兩種星角換流變壓器差動保護方案比較

劉家軍 任 杰 杜延輝

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.安徽送變電工程公司，安徽 合肥 230000）

兩種星角換流變壓器差動保護方案比較

劉家軍1任 杰2杜延輝1

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.安徽送變電工程公司，安徽 合肥 230000）

本文論述了直流輸電中兩種星角換流變壓器差動保護的方案。一是許繼換流變壓器差動方案，其采用網側首端電流和閥側首端電流；另一種是ABB換流變壓器差動方案，其采用網側首端電流和閥側首端電流及尾端電流的平均值。闡述了換流變壓器差動區內閥側相間短路時兩種方案下保護的動作行為和靈敏度計算。通過建模仿真并輔以南方電網在許繼集團的換流變壓器保護試驗中的數據和波形為佐證。綜合分析后得出：在直流輸電系統中，由于星角換流變壓器差動保護采用套管TA，其閥側相間短路時，兩種差動保護方案均能正確動作。同時指出從靈敏度校核來看，許繼換流變壓器差動方案優于ABB方案。

高壓直流輸電；星角換流變壓器；套管；電流互感器；差動保護；靈敏度；RTDS

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[1]。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和星星接法的變壓器構成[2]。因為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，所以，換流變的保護功能應該根據其自身的特點盡可能地完善和可靠。換流變和普通電力變壓器相比，有自己的獨特之處。換流變短路阻抗大、有載調壓范圍廣、差動保護均采用套管TA。因此，換流變保護裝置與常規的電力變壓器保護裝置在保護配置上有很大的不同。換流變保護裝置通常配置有如下保護：換流變引線和換流變差動保護、換流變差動保護、引線差動保護和換流變繞組差動保護等[3-5]。本文只專門針對星角換流變差動保護，星星換流變差動保護不在討論范圍之內。

1 換流變差動保護原理

差動保護是換流變的主保護，換流變差動保護一般采用比率制動式差動保護，以雙繞組換流變為例，保護配置圖如圖1所示：

圖 1 換流變差動保護配置圖

2 換流變差動保護動作行為和靈敏度校驗

依據中國南方電網電力調度控制中心繼電保護處下發的定值單，普洱站星角換流變差動保護的定值如表1所示：

表 1 普洱站星角變換流變保護定值單

由中國南方電網電力調度控制中心繼電保護處調查知；系統最小運行方式下星角換流變閥側三相短路時的最小短路電流，I（3）V·min=3.3kA=4.0Ie。

下面分析計算當星角換流變差動保護區內閥側相間短路時兩種保護方案下換流變差動保護的動作行為及其靈敏度。本文統一采用系統最小運行方式下換流變差動區內閥側相間短路來計算，在該故障下，計算條件更加苛刻，更不利于保護，故所得結論更有利。需要特別說明的是：依據文獻[6]和[7]中相關說明，換流變差動保護應根據系統最小運行方式下閥側兩相短路來校核，實際上由于采用套管TA，該結論值得商榷，換流變差動保護應按系統最小運行方式下三相短路校核，見如下驗算。因而，本文將分別計算閥側兩相短路和三相短路時換流變差動保護的靈敏度。

對于星角換流變，其特殊之處在于采用了套管TA，因而差動區內閥側上兩相短路時，網側和閥側的套管TA都會感受到故障電流，如圖2所示，黃、綠、紅色表示A、B、C相，表征星角換流變閥側兩相短路時的短路電流。

由圖2中推導：

1）采用許繼換流變差動保護方案時，以A相為例，

圖 2 星角換流變閥側AB相間短路時故障電流分布

則星角換流變差動保護的靈敏系數為：

滿足要求，保護可靠動作。

2）采用ABB換流變差動保護方案時，以A相為例，

則星角換流變差動保護的靈敏系數為：

滿足要求，保護可靠動作。

同樣的，當星角換流變閥側上三相短路時，各側電流分布如圖3所示，黃、綠、紅色表示A、B、C相表征星角換流變閥側三相短路時的短路電流。

圖 3 星角換流變閥側三相短路時故障電流分布

1）采用許繼換流變差動保護方案時，以A相為例，

由圖3中推導，以A相為例，

則星角換流變差動差動保護的靈敏系數為：

滿足要求，保護可靠動作。

2）采用ABB換流變差動保護方案時，以A相為例，

則星角換流變差動差動保護的靈敏系數為：

滿足要求，保護可靠動作。

從上述理論計算中可以得到：無論是采用許繼還是ABB的換流變差動保護方案，系統最小運行方式下星角換流變差動保護區內閥側相間短路時，換流變差動保護均能正確動作，且靈敏系數滿足要求。相比較，許繼換流變差動保護方案靈敏系數更高，保護更靈敏。下面將通過建模仿真和RTDS試驗來驗證圖2和圖3的正確性[8-9]。

3 MATLAB建模仿真

圖 4 星角換流變閥側AB相間短路時故障電流分布

圖 5 星角換流變閥側三相短路時故障電流分布

在MATLAB中建立基于12脈動換流器的直流輸電模型，其中換流變采用了6臺分相的星角換流變和星星換流變。模擬星角換流變差動區內閥側AB相間短路和三相金屬性短路，測量此時流經星角換流變網側和閥側的故障電流，分別如圖4和圖5所示。

圖 6 星角換流變閥側AB短路時保護裝置錄波波形

圖 7 星角換流變閥側ABC短路時保護裝置錄波波形

從仿真結果中可見，星角換流變差動保護區內閥側AB相間短路和三相短路時，測量流經其網側和閥側各相故障電流的幅值和相位，分別與圖2和圖3中標示的相符[10-11]。

4 南方電網RTDS試驗

南方電網于2012年5月到7月期間在許繼集團進行了糯扎渡直流輸電換流變保護裝置RTDS試驗，現羅列出星角換流變差動保護區內閥側AB相間短路和三相短路時換流變保護裝置的錄波波形，分別如圖6和圖7所示。

以上波形分別由實驗項目1.26和1.27得到。實驗項目1.26：功率傳輸方向為普洱至江門，單極大地運行方式，輸送功率2500MW，星角換變差動區內閥側AB相間短路，故障持續200ms；實驗項目1.27：功率傳輸方向為普洱至江門，單極大地運行方式，輸送功率2500MW，星角換流變差動區內閥側三相短路，故障持續200ms。從波形中不難看出，星角換流變差動區內閥側AB相間短路和三相短路時，測量流經其網側和閥側各相故障電流的幅值和相位，分別與圖2和圖3中標示的相符。

5 結語

本文闡述了許繼和ABB兩種不同的換流變差動保護方案原理，分析并計算了當星角換流變差動保護區內閥側相間短路時兩種保護方案下差動保護的動作行為及其靈敏度。綜合分析指出：由于采用套管TA，當星角換流變差動區內閥側相間短路時，兩種保護方案均能可靠動作。從靈敏度校核來看，許繼換流變差動方案優于ABB方案。

[1]戴熙杰.直流輸電基礎[M].北京：水利電力出版社，1990.

[2]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

[3]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.

[4]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.

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

[6]國家能源局.DL/T277-2012高壓直流輸電系統控制保護整定技術規程[S].北京：中國電力出版社，2012.

[7]國家能源局.DL/T684-2012大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則[S].北京：中國電力出版社，2012.

[8]趙強.寧東直流山東側電網穩定控制措施研究[J].中國電力，2012（4）：5-9.

[9]鐘勝.哈鄭直流工程投運初期對新疆電網影響分析[J].中國電力，2012（12）：48-51.

[10]張紅躍.換流變大差保護勵磁涌流識別的思考[J].電力系統控制與保護，2011（20）：151-154.

[11]朱韜析，王超.天廣直流輸電換流變壓器保護系統存在的問題[J].廣東電力，2008（1）：7-10.

TM407

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1671-0037（2014）12-90-3

劉家軍（1987-），男，學士，助理工程師，研究方向：電力系統繼電保護裝置的研究和開發。