量的改進策略，以防止橋差保護在交流系統(tǒng)擾動期間誤動。數(shù)字仿真表明所提方法能夠有效提高橋差保護的可靠性，同時能夠在內(nèi)部故障期間不影響橋差保護的靈敏度與速動性。

1 保護誤動原因分析

1.1 橋差保護的動作邏輯

換流器橋差保護可以對換流橋的換相失敗、閥短路、換流器直流側(cè)出口高壓端和中性端對換流器中點短路等故障提供安全防護，是換流器的重要保護手段之一。

12脈波換流器由兩個 6脈波換流器串聯(lián)而成，其交流側(cè)通過換流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組并聯(lián)，如圖2所示。其中一個換流變壓器的閥側(cè)繞組為三角形接線，對應(yīng)D型整流橋；另一個為星形接線，對應(yīng)Y型整流橋。其中，Y型整流橋的橋差保護判據(jù)為

同理，D型整流橋的橋差保護動作判據(jù)為根據(jù)現(xiàn)場實際配置情況，橋差保護的動作延時為 200 ms，采用累積法計算保護的動作時間，具體的計算方法為：每隔采樣時間對判據(jù)(1)和和判據(jù)(2)進行計算，判斷橋差保護的動作量是否大于動作定值如果判據(jù)滿足，則將內(nèi)部計數(shù)器加 20；如果小于定值，將內(nèi)部計數(shù)器減 1，如果計數(shù)器內(nèi)的計數(shù)值 Z 大于 20 倍的定值除以采樣時間即則保護出口。橋差保護延時處理的示意如圖1所示。

圖1 橋差保護延時的計算方法Fig. 1 Time delay algorithm of the bridge differential protection

1.2 三角形繞組互感器飽和對橋差保護的影響

由于現(xiàn)場空間有限，換流變閥側(cè)電流互感器為安裝于換流變內(nèi)部的套管互感器。如圖2所示，對于YD 換流變，閥側(cè)互感器的一次電流包括了三角形繞組的零序環(huán)流。因此，需要對三角形繞組的測量電流進行相-線變換，即將三相繞組電流兩兩作差得到線電流，以構(gòu)成橋差保護判據(jù)所需的換流變閥側(cè)線電流。

圖2 換流變閥側(cè)互感器的安裝位置Fig. 2 Installation location of CTs on the valve side of the converter transformer

在交流系統(tǒng)發(fā)生故障或者換流變空投期間，YD換流變的三角形繞組將會流過含有非周期分量的零序環(huán)流，易導(dǎo)致安裝于繞組處的套管互感器發(fā)生飽和，進而導(dǎo)致橋差保護誤動作。下文通過數(shù)字仿真展開分析。

如圖3 所示，假設(shè)在交流系統(tǒng)在 0 s 時刻發(fā)生持續(xù) 0.5 s 的不對稱故障期間，零序故障電流將流經(jīng)YD 換流變的三角形繞組，三角形繞組上某一個互感器由于存在剩磁等原因率先進入了飽和狀態(tài)，如圖3(a)所示，而另外兩相的互感器尚未飽和。在該情況下，通過相-線變換得到的閥側(cè)線電流整流值IacD開始增大，而此時 YY 變壓器的閥側(cè)線電流整流值 IacY變化并不明顯，如圖3(b)所示。根據(jù)如式(1)所示的YY型整流橋的橋差保護動作判據(jù)，動作電流將大于定值 Iset(0.21kA)，如圖3(c)所示。橋差保護的動作判據(jù)在故障后一段時間內(nèi)將長時間滿足，如圖3(d)所示。在 0.24 s 時，保護的累積動作時間大于整定的動作時延 0.2 s，此時橋差保護將發(fā)生誤動，導(dǎo)致正常運行的換流極閉鎖停運。

圖3 交流系統(tǒng)故障期間，YD 換流變?nèi)切卫@組套管CT飽和對橋差保護的影響Fig. 3 Influence of the CT saturation in the delta winding of the YD converter transformer on the bridge current differential protection when a fault occurs in the AC system

下面分析換流變發(fā)生勵磁涌流期間橋差保護的動作特性。假設(shè)極 II從備用轉(zhuǎn)閉鎖狀態(tài)，極 II換流橋所連的兩臺并聯(lián)變壓器在 0 s時合閘至交流系統(tǒng)?？胀秳畲庞苛鞯牧隳７至繒鹘?jīng)YD換流變的三角形繞組，并導(dǎo)致其中某相套管互感器率先發(fā)生暫態(tài)飽和，如圖4(a)所示。在該情況下，通過相-線變換得到的閥側(cè)線電流整流值 IacD開始增至大于動作定值 Iset(0.21kA)，而 YY 變壓器的閥側(cè)線電流整流值IacY由于極 II 尚未運行而等于零，如圖4(b)所示。故 YY 型整流橋的橋差保護動作判據(jù)將被持續(xù)滿足，如圖4(c)所示。在 0.57 s 時，保護的累積動作時間大于整定的動作時延 0.2 s，此時橋差保護將發(fā)生誤動，如圖4(d)所示。此時，橋差保護的誤動將導(dǎo)致極 II投運失敗。

圖4 換流變勵磁涌流期間，YD 換流變?nèi)切卫@組套管CT飽和對橋差保護的影響Fig. 4 Influence of the CT saturation in the delta winding of the YD converter transformer on the bridge current differential protection when the converter transformer is energized

2 橋差保護的防誤動策略

2.1 引入零序環(huán)流作為制動量

如式(1)和式(2)所示，橋差保護判據(jù)中的動作量為固定值，無法根據(jù)實際情況自適應(yīng)的調(diào)整動作電流大小，這使得橋差保護難以在交流系統(tǒng)故障以及換流變勵磁涌流等復(fù)雜運行工況期間保持較高的可靠性。參考交流系統(tǒng)差動保護制動電流的選取原則：在正常運行和外部故障時制動作用增強防止保護誤動作；在故障時制動作用減弱，以提高保護靈敏度。由上節(jié)的分析可知，三角形繞組零序環(huán)流導(dǎo)致的互感器飽和為橋差保護誤動的主要原因，故可以考慮引入零序環(huán)流作為制動量。在發(fā)生交流系統(tǒng)故障以及換流器勵磁涌流期間，可能存在較大零序環(huán)流導(dǎo)致互感器飽和，引入零序環(huán)流可以抬高動作門坎以防止保護誤動。在換流器發(fā)生故障期間，由于換流變閥側(cè)繞組分別為三角形接線和星型不接地接線，因此故障產(chǎn)生的零序電流無法流入換流變壓器，此時換流變?nèi)切卫@組的零序環(huán)流較小。根據(jù)上述分析可見，引入零序環(huán)流作為制動量可以同時兼顧橋差保護在內(nèi)部故障期間的靈敏度以及外部故障期間的可靠性。

修改后的Y型整流橋橋差保護動作判據(jù)為

2.2 橋差保護防誤動策略的投入判據(jù)

2.1 小節(jié)提出引入三角形繞組零序環(huán)流作為保護制動量。但是，該改進措施在提高橋差保護可靠性的同時，也將會降低橋差保護在換流橋發(fā)生故障期間的靈敏度與動作速度。因此需要研究上述改進判據(jù)的投入條件，在內(nèi)部故障期間盡量不投入改進判據(jù)，而在其他非正常運行工況期間投入改進判據(jù)。

交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障與勵磁涌流期間，三角形繞組的零序環(huán)流幾乎與故障時刻或者勵磁涌流的發(fā)生時刻同步，而互感器進入飽和需要經(jīng)過一定的時間，所以橋差保護動作電流的增大時刻將滯后于三角形繞組零序環(huán)流的產(chǎn)生時刻。

當(dāng)換流橋發(fā)生的內(nèi)部故障時，橋差保護動作判據(jù)將會在故障發(fā)生時刻馬上滿足。換流變閥側(cè)繞組分別為三角形和星型不接地接線，故障產(chǎn)生的零序電流將無法流入換流變。但是在該情況下，換流變的三角形繞組也有可能產(chǎn)生環(huán)流，這是因為故障期間換流變由于偏磁的作用發(fā)生了飽和，產(chǎn)生的部分零模勵磁電流將流過三角形繞組?？紤]到變壓器進入飽和狀態(tài)也需要一定的時間，故三角形繞組零序環(huán)流的產(chǎn)生時刻將滯后于橋差保護動作判據(jù)的滿足時刻。

綜上所述，可以根據(jù)零序環(huán)流的產(chǎn)生時刻與橋差保護動作判據(jù)滿足時刻之間的相對時間關(guān)系確定是否投入橋差保護的防誤動判據(jù)。當(dāng)零序環(huán)流的產(chǎn)生時刻超前于橋差保護的滿足時刻時，則認(rèn)為發(fā)生了外部故障或者勵磁涌流等異常運行工況，此時投入防誤動策略，以提高橋差保護的可靠性；反之，則判斷發(fā)生了內(nèi)部故障，按照原有的動作特性切除故障。

2.3 保護實施方案

根據(jù) 2.1 小節(jié)和 2.2 小節(jié)所述的橋差保護防誤動方法，形成具體實施方案，主要包括如下三個步驟。

步驟 1：判斷 YD 換流變?nèi)切卫@組是否流過零序環(huán)流

當(dāng)式(4)所示的判據(jù)滿足時，啟動橋差保護防誤動判據(jù)，并記錄時刻此時，換流變?nèi)切卫@組產(chǎn)生了零序環(huán)流，位于三角形繞組的套管互感器有可能發(fā)生飽和導(dǎo)致橋差保護誤動。

步驟2：判斷是否發(fā)生內(nèi)部故障

一般情況下，電流互感器進入飽和需要 5 ms，故Dt可以取 5 ms。

步驟3：投入橋差保護防誤動判據(jù)

投入橋差保護的防誤動判據(jù)，通過引入零序環(huán)流作為制動電流，以防止橋差保護因三角形繞組側(cè)互感器發(fā)生飽和而誤動。

3 仿真驗證

應(yīng)用本文所提的防誤動策略，對圖2所示的交流系統(tǒng)故障期間橋差保護的動作特性展開仿真驗證，結(jié)果如圖5 所示。在 0 s 時刻交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障瞬間，YD 型換流變壓器的三角形繞組立刻產(chǎn)生了零序環(huán)流，如圖5(a)所示。在隨后的 5 ms內(nèi)，互感器尚未進入飽和狀態(tài)，原有的橋差保護判據(jù)并未滿足，故投入橋差保護防誤動策略。在 0.04 s時，由于互感器發(fā)生了飽和，橋差保護的差動電流開始增加。在該情況下，橋差保護防誤動判據(jù)投入，通過引入零序環(huán)流作為制動量，能夠大幅減少滿足橋差保護動作判據(jù)的點數(shù)，如圖5(b)和(c)所示。此時，橋差保護的累積動作時延小于整定值，從而能夠躲過誤動，如圖5(d)所示。

圖5 交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障期間，橋差保護防誤動策略的動作情況Fig. 5 Simulation results of the proposed method for preventing the misoperation of the bridge current differential protection when a asymmetric fault occurs in the AC system

針對如圖3所示的換流變空投勵磁涌流導(dǎo)致橋差保護誤動的情況，所提應(yīng)對策略的仿真結(jié)果如所示。在 0 s 時刻，極 II換流變空投，隨即 YD 型換流變壓器的三角形繞組即產(chǎn)生了零序環(huán)流，如圖6(a)所示。在之后的 5 ms 內(nèi)，原有的橋差保護判據(jù)并未滿足，故開始投入橋差保護防誤動策略。通過分析可見，引入零序環(huán)流作為制動量，能夠大幅減少滿足橋差保護動作判據(jù)的點數(shù)，從而避免橋差保護誤動。

通過上述分析可見，本文所提的橋差保護防誤動策略能夠在交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障以及換流變勵磁涌流等異常運行工況期間有效提高橋差保護的可靠性。

在換流橋閥側(cè)引線處發(fā)生內(nèi)部故障期間，橋差保護的仿真結(jié)果如圖7 所示，故障發(fā)生時刻為 0 s。在內(nèi)部故障發(fā)生的瞬間，橋差保護的動作電流迅速增大，保護的動作判據(jù)立刻滿足，如圖7(b)和(c)所示。在 0.2 s 時，換流變由于故障所產(chǎn)生的偏磁作用而進入了飽和狀態(tài)，其三角形繞組才開始產(chǎn)生零序環(huán)流，圖7(a)所示。此時，零序環(huán)流出現(xiàn)的時刻滯后于橋差保護判據(jù)滿足的時刻，故橋差保護的防誤動策略將不投入，橋差保護可以按照原有的動作特性，靈敏、迅速的切除故障。

圖6 換流變空投期間，橋差保護防誤動策略的動作情況Fig. 6 Simulation results of the proposed method for preventing the misoperation of the bridge current differential protection when the converter transformer is energized

圖7 換流器發(fā)生內(nèi)部故障期間，橋差保護防誤動策略的動作情況Fig. 7 Simulation results of the proposed method for preventing the misoperation of the bridge current differential protection when an internal fault occurs in the converter

4 結(jié)論

隨著直流建設(shè)的迅速推進，我國正逐步形成交直流高密度互聯(lián)的格局，這使得電網(wǎng)故障特性和演化過程更加復(fù)雜，同時帶來了交直流系統(tǒng)保護協(xié)調(diào)配合的新課題。由此對電力系統(tǒng)繼電保護提出了新的挑戰(zhàn)。

在直流輸電工程中，YD 換流變閥側(cè)(即換流器網(wǎng)側(cè))CT 為安裝于三角形繞組的套管 CT，在交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障、勵磁涌流等擾動期間，三角形繞組將產(chǎn)生零序環(huán)流，并會引起互感器飽和，使得與該飽和互感器相關(guān)的保護，譬如直流橋差保護，發(fā)生誤動，導(dǎo)致直流閉鎖，嚴(yán)重威脅交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。對此問題，論文提出了通過引入零序環(huán)流作為制動量的橋差保護防誤動策略，并利用零序環(huán)流與橋差電流出現(xiàn)的相對時間關(guān)系，判斷是否投入該防誤動策略。在交流系統(tǒng)發(fā)生擾動期間，通過引入零序環(huán)流能夠提高橋差保護的動作門坎值，從而有效改善橋差保護的可靠性；在發(fā)生內(nèi)部故障期間，由于零序環(huán)流出現(xiàn)的時間晚于橋差電流增大時刻，所提的防誤動策略不會被投入，故橋差保護可以按照原有的動作特性切除故障。仿真表明，該方法能夠在提高橋差保護在交流系統(tǒng)擾動期間可靠性的同時，不影響橋差保護對于內(nèi)部故障的靈敏度與動作速度。

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(編輯 張愛琴)

Impact of the CT saturation of the delta winding on the HVDC protection and its countermeasure

ZHANG Kanjun1, QI Xuanwei2, HU Wei1, ZHANG Shiyuan3,4, CHEN Kun1, YIN Xianggen3,4
(1. State Grid Hubei Electric Power Research Institute, Wuhan 430077, China; 2. State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310000, China; 3. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology
(Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China; 4. Electric Power Security and High Efficiency Laboratory (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China)

In order to improve the reliability of the bridge differential protection for the DC converter, prevent the misoperation of the protection during short-circuit fault and the inrush current, the countermeasure for the CT saturation of the YD converter transformer of the bridge differential protection is proposed. The theoretical analysis and the simulation test disclose that the CT saturation in the delta winding of the YD converter transformer during the disturbance of the AC system will cause the false operation current, resulting in the misoperation. To solve this problem, the paper proposes a countermeasure that introducing the zero-sequence circulating current as the restraint current of the bridge differential protection. The time difference between the increase of the zero-sequence circulating current and the rise of the bridge differential current is utilized to determine whether to apply the proposed countermeasure. The simulation tests indicate that this countermeasure can improve the reliability of the bridge differential protection during the disturbance in the AC system, and meanwhile would not affect the sensitivity and the speed of the bridge differential protection for the internal fault.

HVDC transmission; current transformer; transient saturation; bridge differential protection; inrush current

10.7667/PSPC201646

：2016-06-18

張侃君(1977-)，男，博士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護與自動控制的研究和生產(chǎn)工作；

戚宣威(1988-)，男，通信作者，博士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)保護與控制的研究工作；E-mail: 814512663@ qq.com

胡 偉(1981-)，女，博士，工程師，主要從事直流輸電系統(tǒng)控制與保護技術(shù)研究。

湖北省電力公司科技項目(鄂電科研(2014)第110 號)