直流输电中换流变压器零序过流保护的探讨

直流输电中换流变压器零序过流保护的探讨
刘家军;罗明亮;徐玉洁
【摘要】针对银川极l换流变压器在空充时Y0/Y换流变零序过流误动导致开关跳闸这一事故展开思考,通过理论分析发现,换流变压器网侧发生接地故障时,流经
Y0/Y换流变压器中性点和Y0/△换流变压器中性点零序电流的大小有很大差异.同时,建立仿真模型并以南方电网在许继集团的换流变保护装置RTDS试验中数据和波形为佐证.综合分析后得出:对于Y0/Y换流变压器而言,其零序过流保护没有投入的必要.
【期刊名称】《中国电力》
【年(卷),期】2014(047)006
【总页数】4页(P22-25)
【关键词】高压直流输电;换流变压器;零序过流保护;接地故障;零序电抗;RTDS 【作者】刘家军;罗明亮;徐玉洁
【作者单位】许继电气股份有限公司,河南许昌 461000;许继电气股份有限公司,河南许昌 461000;许继电气股份有限公司,河南许昌 461000
【正文语种】中文
【中图分类】TM774
0 引言
高压直流输电在远距离大容量输电和电力系统联网方面具有明显的优点，已在我国
西电东送和全国联网工程中发挥了重要的作用[1-3]。

在高压直流输电系统中，换流变压器是十分重要的设备，通过换流变压器实现了交流系统和直流部分的电气绝缘和隔离，同时为换流阀提供相位差为30°的换相电压。

换流变压器组通常由Y0/Δ接法的变压器和Y0/Y接法的变压器构成[4-5]。

换流变压器处在交流电和直流电互相变换的核心位置，其可靠性和可用性对于整个系统尤为关键，因此换流变压器保护应该根据其自身的特点尽可能地完善并可靠动作[6-7]。

1 问题的提出
2012年4月14日，银川换流站在年度检修完成后对极1换流变压器充电期间，
Y0/Y换流变压器零序过流保护1段动作，跳开换流变压器进线开关和极控ESOF。

查Y0/Y换流变压器零序Ⅰ段定值为0.15 A，延时为6 s，二次谐波闭锁功能未投入。

调取故障录波器的录波后发现，换流变压器在充电时刻，Y0/Y换流变压器的A、C相出现了较大励磁涌流，Y0侧中性点流过较大的不平衡电流。

从实时量值
中可以看到，充电时刻Y0/Y换流变压器Y0侧中性点零序电流二次侧值达到1.06 A，远大于定值，6 s后虽然励磁涌流有较大衰减，但依然超过零序保护定值，保
护动作。

保护动作后，检查换流变压器无故障，再次充电后成功。

此次事故中，换流变压器本身并无异常，是由于Y0/Y换流变压器的励磁涌流很大且衰减较慢，导致其零序过流保护动作，开关跳闸，延缓了送电。

宁东直流输电是典型的双极12脉动换流器直流输电工程，换流变压器采用6个单相双绕组的接线形式，由3台Y0/Δ分相变压器和3台Y0/Y分相变压器组成。

由国家电力调度通信中心继电保护处下发的定值单看出，Y0/Δ换流变压器零序过流保护和Y0/Y换流变压器零序过流保护的定值和延时都相同。

2 零序过流保护原理及定值
换流变网侧零序过流保护是作为换流变压器中性点直接接地运行时网侧绕组、网侧
引出线和母线接地故障的后备保护以及相邻输电线路接地故障的后备保护[8]。

以SBH-101A微机型换流变压器保护为例，Y0/Δ换流变压器和Y0/Y换流变压器均
配置了零序过流保护，并可通过整定相关定值控制字来选择各段零序过流是否投入及是否经二次谐波闭锁。

零序过流保护采用换流变压器中性点专用零序TA的电流，有定时限特性和反时限特性。

双母接线形式下，换流变压器的零序过流保护一般Ⅰ段动作于缩小故障范围，跳开母联开关，Ⅱ段动作于跳开网侧断路器和极控ESOF；一个半断路器接线形式下，换流变压器的零序过流保护一般设置1段，直接动作于跳开网侧断路器和极控ESOF[9-10]。

查阅云广、宁东和三沪等直流输电工程中的换流变保护定值发现，无论是国家电力调度通信中心继电保护处还是中国南方电网电力调度控制中心继电保护处下发的定值单中，同一个换流站的Y0/Δ换流变压器零序过流和Y0/Y换流变压器零序过流保护定值及延时都相同，且均投入了1段，动作于跳开网侧断路器和极控ESOF。

3 换流变压器网侧单相接地故障分析
图1是银川东换流站极1换流变压器主接线和保护配置，当换流变压器网侧、母
线或相邻输电线路上发生单相接地故障时，其故障序网图如图2所示。

图2中，X s1，X s2和X s0分别是系统正序、负序和零序电抗，X T1Δ，X T2Δ 和X T0Δ
分别代表Y0/Δ换流变压器的正序、负序和零序电抗，X T1Y，X T2Y和X T0Y分别代表Y0/Y换流变压器的正序、负序和零序电抗。

图1 换流变零序保护配置Fig.1 Zero sequence current protection configuration of converter transformer
变压器的零序电抗和变压器的结构、连接方式以及中性点是否接地等有关。

（1）Y0/Δ接法的换流变压器，在Y0侧发生接地故障时，其零序电抗的等值电路如图3所示。

根据等值电路，可求得此种接法换流变压器的零序电抗为
图2 单相接地的序网图Fig.2 The sequence diagram of single phase earthing 图3 Y0/Δ换流变压器零序电抗等值电路Fig.3 The zero sequence equivalent circuit of Y0/Δ converter transformer
式中：XⅠ、XⅡ和X m分别代表换流变压器一次侧的漏抗、二次侧的漏抗和励磁电抗。

（2）Y0/Y接法的换流变压器，在Y0侧发生接地故障时，其零序电抗的等值电路如图4所示。

图4 Y0/Y换流变压器零序电抗等值电路Fig.4 The zero sequence equivalent circuit of Y0/Y converter transformer
根据等值电路，可以求得这种接法换流变压器的零序电抗为
直流输电中的Y0/Y换流变压器和Y0/Δ换流变压器均由3台单相变压器组成，其零序磁通能以铁芯为回路。

由于磁导大，励磁电抗远大于漏抗。

Y0/Δ换流变压器的零序电抗可近似表示为
Y0/Y换流变压器的零序电抗近似表示为
可以看出，Y0/Y换流变压器的零序电抗很大，因而，只有很小的电流流过其中性点。

同样地，Y0/Y换流变压器网侧两相接地故障时，流过其Y0侧中性点的电流也很小[11-14]。

结合式（3）、（4）和图2可得出以下结论：①对于Y0/Δ换流变压器，Y0侧发生接地故障时，由于零序电抗为有限值，Y0侧中性点流过较大零序电流；② 对于
Y0/Y换流变压器，Y0侧发生接地故障时，由于零序电抗趋于无穷大，Y0侧中性点流过较小零序电流。

4 Matlab建模仿真
在Matlab中建立基于12脉动换流器的直流输电模型，其中换流变压器采用了6台分相的Y0/Δ换流变压器和Y0/Y换流变压器。

模拟换流变压器网侧单相金属性接地故障时，测量此时流经2台换流变压器中性点的电流，如图5所示。

图5 2台换流变压器中性点的故障电流Fig.5 The fault current that goes through the two converter transformers’neutral points
从图5中不难看出：① 对于Y0/Δ换流变压器，Y0侧发生接地故障时，Y0侧中性点流过较大零序电流；② 对于Y0/Y换流变压器，Y0侧发生接地故障时，Y0侧中性点流过较小零序电流。

5 南方电网RTDS试验波形
南方电网于2012年5月到7月在许继集团进行了糯扎渡直流输电换流变压器保护装置RTDS试验，现罗列出图1中点K3 A相金属性接地故障和点K6 A相金属性接地故障时换流变压器保护装置的录波波形，分别如图6和图7所示。

图6 K3点A相金属性接地故障时保护装置录波波形Fig.6 The recording waveform s of protection device when phase-to-ground fault occurs at K3 in phase A
图7 K6点A相金属性接地故障时保护装置录波波形Fig.7 The recording waveform s of protection device when phase-to-ground fault occurs at K6 in phase A
图6和图7的波形分别由功率传输方向为江门至普洱、单极大地运行方式、输送功率250 MW、故障持续100 ms的实验和功率传输方向为普洱至江门、双极运行方式、输送功率5000 MW、故障持续100 ms的实验得到。

综合波形分析，得
出如下结论：① 对于Y0/Δ换流变压器，Y0侧发生接地故障时，Y0侧中性点流过较大零序电流；② 对于Y0/Y换流变压器，Y0侧发生接地故障时，Y0侧中性点流过较小零序电流。

6 结语
由上述可知，无论是从理论分析、建模仿真、动模试验和现场实际都能得出：对于目前广泛采用的由6台分相变压器构成的换流变压器组而言，Y0/Y换流变压器的零序过流保护没有投入的必要。

投入该保护，反而可能会导致保护的不正确动作。

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