交直流碰線故障對變壓器差動保護影響的實證分析

顧喬根， 呂 航， 王玉龍， 程璐璐， 薛海平

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102; 2. 南瑞集團公司(國網電力科學研究院),江蘇 南京 211106)

0 引言

由于我國電能生產中心與負荷中心的地理距離較遠，容易出現供能側產能送不出、需求側用電緊張的情形。為解決電能的高效傳輸問題，我國將建設以特高壓交流、特高壓直流輸電技術為基礎的電力骨干網。特高壓輸電是解決大容量、遠距離電能輸送問題的良好技術手段，但特高壓輸電的電力走廊要占用日益緊張的土地資源，因此，特高壓交流、直流線路共用走廊的情況難以避免[1-2]。雖然目前工程應用中還沒有交/直流線路同桿塔布局情況，但是不排除將來會出現這種輸電布局的可能。與交/直流獨立輸電方式不同，同塔架設的交直流線路，或交直流輸電線路臨近、互相跨越，將引出一系列新的問題[3-4]，如運行的交流線路會對鄰近的直流線路產生電磁耦合效應，產生交流電場、直流電場混合現象。這種情形長期運行后，可能導致交直流輸電線路發生碰線故障。

常規超高壓、特高壓交流電網常用的幾種繼電保護元件，包括工頻變化量距離元件、零序方向元件、負序方向元件、縱聯差動元件和阻抗元件，算法比較成熟[4-6]。這些保護元件均是基于交流系統接地、相間或者交流跨交流故障的電氣特征分析來建立的。當交流電網和直流電網發生碰線故障時，直流短路電流與交流短路電流混疊，將會給傳統的繼電保護帶來哪些影響，目前相關研究還不多見，特別是對于易受直流電流的元件會帶來哪些影響，如電力變壓器是否因此飽和進而導致保護誤動，有待進行深入研究[7]。

本文從變壓器差動保護角度出發，根據實際工程的仿真模型，仿真交流變壓器差動保護在交直流碰線故障下的波形特征，探討常規變壓器差動保護在此類故障情況下的適應性。

1 交直流碰線故障的故障過程

對交流電網中性點接地系統，分析交直流碰線故障后的故障電流，如圖1所示。

圖1 交直流碰線故障電流示意圖Fig.1 Current schematic diagram of AC/DC Touch Fault

如圖1所示，UF為等效的故障電源，故障電流的主要流向如圖中①、②、③、⑤所示。此外，故障電流還會通過直流雙極線路間的相感流過，如圖中的流向指向④所示；故障電流還將通過交流相間互感流通，如圖中的流向指向⑥、⑦所示。

對中性點不接地的交流電網，發生交直流碰線故障后，故障電流只能通過線路對地的互感流通，其故障電流值較小。

對于中性點接地的交流電網，如圖1所示的M端、N端構成的交流電網，如果發生交直流碰線-接地故障，故障電流將經故障點的接地點流通，此時流入交流系統的直流分量較小。如果發生交直流碰線-不接地故障，故障電流將經交流系統的中性點的接地點流通，從而造成較大的直流短路電流流經交流電網，進而對電網設備、繼電保護正常運行造成影響。

2 交流保護的影響性評估

當發生交、直流線路相碰，交流直接將基本分量注入直流輸電線路，同時，直流電流竄入交流系統中。一方面直流線路中將會出現工頻交流分量，使交流系統中出現二次諧波激勵，直流系統將產生較大基波，交直流的不斷相互激勵進一步增加諧波的不穩定，造成電氣量畸變，影響系統的安全運行及繼電保護的適應性。另一方面，直流電流竄入變壓器后，將在變壓器本體中產生直流偏磁，可能造成變壓器鐵心磁通飽和[6-8]，這不僅對變壓器安全造成損害，還將進一步影響變壓器差動保護的適應性，造成保護誤動進而擴大事故。

目前，實際工程中較為常見的是交流輸電線路、直流輸電線路交叉跨越的情形，可能發生的故障點集中在輸電桿塔及輸電線路上。變壓器通常坐落于變電站內，設備自身占地面積相對較小，變壓器差動保護范圍僅限變壓器本體及引線部分，發生碰線故障的概率較小。因此本文著重分析發生碰線故障后變壓器差動保護的防誤特性，不考慮碰線故障發生在變壓器差動保護區內。

3 交流220 kV變壓器差動保護故障特性仿真

3.1 仿真模型

本文采用PSCAD/EMTDC數字仿真軟件，構建交直流互聯電網仿真模型，模擬交流線路與直流線路的各種碰線故障，通過仿真軟件輸出故障錄波文件，通過對故障錄波文件的分析研究故障時的電氣特征及繼電保護元件的響應。

本文仿真采用的直流輸電系統基于實際運行的±500 kV金中直流輸電工程，構建的直流部分仿真模型，與實際系統高度一致，工程參數如下。

直流線路長度為1100 km，采用依頻模型，桿塔主要參數為：4分裂導線、兩極線離地高度為30 m、相距20 m，兩地線離地高度41 m、相距20 m；閥控制保護系統為金中換流站實際使用的控保系統。

為了便于研究，保留一條交流線路，并對兩側的交流電源進行適當簡化等值。在仿真模型中，交流系統與直流系統相互獨立，交流線路與直流線路之間僅通過仿真故障控制器連接，這樣處理是為了著重仿真交直流線路交叉跨越時的碰線故障。設置交流系統的輸電線路(M—N端)長度為220 km。參考廣州地區2017年豐大年短路電流計算數據，設置交流系統短路容量為16 949 MV·A，正序電阻、電抗分別為0.256 Ω，3.026 Ω；負序電阻、電抗分別為0.289 Ω，2.773 Ω；零序電阻、電抗分別為0.705 Ω，6.49 Ω。

設置變壓器差動保護啟動值為0.3Ie，縱差涌流閉鎖方式為二次諧波閉鎖，設置涌流閉鎖定值為15%。交直流線路碰線故障示意圖如圖2所示。

圖2 交直流線路碰線故障示意圖Fig.2 Schematic diagram of AC/DC touch fault

本文采用的分析方法包括：(1) 根據金中換流站實際工程應用的PSCAD直流模型，搭建交直流碰線故障仿真系統；(2) 基于基本的繼電保護原理，利用matlab軟件構建模擬實際繼電保護元件的數學模型，模擬超高壓、特高壓電網常用的縱差保護。圍繞這幾種情況下各自的特性，分析其在交直流碰線中的適應性，并結合仿真得到的故障電氣量數據檢驗其動作行為是否可靠。

同時，對交流和直流線路部分選取不同的故障點，進行不同類型的碰線故障，比較分析故障結果，選擇有代表性的輸電線路和故障點作為重點研究對象。

本文仿真模型設置直流系統啟動時間為12 s，以確保故障前系統已穩定。設置故障起始時刻為第12 s，故障持續時間1 s，故障消失后系統恢復時間7 s，共計設置仿真時間20 s(下文分析圖形略去了仿真過程前10 s直流系統啟動過程)。

對于交流系統M端、N端電流特征而言，雖然交直流碰線故障點本身沒有接地，但由于與直流線路相碰，直流系統通過接地極極線接地，從而交流短路電流能夠形成回路[8]。由于這種故障形式與一般的交流接地故障不同，顯然交直流故障下交流故障回路的短路阻抗要大于一般性交流接地故障。圖3給出了M側線路近端故障時的短路電流對比。

圖3 線路短路電流對比Fig.3 Comparison of line fault current

由圖3可見，由于短路阻抗的影響，同等條件下，不接地碰線故障時的線路短路電流要明顯小于一般性接地故障。文獻[9]給出的仿真結論，在特定的線路保護定值下是成立的。但對于更一般的線路保護定值整定，以及考慮直流短路電流對互感器的不利影響[10-11]，線路保護可靠性和靈敏性不可避免地會降低[12-17]。本文不進一步展開討論線路保護問題，基于交流線路保護還存在較大的不確定性[18-19]，僅假設1 s的仿真過程中，線路保護未動作，線路開關不斷開。

3.2 閥保護投入時220 kV變壓器近端三相區外不接地碰線

一般而言，交直流碰線故障后不管直流線路主保護是否動作，故障一直持續下去交直流碰線保護將會動作(交直流碰線保護延時定值設置得較長也會滿足條件而動作)。交直流碰線保護動作后采用南網工程的緊急停運(ESOF)。緊急停運整流站采取快速移相閉鎖(約20 ms)，逆變站采取投旁通對閉鎖(旁通對時間約1.2 s)。

根據閥控制保護策略，當故障發生碰線保護動作后，直流系統將進入自重投過程。如果碰線故障點為永久性故障，這個過程將逐步加劇直流短路電流對交流系統的沖擊。

分析這個過程可以預見，故障后閥控制系統迅速停運，變壓器短時內流經非周期分量，變壓器飽和程度較低。由于故障為永久性存在，在接下來的閥控制系統幾次自投的暫態過程中，反復有短時非周期分量流經變壓器繞組，導致變壓器飽和程度逐步加深。

仿真直流保護投入的情況下，發生變壓器ABC三相區外永久性不接地碰線故障。計算本故障下的變壓器縱差差流，波形特征如圖4。由于直流系統保護動作迅速，變壓器只短時流經非周期分量，變壓器飽和程度較低，差流小于差動門檻。隨著閥控制系統多次重投，差流逐漸上升，很可能達到動作門檻，但這個過程中，由于差流中二次諧波含量很高，勵磁涌流判據能夠起到制動差動保護的作用。

圖4 本故障下的變壓器縱差差流波形Fig.4 Waveform of differential flow under this fault

3.3 遠端碰線故障時的變壓器縱差保護

圖1所示的故障電源產生的短路電流流入交流系統時，依然要遵循基爾霍夫定律。因此假設M、N側均存在接地中性點時，當碰線故障發生在近N側，故障點-M側、故障點-N側構成并聯回路，當故障點越靠近N側，故障點-M側串入的線路阻抗越大，進而流入M側的直流分量越小。

仿真碰線故障發生在交流輸電線遠端(200 km)時，發生變壓器區外ABC三相碰線故障。

故障后，高壓側三相電流降低，沒有檢測到明顯的直流偏置。系統重新投入后，變壓器也沒有飽和跡象。故障過程中縱差差動保護差流如圖5所示。

圖5 本次故障縱差差流波形Fig.5 Waveform of differential protection flow

由圖5可見，當交直流碰線故障點發生在輸電線路遠端時，直流短路電流的流向遵循基爾霍夫定律，它選擇阻抗較小的回路流入大地，即本次故障中，短路電流經線路遠端的中性點流入大地，因此本側變壓器基本無直流偏置情況，從而變壓器縱差保護也沒有產生明顯差流。

3.4 閥保護失靈時變壓器近端區外不接地碰線故障

分析交直流碰線故障時閥保護失靈，旨在仿真直流短路電流長時間通過變壓器繞組的情形。

當發生變壓器A相區外近端不接地碰線故障，故障后直流短路電流經變壓器高壓側中性點的接地點流入大地。由于故障后直流系統沒有迅速退出，短路電流大、持續時間長，此工況下交流變壓器受影響程度深。

計算本故障下的變壓器縱差差流，并進行諧波分析。故障開始后200 ms內的差流波形如圖6，計算故障全過程的差流有效值如圖7。故障后，變壓器進入暫態飽和，變壓器相電流、縱差差流中的二次諧波含量豐富，如圖8。

圖6 縱差差流波形Fig.6 Waveforms of differential protection flow

圖7 縱差差流有效值Fig.7 Amplitude of differential protection flow

圖8 故障電流的二次諧波含量Fig.8 The harmonic components of the fault current

經計算，故障期間縱差差流已滿足差動保護制動特性曲線，理論上可以動作，但由于二次諧波含量高，涌流特性明顯，勵磁涌流判據能夠起到制動差動保護的作用。此外，差流未達到速斷定值。

4 500 kV變壓器差動保護的故障特征

4.1 含并聯高抗線路近主變端AB相碰線故障

考慮500 kV輸電線路含并聯高抗接入的情況，在圖2所示的M—N輸電線路中，增加并聯高抗。由于高抗存在經中性點小抗的接地點，從變壓器的角度來看，相當于在變壓器中性點的接地點之前，并接了一個接地點。

雖然高抗和變壓器同屬于感性元件，但變壓器存在鐵芯進行磁鏈交換。當直流電流流入變壓器繞組時將在鐵芯中建立起直流磁通，受磁阻的影響，變壓器整體呈現的阻抗必然要大于無鐵芯的高抗，因此當發生碰線故障時，短路電流將優先經高抗流入大地。

仿真在閥控制保護不投入的情況下，發生升壓變AB相區外不接地碰線故障。

波形特征：故障后，交流短路電流穿越性流向500 kV短路點。各側交流短路電流的流向上，呈典型穿越性區外故障特征。同時，直流短路電流直接經并聯高抗的中性點流入大地，流經變壓器的直流電流極小。

計算故障時刻的差流，故障開始后200 ms內的差流波形見圖9。由圖9可見，碰線故障時，縱差保護產生的差流極小，整體呈區外穿越性故障特征。縱差保護不會誤動。

圖9 三相故障時縱差差流波形Fig.9 Waveform of differential protection flow

4.2 不含高抗的線路近主變端發生區外碰線故障

自耦變壓器具有耗材少、結構簡單的優點，因此在相同的運輸條件下，自耦變壓器的容量可以比普通兩繞組、三繞組變壓器更大，廣泛應用于超高壓輸電網中。自耦變壓器額定容量大、電壓等級高，其鐵芯截面積更大，因此對于相同短路容量的直流故障量，自耦變壓器具有更好的抗飽和能力。當變壓器區外發生碰線故障時，中壓側電源將提供交流短路電流，流向短路點，整體呈穿越性特征，直流短路電流將經自耦線圈直接流入大地。

在仿真閥控制保護不投入的情況下，發生聯絡變A相區外不接地碰線故障，受PSCAD仿真模型限制，500 kV自耦變采用兩側繞組的變壓器模型分析。

故障后，交流短路電流穿越性流入500 kV短路點，呈穿越性區外故障特征；故障后，變壓器A相電流出現一定直流偏置情況；故障后約500 ms，變壓器逐步出現穩態飽和現象。計算本故障下的變壓器縱差差流，波形特征如圖10。

圖10 本次故障縱差差流波形Fig.10 Waveform of differential protection flow

如圖9可見，碰線故障開始一段時間內，變壓器未進入飽和態，此時間段內，變壓器差流很小；故障后約500 ms直至故障切除，變壓器逐步進入飽和態。同時，在故障切除后，系統恢復時，變壓器產生恢復性涌流，產生的差流越過差動門檻，滿足差動保護動作條件，但此時差流波形偏于時間軸一側，諧波含量較高，勵磁涌流判據、電流互感器(CT)飽和判據能使差動保護可靠制動。

當發生三相對稱性碰線故障時，由于自耦變相與相之間沒有直接的電磁連接，短路點提供的直流短路電流分別流入三相系統，各相承受的直流電流大為降低，緩解了變壓器的飽和程度。

故障后，交流短路電流穿越性流入500 kV線路的短路點。短路電流流向上，呈穿越性區外故障特征。從波形特征上看，三相短路故障時，變壓器飽和程度顯著低于不平衡故障，故障期間產生的縱差差流很小，保護沒有誤動風險。

計算故障時刻的差流如圖11所示。三相短路故障時，變壓器飽和程度顯著低于不平衡故障，故障電流整體呈理想的典型區外穿越性故障特征，差流極小。現實中如果發生區外三相故障，由于CT暫態特性、故障電流的非周期分量等因素，差動保護會產生較小的差流，但制動電流遠大于差動電流，保護沒有誤動風險。

圖11 本次故障縱差差流波形Fig.11 Waveform of differential protection flow

5 仿真結果分析

匯總各電壓等級、各系統工況情況下，交直流碰線故障下的差動保護特性，如表1、表2。

表1 220 kV變壓器區外不接地碰線故障Tab.1 Ungrounded AC/DC touch fault outside 220 kV transformer protection range

表2 500 kV變壓器區外不接地碰線故障Tab.2 Ungrounded AC/DC touch fault outside 500 kV transformer protection range

根據上文的仿真結果可以看出，交直流碰線故障后，當直流短路電流流過變壓器繞組，經變壓器中性點流出時，變壓器鐵芯容易因直流偏磁而導致鐵芯飽和。造成變壓器直流偏磁的影響因素包括：系統阻抗分別、閥控制保護特性、變壓器自身容量及結構等。具體而言，可以形成如下幾點結論：

(1) 低電壓等級、小容量變壓器易飽和，產生差流能越過制動門檻，差動進入動作區。高電壓等級變壓器進入飽和較慢，產生差流較大的區域在恢復期間。

(2) 變壓器受直流偏磁影響程度，取決于系統阻抗分布。流入變壓器越多，變壓器越容易飽和。當故障點遠離目標變壓器時，變壓器受影響程度低。變壓器飽和后，勵磁涌流判據能起到一定制動作用。

(3) 當故障點附近安裝并聯高抗時，直流短路電流經高抗中性點流入大地，變壓器受影響程度小。類似地，當發生碰線接地故障情況下，直流短路電流直接入地，變壓器不受影響。

(4) 發生交直流碰線故障后，故障點臨近的變壓器應盡快安排變壓器鐵芯的去磁維護工作。

變壓器進入飽和態后，鐵芯勵磁阻抗降低，原邊勵磁電流上升。原副邊開關電流的不平衡造成變壓器差動保護被推向動作區。總結起來，弱系統制動電流小，飽和后容易進入差動保護動作區，強系統制動電流大，飽和后仍能保證一定的制動特性。

對于交直流同塔線路臨近的低電壓等級、小容量變壓器，變壓器差動保護定值宜適當提高，以提高差動保護制動區間，增強防誤特性。

6 結語

本文根據實際直流工程應用的PSCAD仿真模型，搭建了交直流共存的故障仿真模型，仿真并分析了220 kV，500 kV常見場景發生交直流輸電線路碰線故障特征。仿真表明，當較低電壓等級的交流系統發生交直流碰線故障時，交流系統的變壓器容易進入飽和狀態，進而帶來變壓器差動保護誤動的風險。對于高電壓等級的交流變壓器，雖然不至于使變壓器迅速進入飽和態，但直流短路電流產生直流磁通不容忽視，也應引起重視。交直流碰線故障，本質上沒有脫離電力系統短路計算的分析范疇，系統結構和組成的變化，也將對短路電流的分布和流向產生影響。

應當看到，對于交直流碰線故障的研究，還有許多內容需要進一步開展，例如：實際電網發生故障時，故障特性要比實驗仿真復雜，電流互感器、電壓互感器受直流偏磁影響后，可能影響其傳變特性，進而進一步對差動保護、阻抗保護等造成不利影響。另外，故障后交流系統的故障非周期分量與直流短路電流的相互作用，也需要進一步研究。