吳奕， 顧喬根， 崔玉， 黃海東， 孫仲民， 王業(yè)

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司,江蘇 南京 210024；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；3. 南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引言

變壓器是柔性交流輸電系統(tǒng)(flexible alternative current transmission systems,FACTS)與電網(wǎng)交互的關(guān)鍵性交流器件，包括串聯(lián)變壓器和并聯(lián)變壓器2種類型。差動(dòng)保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，是繼電保護(hù)研究關(guān)注的重點(diǎn)。為提高差動(dòng)保護(hù)的可靠性和準(zhǔn)確性，學(xué)者們將S變換[1]、形態(tài)學(xué)[2]等方法用于差動(dòng)保護(hù)分析。此外，差動(dòng)保護(hù)受空充勵(lì)磁涌流、并聯(lián)運(yùn)行和應(yīng)涌流的影響比較大[3]。文獻(xiàn)[4]采用多變量多尺度熵算法識別勵(lì)磁涌流，具有可評價(jià)多通道數(shù)據(jù)復(fù)雜性和相關(guān)程度的特點(diǎn)；文獻(xiàn)[5]分析了復(fù)雜和應(yīng)涌流的影響因素、關(guān)鍵特征以及對相鄰發(fā)電機(jī)電流差動(dòng)保護(hù)的影響。

不同工作場景下的變壓器對差動(dòng)保護(hù)的影響也各有差異。文獻(xiàn)[6]研究了換相失敗對差動(dòng)保護(hù)性能的影響；針對調(diào)壓變壓器的運(yùn)行方式，文獻(xiàn)[7]提出一種差動(dòng)保護(hù)自適應(yīng)算法，能夠在線自適應(yīng)地對差動(dòng)電流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正；針對傳統(tǒng)移相變壓器保護(hù)方案的不足，文獻(xiàn)[8]提出基于全角度移相的移相變壓器差動(dòng)保護(hù)方案。

電力電子技術(shù)的發(fā)展使得交流變壓器在FACTS工程中應(yīng)用越來越廣泛，但是在這類FACTS工程，尤其是統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)工程中，關(guān)于變壓器保護(hù)的研究相對較少。文獻(xiàn)[9]分析了UPFC保護(hù)與交流保護(hù)配合策略，并闡述了南京西環(huán)網(wǎng)UPFC保護(hù)與各類交流保護(hù)動(dòng)作配合原則；針對UPFC串聯(lián)變壓器特殊的啟動(dòng)調(diào)試方法和充電路徑，文獻(xiàn)[10]提出一種串聯(lián)變壓器啟動(dòng)試驗(yàn)保護(hù)配置方法；傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)無法可靠反映UPFC中網(wǎng)側(cè)繞組兩側(cè)的故障，文獻(xiàn)[11]利用網(wǎng)側(cè)繞組等效電流和繞組差動(dòng)的輔助判據(jù)改進(jìn)了串聯(lián)變壓器差動(dòng)保護(hù)；考慮到UPFC中串聯(lián)變壓器的特性和運(yùn)行方式，文獻(xiàn)[12]提出串聯(lián)變壓器保護(hù)需要考慮的特殊問題，并據(jù)此提出完整的串聯(lián)變壓器保護(hù)配置方案，給出了適用于串聯(lián)變壓器的專用保護(hù)判據(jù)。

UPFC系統(tǒng)中的串聯(lián)變壓器在硬件結(jié)構(gòu)上、工作特性上與普通并聯(lián)變壓器相比都有較大區(qū)別；UPFC系統(tǒng)中的并聯(lián)變壓器與常規(guī)變壓器相比，其一次結(jié)構(gòu)、一次接線沒有區(qū)別，但UPFC并聯(lián)側(cè)換流器直接接入并聯(lián)變壓器，其輸出特性對并聯(lián)變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響尚不明確?？紤]到UPFC系統(tǒng)的特殊性，需要從UPFC的具體運(yùn)行方式、UPFC故障發(fā)生過程中和故障切除的過程中電氣量的變化規(guī)律等方面對串聯(lián)變壓器、并聯(lián)變壓器差動(dòng)保護(hù)算法的適應(yīng)性進(jìn)行評估，提出切實(shí)可行的保護(hù)配置方案和改進(jìn)方案。

綜上所述，文中通過已建立的蘇州南部工程UPFC實(shí)時(shí)仿真模型，對UPFC工程應(yīng)用中的交流保護(hù)受到的影響進(jìn)行系統(tǒng)評估，仿真分析變壓器差動(dòng)保護(hù)在區(qū)內(nèi)外故障下的波形特征，探討變壓器差動(dòng)保護(hù)在此類故障情況下的適應(yīng)性，為UPFC輸電工程及后續(xù)的工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 UPFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及保護(hù)動(dòng)作方式

蘇州南部工程UPFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，網(wǎng)側(cè)2個(gè)換流器通過2個(gè)串聯(lián)變壓器接入木瀆—梅里500 kV雙回線路。并聯(lián)側(cè)1個(gè)換流器通過1個(gè)起動(dòng)電阻接至并聯(lián)側(cè)變壓器，再接入木瀆500 kV母線，在并聯(lián)變壓器的閥側(cè)和系統(tǒng)側(cè)均配有1臺交流斷路器；串、并聯(lián)側(cè)3個(gè)換流器采用背靠背的連接方式，網(wǎng)側(cè)2個(gè)換流器在直流側(cè)并聯(lián)后再與并聯(lián)側(cè)換流器通過直流母線相連。

圖1 蘇州南部工程500 kV UPFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 500 kV UPFC system in the South of Suzhou

串聯(lián)換流器通過串聯(lián)變壓器給線路注入幅值和相角均可控的電壓矢量，其幅值和相位由UPFC在潮流控制時(shí)所選擇的控制方式來確定，其控制方式主要包括自動(dòng)潮流控制、相角控制以及線路電抗控制等[13—16]。串聯(lián)變壓器通過旁路合閘的方式實(shí)現(xiàn)變壓器隔離。

并聯(lián)換流器通過并聯(lián)變壓器向電網(wǎng)提供無功功率以維持UPFC接入母線的電壓穩(wěn)定，同時(shí)從電網(wǎng)吸收有功功率，向串聯(lián)換流器提供有功并補(bǔ)償電路器件的有功損耗。并聯(lián)變壓器一般采用常規(guī)斷路器來隔離故障。

2 UPFC系統(tǒng)變壓器保護(hù)的相關(guān)問題

2.1 串聯(lián)變壓器

串聯(lián)變壓器是UPFC系統(tǒng)的潮流調(diào)節(jié)電壓輸出器件[17]，其網(wǎng)側(cè)繞組兩端開放式地串接在輸電線路中，其運(yùn)行方式的特殊性決定了變壓器結(jié)構(gòu)和特性與普通電力系統(tǒng)變壓器(并聯(lián)變壓器)有很大不同。

(1) 相對于同電壓等級的普通變壓器，串聯(lián)變壓器的額定電壓低，容量小。其網(wǎng)側(cè)額定電壓通常比串聯(lián)變壓器工作環(huán)境的額定電壓小一個(gè)數(shù)量級。

(2) 由于工作環(huán)境的電壓等級較高，為了應(yīng)對串聯(lián)變壓器可能的磁飽和及過電壓，要求串聯(lián)變壓器的工作磁密低，并具有抗短時(shí)過電壓和過激磁的能力。

串聯(lián)變壓器的繞組端電壓來自UPFC網(wǎng)側(cè)換流器輸出，是時(shí)變的。當(dāng)串聯(lián)變壓器繞組輸出電壓低于變壓器額定電壓時(shí)，串聯(lián)變壓器匝間故障產(chǎn)生的差流將明顯降低[18—19]。由于一次系統(tǒng)上串聯(lián)變壓器與換流器耦合度很高，當(dāng)變壓器故障時(shí)，需要考慮換流器的暫態(tài)行為可能對變壓器差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生的影響。

2.2 閥控制保護(hù)對變壓器保護(hù)的影響

電力電子設(shè)備的抗過電流抗過電壓特征不同于普通交流設(shè)備[20—21]。電力電子設(shè)備具有非線性、階躍性特征，當(dāng)此類設(shè)備流過大電流時(shí)，電流越過門檻，無需積累，可能直接導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞(半導(dǎo)體擊穿或燒斷)[22]。因此UPFC保護(hù)必須采用采樣瞬時(shí)值作為保護(hù)計(jì)算值。當(dāng)系統(tǒng)故障產(chǎn)生的暫態(tài)電流達(dá)到UPFC保護(hù)的動(dòng)作門檻時(shí)，UPFC保護(hù)從保護(hù)直流設(shè)備的角度出發(fā)，須快速動(dòng)作。當(dāng)串聯(lián)變壓器存在嚴(yán)重故障時(shí)，必然也會(huì)引起換流閥過流，須考慮閥控制保護(hù)的動(dòng)作行為對交流保護(hù)帶來的影響。

2.3 并聯(lián)變壓器

并聯(lián)側(cè)換流器對于變壓器而言，可以等效于負(fù)荷(吸收少量有功，交換無功)[23]，因此并聯(lián)變壓器整體特性類似于負(fù)荷變壓器。并聯(lián)變壓器在變壓器結(jié)構(gòu)、一次接線、隔離方式、與上一級繼電保護(hù)配合等方面沒有特殊之處，差動(dòng)保護(hù)反映區(qū)內(nèi)外典型故障時(shí)原理上不受影響。并聯(lián)變壓器的差動(dòng)保護(hù)需要仿真確認(rèn)暫態(tài)故障情況下，并聯(lián)側(cè)換流器這一特殊“負(fù)荷”的輸出特性是否會(huì)影響差動(dòng)保護(hù)閉鎖判據(jù)。

3 差動(dòng)保護(hù)反映串聯(lián)變壓器區(qū)內(nèi)外故障的適應(yīng)性分析

3.1 差動(dòng)保護(hù)配置及仿真工況

在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(real time digital simu-la-tion system，RTDS)中，接入U(xiǎn)PFC閥側(cè)控制保護(hù)系統(tǒng)、交流側(cè)串聯(lián)變壓器及并聯(lián)變壓器保護(hù)裝置，分析故障時(shí)的串、并聯(lián)變壓器的電氣特征及繼電保護(hù)元件的響應(yīng)情況。

圖2為兩繞組串聯(lián)變壓器外部短路系統(tǒng)示意。工程上，取電流互感器CT1、CT3構(gòu)成磁平衡縱差保護(hù)87T1，設(shè)置縱差保護(hù)啟動(dòng)值為0.3 A，縱差保護(hù)采用三段式制動(dòng)特性曲線。

3.2 區(qū)外短路情況下差動(dòng)保護(hù)的適應(yīng)性分析

圖2中，串聯(lián)變壓器包含網(wǎng)側(cè)繞組和閥側(cè)繞組。正常運(yùn)行時(shí)，旁路開關(guān)K1、K2處于打開狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)繞組直接串接在線路中，閥側(cè)繞組首端接換流器輸出引線，尾端為中性點(diǎn)接地。

圖2 串聯(lián)變壓器外部短路系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of external short circuit in series transformer

從串聯(lián)變壓器的角度來說，當(dāng)線路突發(fā)短路故障時(shí)，K1處于分位，短路電流I1從線路的S側(cè)穿越串聯(lián)變壓器匯入短路點(diǎn)，串聯(lián)變壓器自身阻抗串接在故障回路中。K2也處于分位狀態(tài)，閥側(cè)繞組也將流經(jīng)短路電流I2。

短路電流I2勢必引起換流器過流，在故障后的數(shù)毫秒內(nèi)，閥控制保護(hù)將動(dòng)作，閉鎖換流器，合旁路開關(guān)K1、K2，其中K1的合閘過程大約持續(xù)30 ms。

在此過程中，串聯(lián)變壓器自身一直串聯(lián)在故障回路中，客觀上，串聯(lián)變壓器自身阻抗及換流器回路的等效阻抗能起到一定的限流作用。由于K2開關(guān)合閘速度快，當(dāng)K2已合閘、K1未合閘時(shí)，流經(jīng)串聯(lián)變壓器的短路電流達(dá)到最大。當(dāng)K1、K2均已合閘，串聯(lián)變壓器兩側(cè)繞組均被旁路(繞組首尾短路)，變壓器隔離處于隔離狀態(tài)，合閘前一刻兩側(cè)繞組中存在的交流短路電流轉(zhuǎn)化為衰減非周期分量。

區(qū)別于普通變壓器，3/2接線、角型接線方式下，變壓器區(qū)外短路電流很大(因?yàn)榇藭r(shí)變壓器自身阻抗不在故障回路中，起不到限流作用)，串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)區(qū)外故障時(shí)，自身阻抗有一定限流作用，再結(jié)合合理的CT(按線路金屬性短路故障選擇CT變比，CT選型側(cè)重于暫態(tài)特性好的類型)，串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)區(qū)外故障造成CT深度飽和的可能性小，K1、K2合閘過程中產(chǎn)生的不平衡電流不至于大幅上升，而穿越性故障提供的制動(dòng)電流很大，因此差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)較小。

應(yīng)當(dāng)注意到，區(qū)別于普通交流電網(wǎng)故障過程，K1、K2合閘后的暫態(tài)過程具有特殊性。普通交流電網(wǎng)故障后，斷路器開關(guān)跳開并滅弧，一次系統(tǒng)的電流回路開路，電流為零。當(dāng)K1、K2合閘后，網(wǎng)側(cè)繞組、閥側(cè)繞組兩端均被旁路開關(guān)短接，構(gòu)成了電流回路，同時(shí)網(wǎng)側(cè)繞組、閥側(cè)繞組為感性鐵磁元件，繞組電流不能突變，繞組電流存在一個(gè)衰減的過程，需要關(guān)注這個(gè)過程中，一次側(cè)持續(xù)的衰減非周期分量傳變至二次側(cè)時(shí)二次電流的一致性問題。

圖2中，F(xiàn)1處發(fā)生單相永久性接地故障，仿真及計(jì)算波形如圖3所示。故障起始時(shí)刻為0.05 s，故障發(fā)生后約0.01 s，K2開關(guān)合上。

圖3 串聯(lián)變壓器區(qū)外單相接地故障Fig.3 Single-phase ground fault outside the series transformer

由圖3可見，旁路開關(guān)完全合閘前(t<0.08 s)，短路電流呈典型區(qū)外故障特征。當(dāng)旁路開關(guān)完全合閘后，變壓器兩側(cè)電流呈非周期衰減狀態(tài)，隨著時(shí)間推移，兩側(cè)電流的衰減特性差異逐漸放大，過零點(diǎn)時(shí)波形差異明顯。

分析圖3可知，區(qū)外故障過程中，在K2完全合閘前(t<0.08 s)，縱差保護(hù)的差回路中不平衡電流很小，遠(yuǎn)小于短路電流提供的制動(dòng)電流，此階段差動(dòng)保護(hù)能夠可靠制動(dòng)。

當(dāng)旁路開關(guān)合閘后，變壓器兩側(cè)的二次電流衰減差異逐漸放大，差流逐漸越過制動(dòng)電流，縱差保護(hù)進(jìn)入動(dòng)作區(qū)，此時(shí)需要考慮閉鎖措施以避免差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)[24]。

3.3 縱差保護(hù)反映區(qū)內(nèi)金屬性故障的適應(yīng)性分析

分析網(wǎng)側(cè)區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)，縱差保護(hù)的差流特征和演變趨勢。網(wǎng)側(cè)繞組區(qū)內(nèi)接地故障示意如圖4所示，設(shè)網(wǎng)側(cè)繞組總匝數(shù)為N1，閥側(cè)繞組總匝數(shù)為N2，網(wǎng)側(cè)繞組從首端起k×100%繞組處發(fā)生接地故障，此時(shí)S端系統(tǒng)有短路電流從首端流入接地點(diǎn)，N端系統(tǒng)有短路電流從尾端流入接地點(diǎn)。

圖4 網(wǎng)側(cè)繞組區(qū)內(nèi)接地故障示意Fig.4 Schematic diagram of ground fault in the grid side winding area

分析此時(shí)的串聯(lián)變壓器，有磁平衡：

(1)

整理得到：

(2)

縱差保護(hù)(87T1)取CT1、CT3進(jìn)行計(jì)算，兩側(cè)差動(dòng)調(diào)整電流均以變壓器各側(cè)額定電流標(biāo)幺化后進(jìn)行計(jì)算。因此，以串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)為基準(zhǔn)，可以略去I3的乘積項(xiàng)，此時(shí)串聯(lián)變壓器兩側(cè)差流Id為：

(3)

由式(3)可知，當(dāng)故障點(diǎn)落于變壓器區(qū)內(nèi)時(shí)，k值越小，即故障點(diǎn)越靠近繞組S側(cè)，以CT1、CT3構(gòu)成的縱差保護(hù)87T1的差流越大，縱差靈敏度越大；k越大，即故障點(diǎn)越靠近繞組N側(cè)，縱差保護(hù)87T1的差流越小，保護(hù)靈敏度下降，必然存在靈敏度死區(qū)。

假如以CT2、CT3構(gòu)成縱差保護(hù)(87T2)，以上述分析方法分析可知，與87T1相反，當(dāng)故障點(diǎn)落于變壓器區(qū)內(nèi)，k值越大，87T2的差流越大，靈敏度越高；k值越小，87T2的差流越小，87T2的靈敏度死區(qū)位于繞組S側(cè)。

仿真網(wǎng)側(cè)繞組k=0.9處發(fā)生繞組單相接地故障，仿真及計(jì)算波形見圖5，故障起始時(shí)刻為0.3 s。

圖5 串聯(lián)變壓器區(qū)內(nèi)繞組接地故障Fig.5 Ground fault waveform in the grid side winding

由圖5可知，當(dāng)故障點(diǎn)接近繞組尾端時(shí)， 87T1的差流很小，已低于縱差保護(hù)啟動(dòng)值，87T1保護(hù)不能動(dòng)作。與此同時(shí)，由于區(qū)內(nèi)故障點(diǎn)靠近CT2，CT2、CT3構(gòu)成的磁平衡受破壞程度很高，因此87T2的差流很大，差動(dòng)保護(hù)具有良好的保護(hù)靈敏度，能夠補(bǔ)充87T1的靈敏度死區(qū)。

基于上述分析結(jié)果，工程上可以同時(shí)配置87T1、87T2兩套縱差保護(hù)，以消除近S側(cè)和近N側(cè)的靈敏度死區(qū)，提高縱差保護(hù)整體靈敏度。

3.4 縱差保護(hù)反映匝間短路故障的適應(yīng)性分析

分析串聯(lián)變壓器本體繞組發(fā)生匝間短路時(shí)，縱差保護(hù)的差流特征和演變趨勢[16]。

文獻(xiàn)[16]給出了串聯(lián)變壓器差動(dòng)保護(hù)的差動(dòng)電流與故障率、繞組端電壓之間的數(shù)值關(guān)系：

(4)

式中：E2為串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組端間電壓；I1為CT1測量電流；Zk為系統(tǒng)短路阻抗；Zkt為變壓器短路阻抗；k為被短繞組的匝數(shù)比。

分析式(4)可知，固定繞組電壓E2不變時(shí)，繞組被短路匝數(shù)越多，即k越大，則差流Id1越大；固定k不變時(shí)，相同匝數(shù)繞組被短路情況下繞組電壓E2越大，則差流Id1越大。

模擬系統(tǒng)處于小方式下，UPFC系統(tǒng)輕微出力(輸出電壓0.1 p.u)，串聯(lián)變壓器發(fā)生5%匝間短路的情況進(jìn)行分析，如圖6所示，故障起始時(shí)刻為第0.055 s。

圖6 串聯(lián)變壓器本體繞組輕微匝間短路故障Fig.6 Series transformer windings with slight turn-to-turn short circuit fault

分析圖6(a)、(b)可知，UPFC系統(tǒng)輕微出力發(fā)生小匝比短路故障，短路電流數(shù)值上僅比負(fù)荷電流略有上升，僅產(chǎn)生輕微的差流，差流低于動(dòng)作門檻，差動(dòng)特性不能進(jìn)入動(dòng)作區(qū)，差動(dòng)保護(hù)不能動(dòng)作。此時(shí)需要考慮措施以提高差動(dòng)保護(hù)靈敏度[9]。若串聯(lián)變壓器繞組端電壓接近額定電壓，串聯(lián)變壓器繞組短路的短路電流將上升。

模擬系統(tǒng)處于大潮流下，UPFC系統(tǒng)進(jìn)行降功率輸出，串聯(lián)變壓器繞組發(fā)生40%的大匝比短路故障，如圖7所示。

圖7 串聯(lián)變壓器本體繞組大匝比短路故障Fig.7 Series transformer winding short circuit fault with large turn ratio

分析圖7可知，當(dāng)UPFC系統(tǒng)出力較大時(shí)，若變壓器發(fā)生大匝比短路故障，變壓器閥側(cè)繞組將產(chǎn)生大的沖擊電流。按照CT3實(shí)際變比為2 000∶1計(jì)算，短路時(shí)刻的瞬時(shí)電流達(dá)到5 800 A以上，勢必造成換流器過流，對換流器設(shè)備安全造成威脅。此時(shí)換流器控制保護(hù)將在0.002 s內(nèi)快速動(dòng)作，停運(yùn)換流器并合閘旁路開關(guān)。受換流器控制保護(hù)的動(dòng)作行為影響，差流瞬時(shí)值在故障后迅速達(dá)到頂峰，隨后由于換流器不再輸出控制電壓且旁路開合閘，差流瞬時(shí)值迅速下降，在0.01 s內(nèi)降為低值，進(jìn)而造成縱差保護(hù)來不及動(dòng)作。

變壓器區(qū)內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重故障，引起了換流器過流，進(jìn)而閥控制保護(hù)動(dòng)作切除故障。有3點(diǎn)因素需要考慮：

(1) 串聯(lián)變壓器與換流器同屬UPFC主要設(shè)備，不存在單一設(shè)備單獨(dú)運(yùn)行的工況，串聯(lián)變壓器處于縱差保護(hù)和閥控制保護(hù)共同作用的范圍，退一步考慮，主變區(qū)內(nèi)故障情況下，如果閥控保護(hù)拒動(dòng)，交流保護(hù)是能夠可靠動(dòng)作切除故障的。

(2) 交流繼電保護(hù)與閥控制保護(hù)的動(dòng)作后續(xù)結(jié)果是一樣的，都是換流器停運(yùn)，合閘旁路開關(guān)。

(3) 換流器的設(shè)備安全要求閥控制保護(hù)能夠在大電流情況下快速隔離串聯(lián)變壓器，閥控制保護(hù)快速動(dòng)作，客觀上有利于變壓器在較嚴(yán)重故障情況下盡快隔離。

基于以上分析，保護(hù)動(dòng)作行為的評價(jià)應(yīng)基于串聯(lián)變壓器保護(hù)及閥保護(hù)的整體保護(hù)動(dòng)作效果，不應(yīng)片面地只評估單個(gè)保護(hù)。

就交流保護(hù)自身而言，需要關(guān)注：在閥控制保護(hù)先行動(dòng)作、交流縱差保護(hù)不動(dòng)作的情況下，如何進(jìn)行事后快速故障定位，即定位故障是發(fā)生在變壓器還是發(fā)生在閥側(cè)換流器。

圖7中，變壓器發(fā)生較大匝間短路時(shí)，交流保護(hù)能夠錄到短時(shí)差流，其短時(shí)數(shù)值達(dá)到2.6 A左右。首先，通過觀察線路保護(hù)行為及線路電壓,可識別是否因線路故障引起變壓器產(chǎn)生不平衡電流，進(jìn)而導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)出現(xiàn)大差流。理論上，換流器屬于串聯(lián)變壓器電源側(cè)，任意換流器故障都不會(huì)引起變壓器縱差保護(hù)產(chǎn)生差流。因此，一旦線路電流沒有大幅變化且串聯(lián)變壓器差動(dòng)保護(hù)出現(xiàn)過較大差流，則變壓器區(qū)內(nèi)可能存在故障的可能性很大，此時(shí)應(yīng)當(dāng)抽油樣分析或吊罩檢查。

3.5 差動(dòng)保護(hù)反映串聯(lián)變壓器閥側(cè)故障的適應(yīng)性分析

串聯(lián)變壓器閥側(cè)發(fā)生匝間短路故障，故障特征與網(wǎng)側(cè)匝間短路故障的特征基本一致。串聯(lián)變壓器閥側(cè)一般采用星型高阻接地的接線形式，這種接線形式的主要問題是，當(dāng)閥側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，短路電流很小，即閥側(cè)屬于小電流接地系統(tǒng)，此時(shí)故障特征量主要體現(xiàn)在系統(tǒng)電壓上而不是電流?？v差保護(hù)是以電流為主要分析對象的主保護(hù)，因此縱差保護(hù)不能反映此種故障，應(yīng)配置零序過電壓或電壓不平衡等原理的保護(hù)作為輔助。

4 差動(dòng)保護(hù)反映并聯(lián)變壓器故障的適應(yīng)性分析

并聯(lián)側(cè)換流器對于變壓器而言，可以等效于負(fù)荷(吸收少量有功，交換無功)，并聯(lián)側(cè)換流器的工作容量比并聯(lián)變壓器容量小得多，正常運(yùn)行時(shí)變壓器負(fù)荷電流不大，并聯(lián)變壓器運(yùn)行特性類似于負(fù)荷變壓器。并聯(lián)變壓器采用常規(guī)斷路器使變壓器與交流系統(tǒng)隔離。閥側(cè)區(qū)外故障時(shí)，閥側(cè)提供的短路電流不流經(jīng)差動(dòng)保護(hù)CT，因此差動(dòng)保護(hù)反映區(qū)外故障沒有特殊之處。

分析變壓器發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，此時(shí)并聯(lián)側(cè)正序電壓下降，按照既定控制策略，并聯(lián)側(cè)換流器將輸出無功功率進(jìn)行無功補(bǔ)償。

以往變壓器接入無功設(shè)備，帶來的主要問題是諧波問題[25]。例如，靜止無功補(bǔ)償器(static var com-pen-sator,SVC)配套設(shè)備中含有濾波器組，暫態(tài)情況下將產(chǎn)生特定次諧波，將影響差動(dòng)保護(hù)飽和判據(jù)開放，影響差動(dòng)保護(hù)性能。

模擬并聯(lián)變壓器閥側(cè)區(qū)內(nèi)發(fā)生兩相接地故障(此時(shí)閥側(cè)電壓變化最大且又不至完全失壓)，如圖8所示。第145 ms處，并聯(lián)變壓器閥側(cè)區(qū)內(nèi)發(fā)生BC兩相接地故障，網(wǎng)側(cè)提供短路電流，因此網(wǎng)側(cè)BC相電流上升。閥側(cè)換流器輸出無功電流，流經(jīng)差動(dòng)保護(hù)閥側(cè)CT匯入故障接地點(diǎn)，因此閥側(cè)BC相電流也有一定程度的上升。

圖8 并聯(lián)變壓器區(qū)內(nèi)兩相接地故障Fig.8 Two-phase grounding fault in parallel transformer zone

區(qū)別于SVC，UPFC采用絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)組成換流閥，控制響應(yīng)速度快，不產(chǎn)生諧波，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不需要濾波器組。分析圖8可知，故障后幾毫秒之內(nèi)，閥側(cè)換流器能夠快速響應(yīng)將輸出電流控制在合理范圍內(nèi)，輸出波形平滑，無明顯畸變情況，諧波含量低，不會(huì)對差動(dòng)保護(hù)構(gòu)成閉鎖風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，差動(dòng)保護(hù)能夠不受影響地反映并聯(lián)變壓器區(qū)內(nèi)外故障。

5 結(jié)論

目前，串聯(lián)變壓器電量保護(hù)的適應(yīng)性研究仍不廣泛，國內(nèi)部分FACTS工程依然使用國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)變壓器保護(hù)裝置作為串聯(lián)變壓器的電量保護(hù)。文中從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，分析串聯(lián)變壓器區(qū)內(nèi)外故障對縱差保護(hù)的影響性，提出常規(guī)電量保護(hù)應(yīng)用于串聯(lián)變壓器時(shí)存在的問題，并給出了解決措施建議，有如下結(jié)論：

(1) 串聯(lián)變壓器的旁路合閘過程中，差回路中互感器傳變衰減非周期分量時(shí)容易出現(xiàn)兩側(cè)CT特性不一致的情況，易引起縱差保護(hù)產(chǎn)生差流，有誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 縱差保護(hù)反映串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組故障時(shí)，當(dāng)故障點(diǎn)位于遠(yuǎn)離差回路CT安裝端，存在保護(hù)靈敏度死區(qū)，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意采取措施以消除死區(qū)。

(3) 對于串聯(lián)變壓器本體故障而言，故障時(shí)短路電流大小受UPFC運(yùn)行工況影響較為明顯，串聯(lián)變壓器繞組電壓的大小影響本體故障短路電流大小。當(dāng)串聯(lián)變壓器僅輕微輸出時(shí)，縱差保護(hù)靈敏度降低。

(4) 網(wǎng)側(cè)換流器與串聯(lián)變繞組具有強(qiáng)耦合關(guān)系，變壓器本體嚴(yán)重故障可能同時(shí)造成閥過流?？紤]到串聯(lián)變壓器、換流器在一次上是耦合關(guān)系，且同時(shí)投退，不存在串聯(lián)變壓器單獨(dú)運(yùn)行或換流器單獨(dú)運(yùn)行的工況，此類問題，保護(hù)動(dòng)作行為的評價(jià)應(yīng)基于串聯(lián)變壓器保護(hù)及閥保護(hù)的整體保護(hù)動(dòng)作效果，不應(yīng)片面地只評估單個(gè)保護(hù)。

(5) 并聯(lián)變壓器采用常規(guī)斷路器使變壓器從交流系統(tǒng)中隔離開，并聯(lián)變壓器整體保護(hù)配合與常規(guī)變壓器保護(hù)沒有區(qū)別。仿真表明，區(qū)內(nèi)故障時(shí)，閥側(cè)返送電流無明顯畸變，不會(huì)對差動(dòng)保護(hù)諧波閉鎖判據(jù)產(chǎn)生影響。

本文得到國網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項(xiàng)目(J2019026)資助，謹(jǐn)此致謝！