換流變壓器差動保護對稱性涌流識別算法研究

楊陽 張文波 杜迪

摘 要：本文比較了換流變和普通變壓器在接線形式上的特殊性，分析了換流變保護差動中對稱性涌流產生的原因。根據換流變對稱性涌流的波形特征，提出了一種虛擬制動電流的構建方法，通過構建的虛擬制動電流和實際采樣電流進行波形預測，根據定義的波形系數函數進而求取波形系數，通過波形系數的差異可以有效識別對稱性涌流。通過仿真驗證，所提出的對稱性涌流識別算法可以有效避免換流變保護裝置在發生對稱性涌流時產生誤動，發生空充于故障的情況時保護可以有效動作。

關鍵詞：換流變；對稱性涌流；虛擬制動電流；波形系數

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）02-0157-04

Research on Identification of Symmetrical Inrush Current Algorithm for Converter Transformer Differential Protection

YANG Yang ZHANG Wenbo DU Di

（Hefei Electric Power Installation Co.，Ltd，Hefei Anhui 230601）

Abstract： In this paper， the particularity of converter transformer and common transformer in connection form was compared， and the cause of symmetrical inrush in differential protection of converter protection was analyzed. According to the waveform characteristics of symmetrical inrush current， a virtual restraint current construction method was proposed， virtual restraint current and actual sampling curren was used for waveform prediction， waveform coefficient was obtained according to the defined waveform function. Then the symmetrical inrush can be identified effectively by the difference of the waveform coefficient. The simulation results show that the proposed algorithm can avoid misoperation of protection device when the symmetric inrush occurs， and it can act effectively when no-load switching into fault.

Keywords： converter transformer；symmetrical inrush；virtual restraint current； waveform coefficient

1 研究背景

換流變壓器（以下簡稱“換流變”）是特高壓直流輸電系統中最重要的設備之一，其運行可靠性直接決定了特高壓直流輸電系統的整體性能。換流變壓器不同于普通電力變壓器，其在漏抗、絕緣、諧波、直流偏磁、有載調壓及試驗等電氣特征上與普通電力變壓器有很大不同[1-4]。在高壓直流輸電工程中，換流變壓器處于交流電與直流電互相交換的核心位置。換流變構成方式主要取決于直流輸電工程對傳輸容量的要求。一般特高壓系統多采用由Y/Y和Y/△兩組雙繞組變壓器與換流閥構成12脈動換流單元。特高壓系統通常采用雙極單閥組或雙極雙閥組結構。

在任何組合運行方式下，每組12脈動2臺換流變均是同時投退的，所配置主保護也包括12脈動換流變的大差保護和單臺換流變的小差保護，且均采用二次諧波制動判據。

與普通變壓器相比，換流變配置了較多的CT，因此可以配置更加復雜和完善的差動保護。同時，由于換流變壓器的短路阻抗較大，內部故障情況下差電流較小，對差動保護靈敏度也提出了更高的要求。

從換流變保護的配置可以看出，排除CT傳變特性的影響，當變壓器引線部分無故障時，大差差流始終等于兩小差差流之和。

換流變大差的勵磁涌流和普通變壓器的勵磁涌流有較大區別。普通變壓器涌流諧波含量較高，波形畸變嚴重，衰減較快；而換流變的勵磁涌流可能出現衰減較慢、諧波含量較低的情況。

產生這種不同的主要原因是，換流變大差的勵磁涌流是兩臺變壓器勵磁涌流的綜合結果。由于每臺小變壓器有自己獨立的磁回路，因此會產生獨立的勵磁涌流。當兩個勵磁涌流的二次諧波分量剛好大小接近、方向相反時，和電流中工頻分量會占據絕大部分，從而產生非常明顯的故障特征，造成差動保護誤動。

2 換流變勵對稱性勵磁涌流分析

Y/Y和Y/D兩臺變壓器雖然空充時的電壓初始相位相同，但仍然可能產生不同的勵磁涌流，主要有以下幾個影響因素：①空充前初始剩磁不同[5]；②兩臺獨立變壓器，變比不同；③鐵磁飽和特性不完全相同。

特別是部分換流變Y/Y和Y/D兩臺變壓器，可能由不同的廠家供貨。

Y/D換流變由于低壓側存在三角環，在空充過程中會出現一定的零序環流，從而對變壓器磁通產生影響。而Y/Y變壓器因為閥處于未解鎖狀態且低壓無三角環，所以空充過程中低壓側基本無電流。

可見，Y/Y和Y/D兩臺變壓器的勵磁涌流受很多因素影響，一般不會完全相同，特殊情況下和電流確實可能出現工頻分量高且直流和二次諧波含量低的情況。

此外，由于兩臺變壓器同時空充，涌流之間會相互影響，產生比較復雜的和應涌流，造成涌流衰減速度比較慢，甚至可能在一段時間內出現逐漸增大的情況。

由于Y/Y、Y/△換流變壓器的電源、合閘角等參數完全相同，因此，在系統側合閘為換流變壓器空充時，若兩換流變壓器因剩磁不同，產生的勵磁涌流相差很大，導致合成的勵磁涌流對稱性較好，差流最大相的二次諧波閉鎖功能基本上沒有作用，容易引起差動保護誤動。

換流變壓器的勵磁涌流、對稱性勵磁涌流和和應涌流現象都存在于實際直流輸電系統中。

3 勵磁涌流（對稱性涌流）判別

由于在空載合閘時采用二次諧波閉鎖方案，因此，會影響空載合閘于故障時差動保護的動作速度，且當變壓器空載合閘于對稱性涌流時，差動保護容易誤動。本方法采用一種新原理，比較波形系數R與ε（ε為設定的定值）的大小：如果R<ε，開放差動保護；否則，閉鎖差動保護。

3.1 構建虛擬制動電流

通過上述對合成電流及兩種極端情況的分析，考慮到在內部故障情況下，電流中可能含有較多的直流分量，使電流向某一方向有較大偏移，并根據電流在故障和正常空投時波形特征的差異，結合極端情況下合成電流的特征，筆者按照以下步驟進行虛擬電流的構建。①通過比較每個周期內的最大值imax與最小值imin，選取二者中絕對值小的值，記為ip.min；②以ip.min為中心分別向前向后求取1/4周期的點；③隨后根據該值的符號選取一個值ip，判斷|imax|-|imin|的方向：若|imax|-|imin|≥0，涌流向正向偏置，則求取該半個周期內的最大值ip，若|imax|-|imin|<0，涌流向負向偏置，則求取該半個周期內的最小值ip；④計算虛擬電流：該半個周期內的所有點都與ip做差，將電流轉換到時間軸的一側，作為一個新的數列，構成虛擬電流i，該虛擬電流中已經沒有直流偏置[6]。

3.2 波形預測算法及波形系數計算

在構建虛擬電流后，設k時刻的實際電流的值為ik，虛擬電流為i，且在j時刻有極值ip.peak存在，則通過波形預測，第k點的預測電流ii值為：

[iik=ip·peak?cos2πNk-2πNj，k=j-N4，L，j+N4]（1）

式中，N為每個周期的采樣點數。當Ts為采樣周期時，可以定義波形系數為：

[R=12iij-N4-ij-N4?Ts+k=j-N4+1j+N4-1iik-ik?Ts+12iij+N4-ij+N4?Ts12iij-N4?Ts+k=j-N4+1j+N4-1iik?Ts+12iij+N4?Ts =iij-N4-ij-N4+2?k=j-N4+1j+N4-1iik-ik+iij+N4-ij+N4iij-N4+2?k=j-N4+1j+N4-1iik+iij+N4]（2）

從波形系數R可以看出，分母為預測波形的面積，分子部分為預測電流波形與虛擬電流波形面積之差。通過上述公式可以了解到，在換流變壓器空充時，間斷角較大，R的分子部分較大，所計算出的R值較大；當變壓器發生故障時（包括內部和外部故障），故障電流基本為正弦波，R的分子部分較小，所計算出的R值也較小。因此，可以通過變壓器內部故障時產生的差流滿足差動保護，而外部故障時差流不滿足差動保護的要求，利用差動保護區別區內故障與區外故障。同時，差動保護也可作為虛擬電流計算及波形系數計算的啟動算法。然后，設定合理的門檻值，即可通過判別R值的大小識別換流變壓器是空充還是故障狀態[7]。

對稱性涌流識別的具體算法是：首先對合成電流進行采樣，并進行數據濾波，檢測電流是否滿足差動保護，若合成差流滿足差動，則啟動對稱涌流識別算法，先采樣一周數據，根據采樣數據構建虛擬電流，根據構建的虛擬電流進行波形預測，進而求取波形系數。根據定義的波形系數函數求取波形系數，通過比較波形系數與設定的門檻值的大小，確定換流變壓器是否發生勵磁涌流或故障電流，當波形系數大于門檻值時，可認為換流變壓器為空充狀態，閉鎖差動保護；當波形系數小于設定門檻值時，可認為變壓器發生內部故障，開放差動保護。由于合成涌流中有明顯的間斷角特征，涌流波形與預測波形的差值較大，計算的波形系數也較大；而故障電流具有正弦波的特征，故障電流與預測電流差值較小，計算的波形系數也較小。當門檻值選取過大，在空充時容易誤動，但故障時，保護的開放速度較快；而門檻值選取較小時，可以避免空充誤動，但在小匝間短路時，保護的開放速度較慢。綜合上述因素，選取門檻值。

圖1為一種適用于變壓器涌流閉鎖的綜合判別方法流程框圖。

[R

三相變壓器參數為：額定容量4.5kVA，高壓側電壓230V，低壓側電壓為230V，高壓側額定電流6.52A，空載損耗22.6W，空載電流0.25A，短路損耗20W，短路阻抗13.4%。

3.1 變壓器空載試驗

圖2（a）為系統側的合成電流，包括飽和電流與不飽和電流。從圖上可以看出，在換流變壓器空充時，會導致電流互感器飽和。由于合成電流的對稱性不是很好，致使涌流中二次諧波含量較高，諧波的制動作用較強，不會引起保護的誤動。求取合成電流的波形系數，所求取的波形系數大于門檻設定值，如圖2（b）所示，該算法能可靠地制動差動保護，防止誤動。

[t/s][t/s][t/s][iB/A][iA/A][iC/A]

（a） 合成電流