銀東直流換流變飽和保護動作分析與改進措施

吳明凱，劉 亮，楊 晨，王曉東，陳昊陽

（國網寧夏電力有限公司超高壓公司， 寧夏 銀川 750001）

直流輸電工程中， 接地極直接為直流系統傳導中性點電流， 并鉗制中性點處于零電位。 當系統在非雙極對稱運行方式下會改變接地極的電位， 導致流過接地極的電流會通過換流變壓器中性點流過變壓器繞組[1-2]， 使得換流變壓器發生直流偏磁[3-6]， 如果直流偏磁持續時間過長， 將導致直流閉鎖， 破壞電力系統穩定運行[7-8]。

本文通過一起銀東直流因換流變飽和保護動作引起的直流閉鎖事件對直流偏磁產生機理及飽和保護進行分析， 針對已經投運直流輸電工程出現直流偏磁及換流變飽和保護告警時故障處理提出改進措施， 對保障換流變壓器的安全穩定運行具有借鑒意義。

1 直流偏磁的基本原理

1.1 直流偏磁的定義

雙極對稱運行方式下， 換流變壓器的鐵芯工作在非飽和狀態， 產生的勵磁電流為周期變化的正弦波， 其數值較小可以忽略不計； 當星接換流變中性點流入直流分量， 將會引起勵磁電流向軸側偏移，換流變鐵芯工作點隨之移動到磁化曲線飽和段， 鐵芯工作狀態由非飽和狀態進入飽和狀態， 產生波形畸變、 數值突增、 諧波含量劇增的勵磁電流。 在實際直流輸電工程中， 換流變壓器直流偏磁的限值根據計算設定為1.1 倍換流變額定勵磁電流[9]， 或小于等于10～15 dB[10]噪聲增量。

1.2 直流偏磁產生的原因

1.2.1 換流站及其附近的電位變化

直流輸電工程正常運行時， 由于雙極運行功率幾乎無差， 流入接地極的電流可以理解為正負抵消接近于零。 而在不對稱運行工況時， 接地極由于正負電流不平衡， 抬高系統地電位， 與變壓器中性點形成電流回路， 嚴重時產生直流偏磁現象。

1.2.2 觸發角異常

正常情況下， 換流閥一個閥導通時間為120°，按照閥1～閥6 順序依次導通， 流過換流變壓器閥側的電流在正負半周是對稱的， 換流變閥側繞組無直流電流流過， 換流變不產生直流偏磁。 但是換流閥在現場運行過程中， 會出現閥誤導通或不導通的情況， 這種觸發角異常會導致換流變閥側的電流出現直流電流分量， 從而在換流變壓器中產生直流偏磁現象。

1.2.3 直流線路與交流線路相鄰

在直流系統運行的過程中， 直流電流（包括以12k 次為主的諧波電流） 流過直流線路， 由于換流閥不斷地進行換相， 換流變網側繞組中會有諧波電流出現， 當此電流大于一定值時， 會導致換流變產生直流偏磁現象， 持續時間過久會引起飽和保護動作。

1.3 直流偏磁的危害

1.3.1 噪聲增大

根據數據分析及現場應用情況， 當換流變壓器發生直流偏磁現象時， 換流變運行時產生的噪聲會根據直流偏磁的程度成倍增加。 而當噪聲頻率與換流變內部部件發生頻率共振時將會產生更大噪聲。

1.3.2 振動加劇

當換流變出現直流偏磁現象時， 換流變鐵芯在一定周期內出現磁飽和， 從而畸變勵磁電流突增導致磁滯伸縮加劇， 進而導致換流變鐵芯振動加劇。

1.3.3 局部過熱

換流變內部位于鐵芯表面的鐵芯拉板或支撐板， 在換流變發生直流偏磁后， 會存在半個周波的高磁場， 進而造成拉板或支撐板溫升激增引起局部過熱。

1.3.4 系統電壓下降

換流變發生直流偏磁后， 會產生波形畸變且數值突增的勵磁電流， 引起系統無功需求劇增。

如果換流站內交流濾波器或調相機等無功補償裝置不能滿足無功需求， 電網交流系統電壓將會下降。

2 換流變飽和保護

2.1 換流變飽和保護基本原理

當實際直流工程在雙極不對稱方式工況下運行時， 會有直流電流由換流變壓器中性點流入變壓器， 如果此電流長時間存在會引起換流變壓器鐵芯飽和并且導致換流變壓器產生突增且畸變的勵磁電流。 在中性點沒有安裝直流電流互感器的情況下，現場通過間接計算得出流入變壓器中性點的直流電流。

飽和保護監測換流變壓器一次側中性點電流，采用多段折線構成的反時限動作曲線來反映直流電流的大小。 飽和保護配置有告警段和跳閘段。 告警段只會產生告警信號， 跳閘段通過時間-電流坐標模擬反時限曲線原理， 其邏輯見圖1。

圖1 飽和保護動作原理圖

2.2 銀川東換流站飽和保護配置情況

銀川東換流站飽和保護采集換流變壓器中性點電流I0在連續6 個周期內（120 ms） 的每個周期中最大值， 采樣頻率為1 200 Hz， 去掉最大值和最小值后， 取剩下4 個值的平均值作為換流變星接網側中性點電流峰值計算值I0fz， 等效為流入換流變壓器的直流電流的大小。 實際直流工程中飽和保護告警段只設置定時限段， 其動作條件是流過中性點電流峰值大于整定值時， 飽和保護告警動作， 向運行人員工作站發出換流變飽和保護告警信號； 實際直流工程中反時限跳閘整定6 個定值（包括中性點電流峰值I0fz和動作時間T） ， 通過對計算電流與整定值進行曲線擬合， 來實現飽和保護跳閘。 當I0fz大于反時限最小值時， 反時限邏輯啟動， 計算進行時間， 對應6 個不同的定值， 計算不同的跳閘時間，當時間滿足時啟動跳閘邏輯， 從而達到保護跳閘目的。 當I0fz大于反時限上限值時， 飽和保護按照反時限上限值計算的時間進行跳閘。 當飽和告警或跳閘后， 只有中性點電流峰值I0fz連續100 ms 小于反時限下限時， 飽和告警和跳閘才能被復歸， 計時器清零。

實際直流工況中， 為保持換流變飽和保護與其發生的直流偏磁嚴重程度一致， 在進行時間定值整定時， 按照延時時間從大到小依次整定t1～t6， 分別對應第一點延時時間到第六點延時時間， 反時限上限、 下限分別對應t 上限、 t 下限。 根據銀東直流工程飽和保護定值繪制的反時限曲線見圖2。

圖2 銀川東換流站換流變飽和保護反時限曲線

當換流變零序保護1 段、 零序保護2 段、 零流反時限告警和零流反時限動作后閉鎖直流飽和保護（包括直流飽和告警和反時限跳閘）。

3 故障時刻波形分析

3.1 故障簡述

2022 年3 月24 日19 時18 分， 膠東換流站極Ⅱ換流變保護A 套飽和保護動作， 極Ⅱ閉鎖。 產生保護動作的原因為銀東直流極Ⅱ單極大地回線運行方式下， 產生直流偏磁， 膠東站A 套換流變保護電流采樣零漂較大， 在單極大地回線單極滿負荷運行方式下引起換流變中性點流入直流， 達到飽和保護動作定值， 極Ⅱ閉鎖， 功率損失1 980 MW。 為此，對銀川東換流站不同運行工況下的換流變網側星型中性點電流進行分析。

3.2 故障時刻銀川東換流站波形分析

銀川東換流站調取3 月24 日19 時18 分， 極Ⅱ閉鎖時刻故障錄波（功率1 980 MW，電流3 000 A）并進行分析， 發現換流變網側星型中性點電流有輕微偏移， 存在較輕微的直流偏磁現象（見圖3） 。 錄波顯示， 閉鎖前中性點電流最大值為0.007 A（二次值）。

圖3 閉鎖前極Ⅱ換流變波形

銀川東換流站調取3 月25 日9 時48 分， 雙極平衡運行波形（功率2 000 MW， 電流1 515 A） 并進行分析， 發現換流變網側星型中性點電流無偏軸運行情況， 系統平衡運行良好。 錄波最大值（二次值） 為0.007 A， 換流變保護采樣值與故障錄波采樣值一致（見圖4、 圖5）。

圖4 雙極平衡運行極Ι 換流變波形

圖5 雙極平衡運行極Ⅱ換流變波形

銀川東換流變飽和保護分別投入告警段與反時限段。 其中， 告警段定值為0.055 A， 延時500 s 動作； 反時限下限定值為0.094 A， 延時5 000 s 動作。 根據上述兩種情況分析， 閉鎖前時刻網側星型中性點電流值（二次值） 遠遠小于告警段定值， 更小于反時限定值（0.007 A＜0.055 A＜0.094 A） 。 雙極平衡運行同理。

根據上述時刻電流波形分析， 在極Ⅱ單極大地運行時， 系統存在較輕微直流偏磁現象。 在此期間， 閥控系統運行正常， 交流系統運行正常， 因此排除由觸發控制系統異常或交流系統異常造成觸發角異常導致的直流偏磁現象。 隨后調取極Ⅱ單極大地運行工況、 極Ⅱ單極金屬運行工況及雙極平衡運行3 種工況， 對中性母線電壓UDN 進行分析。 在雙極平衡運行時， UDN 在零電位左右。 在單極金屬運行工況下， UDN 為29 kV 左右（該運行方式下，逆變站為接地站， 整流站UDN 不等于0 為正常現象） 。 單極大地運行工況下， UDN 為37 kV 左右。對比發現， 在單極大地運行工況時， 中性線電壓稍有抬高， 與網側中性點零電位點形成電勢差， 導致輕微直流電流流入換流變網側中性點， 造成星型網側中性點電流向一側偏軸（見圖6～第97 頁圖8）。

圖6 單極大地運行工況

圖7 單極金屬運行工況

圖8 雙極平衡運行工況

綜上所述， 本次單極大地回線運行方式下， 由于接地極地電位升高， 進而造成輕微直流偏磁現象的發生。

4 改進措施

針對已投運的直流工程， 在單極大地運行時易發生直流偏磁引起換流變飽和保護動作的情況， 提出以下改進措施。

對現場運行規程進行補充完善。 在直流系統出現單極大地運行情況時， 現場人員應第一時間檢查保護裝置及故障錄波采樣， 判斷換流變網側星型中性點電流運行是否存在偏軸現象， 有無直流電流流入換流變網側中性點。

換流變飽和保護告警后， 現場應結合后續操作， 建議下一步需投入另一極， 盡快降低系統運行功率和電流， 否則將單極大地運行方式轉為單極金屬運行方式。

建議研究換流變飽和保護動作增加回降功率動作段的可行性， 并固化回降功率定值。

5 結束語

本文對直流偏磁的定義及目前換流變壓器產生直流偏磁的原因進行分析， 在此基礎上對銀東直流發生的一起由于直流偏磁引起的換流變壓器飽和保護動作事件進行針對性分析， 從換流變壓器飽和保護的原理、 配置及故障時刻電壓、 電流波形， 分析本次銀東直流換流變壓器飽和保護動作情況。 最后針對已投運的直流工程在單極大地或雙極不平衡運行工況下易發生直流偏磁進而引起換流變飽和保護動作， 提出兩點改進措施。