12脉动换流变压器对称性涌流现象分析

第39卷第23期电力系统保护与控制Vol.39 No.23 2011年12月1日Power System Protection and Control Dec.1, 2011 12脉动换流变压器对称性涌流现象分析

田 庆

（南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东 广州 510663）

摘要：分析了（特）高压直流系统中12脉动换流变压器的对称性涌流问题。根据云广直流输电工程中发生的一起12脉动换流变空充误跳闸事件，从剩磁和直流偏磁衰减的角度，采用和应涌流的分析方法，分析了12脉动换流变对称性涌流的产生机理、变化特点和影响该对称性涌流的各种因素，并根据现场实际录波数据，对12脉动换流变空充误跳闸事故做了详细的讨论。给出了两种解决办法解决12脉动换流变空充误跳闸问题，并得到现场试验验证。这可增强高压直流系统的安全稳定运行。

关键词：特高压直流；12脉动换流变；对称性涌流；和应涌流；剩磁

Analysis on the symmetry inrush of 12 impulsive convertor transformer

TIAN Qing

（Test and Maintenance Center，CSG EHV Power Transmission Company，Guangzhou 510663，China）

Abstract：This paper analyses the symmetry inrush of 12 impulsive convertor transformers in UHV or EHV direct current. From the angle of residual magnetism and DC magnetic bias attenuation，the production mechanism，changing characteristics of symmetry inrush of 12 impulsive convertor transformers as well as the influence factors are studied according to a fault trip event during the no-load charging of 12 impulsive convertor transformer in Yunguang UHVDC project. The sympathetic inrush method is used. Two corresponding solutions are put forward after the detail study based on the recorded field data and it is proved by the field test result that it can enhance the socurity and stability of the HVDC control and protection system.

Key words：UHVDC；12 Converter transformer；symmetry inrush current；sympathetic inrush；residual magnetism

中图分类号： TM77 文献标识码：B 文章编号： 1674-3415(2011)23-0133-05

0 引言

变压器差动保护不明原因误动的分析也受到了理论界和工业界的广泛关注。特别是在和应涌流导致保护误动的研究方面，国内外多个研究小组均对其形成机理进行了深入的探讨，取得了不同程度的进展。

文献[1-3]通过数值仿真分析，指出空投一台变压器时，励磁涌流在系统与变压器之间的电阻上产生不对称电压，这在变压器之间形成了一种暂态和应作用，不但使空投变压器的励磁涌流幅值和持续时间发生变化，而且在运行变压器中将产生和应涌流，结果导致运行变压器差动保护误动和长时间的谐波过电压。

文献[4]建立了两台单相变压器并联和级联运行模型，推导了当一台变压器正常运行，另外一台并联或级联变压器空投充电时，两台变压器的磁链解析表达形式，定性分析了正在运行的变压器可能发生饱和现象以及和应涌流产生及影响的机理。

文献[5]在等效电路的基础上，从磁通变化的角度出发，分析了单台变压器励磁涌流的衰减机理，在此基础上，研究了变压器和应涌流的产生机理及其变化特点，对系统等效电阻、并联与串联以及运行变压器负载对和应涌流的影响进行了初步的分析。文献[6]在变压器和应涌流产生机理分析的基础上，指出偏磁是和应涌流产生的根本原因，分析了串联和并联两种情况下和应涌流对变压器差动保护、变压器后备保护及其他相关保护的影响。

文献[7-10]利用励磁涌流偏向时间轴一侧的特点，解释了和应涌流产生的机理及其变化特点，指出了和应涌流产生的本质原因一是由于合闸变压器励磁涌流流过系统电阻，使得其他变压器工作母线

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电压偏移而引起铁芯饱和所造成的。

换流变压器是直流输电系统中进行交直流变换的关键设备，换流变的安全稳定运行对提高直流系统的可靠性和可用率具有重要的意义。然而，在高压直流系统中，12脉动换流变（Y/Y 和Y/△）是同时空充的（即闭锁过程），此时也有可能发生和应涌流现象。云广直流输电工程调试过程中，发生过一起12脉动换流变空充误跳闸事件，励磁涌流衰减缓慢，两组变压器的和电流接近于奇对称波形，非周期分量较小，偶次谐波含量小，其故障特征与和应涌流的很多特征相似，且其物理解释可以用和应涌流的产生机理分析。本文从剩磁和直流偏磁衰减的角度分析了12脉动换流变对称性的产生机理、变化特点，并分析了影响和应涌流的各种因素，最后根据现场实际录波数据，对12脉动换流变空充误跳闸事故做了详细的讨论，最后给出了相应的解决办法。

1 12脉动换流变空充特殊涌流产生机理

12脉动换流变压器空充前的等效电路图如图1所示，T1为星角变，T2为星星变，K 为开关。L 1m 、L 1σ、R l σ、L 2m 、L 2σ、R 2σ分别为T1、T2励磁电感、原副边漏电感、线圈电阻，L s 、R s 为系统电感、电阻。设系统电源电压U s （θ）=U m sin （θ），i 1、i 2分别为变压器两侧电流，参考方向都为母线指向变压器；i s 为从系统电流，参考方向为系统指向母线。Φ1和Φ2为T1和T2的铁芯磁链。

图1 用于研究12脉动换流变空充和应涌流的等效电路图 Fig.1 The equivalent circuit for the sympathetic inrush study

when 12 impulsive convertor transformer energized

当K 合上后，T1、T2的磁通满足 11s s s s 111d d d d d d s i i

U L R i L R i t t t σσφ=???? (1) s 22s s s s 222d d d d d d i i U L R i L R i t t t

σσφ=???? (2)

显然，在合闸以前有i 1=0、i 2=0，方程两边同

时积分，并考虑一个周波内磁通的变化。由于励磁涌流i 1、i 2、i s 是近似周期函数，s d d i t

、1d d i t 、2

d d i t 一个周波内积分近似为0，则有

2π

2π

2π

1(2π)1(0)s s 12110

d ()d d U R i i R i σφφθθθ=+?+?∫∫∫

(3)

2π

2π

2π

2(2π)2(0)s s 12220

d ()d d U R i i R i σφφθθθ

=+?+?∫∫∫(4)

由于励磁涌流i 1、i 2存在间断角，且偏向时间轴的一侧，故i 1、i 2中含有非周期分量，设i 1f 、i 2f 分别为i 1、i 2的非周期分量的平均值。由式(3)~(4)可得一周波内两变压器磁通。 1(2π)1(0)s 1f 2f 11f 2π()2πR i i R i σφφ=?+? (5)

2(2π)2(0)s 1f 2f 22f 2π()2πR i i R i σφφ=?+? (6)

将公式（5）减去公式（6），考虑到并联的2组变压器R 1σ≈R 2σ，得

1(2π)2(2π)1(0)2(0)11221(0)2(0)11f 2f 2π2π2π()

f f R i R i R i i σσσφφφφφφ?=??+≈

??? (7)

从上面公式可知，若T1、T2初始状况相差不大，Φ1（0）和Φ2（0）相同，i 1f 和i 2f 相同时，Φ1（2n ）和Φ2（2n ） 也相同，12脉动换流变空充涌流特征和单台换流变空充特征相似。然而，若12脉动2组换流变开关合上前，Φ1（0）-Φ2（0）的绝对值较大，则由公式（7）可知，稳定并列运行状态下Φ1=Φ2，则必然存在一个Φ1（0）-Φ2（0）的衰减过程，而且该衰减过程只和R l σ和R 2σ相关，和系统阻抗无关，Φ1（0）、Φ2（0）的衰减过程分别和i 1f 、i 2f 的变化趋势一致，Φ1（0）-Φ2（0）的衰减过程和i 1f -i 2f 的变化趋势一致，对应有幅值较大且衰减缓慢的i 1f -i 2f 。令

hf 1f 2f i i i =? (8)

形成较大Φ1（0）-Φ2（0）的原因有：充电前剩磁

不一致（例如直流电阻试验后）；或变压器一合上后

从中性点就流过稳态的直流电流，存在直流偏磁且不一致；或者两组变压器合闸时刻不一致，不过目

前在高压换流站普遍通过同期相位装置，控制一组

开关同时给两组换流变充电，即可有效地避免这种合闸时刻不一致带来的磁通初值差；交流并联变压

田 庆 12脉动换流变压器对称性涌流现象分析 - 135 -

器可分别由各自开关投退，则可能存在合闸时刻不一致带来的磁通初值差，例如在电网中邻近的并联变压器之间，己经工作的变压器由于其他变压器的合闸也可能会产生涌流的现象，该涌流在合闸变压器涌流持续一段时间后才产生，偏向时间轴的另一侧，然后逐渐增大，达到最大值后又逐渐衰减，即和应涌流现象。

若开关K 合上前，T1、T2存在相反的大剩磁，则可能导致12脉动两组换流变空充后，T1、T2磁通饱和出现的时间和程度不一致，而系统电阻的存在，使得两组变压器的磁通相互影响，当某组变压器中出现2πR s （i 1f +i 2f ）的磁通变化时，另一组变压器中也出现2πR s （i 1f +i 2f ）的磁通变化，在初始状态不一致时这2πR s （i 1f +i 2f ）的磁通可能使T1的磁通正方向饱和，T2的磁通不饱和，然后使T1的磁通不饱和，T2的磁通负方向饱和，这两段饱和区可以分时间段不重叠，从而使两组变压器依次饱和，也可能存在重叠的两组变压器相反方向饱和（例如两组变压器剩磁差接近于2倍的额定磁通）。分时间段不重叠饱和和R s 有关，即R s 越小，2组换流变磁通同方向变换磁通2πR s （i 1f +i 2f ）越小，从一组变压器磁通饱和过渡到另一组变压器磁通所需时间越长，由此可见，在云广特高压直流孤岛运行时，由于系统R s 的相对值比较大，此时更易发生这种情况。

令偏磁变化量为：

1p s 1f 2f 11f 2()2R i i R i σφΔ=?π+?π (9)

2p s 1f 2f 22f 2()2R i i R i σφΔ=?π+?π (10)

当两组变压器依次相反方向饱和时，由于变压器i 1、i 2励磁涌流极性相反，并假设i 1为正极性，因此励磁涌流产生后两变压器中的偏磁变化量为

1p s 1f 2f 11f 2π()R i i R i σφΔ=???+??? (11)

2p s 1f 2f 22f 2π()R i i R i σφΔ=???+??? (12)

令 sf 1f 2f i i i =?，在对称性涌流情况下，则和电流i sf 迅速减小到零附近，所起的衰减作用几乎消

失，使得两组变压器只能靠各自的R l σ和R 2σ来衰减偏磁，当R l σ和R 2σ越大时，衰减也越快。每周期偏磁的衰减为：

1p 11f 2p 22f 2π2πR i R i σσφφΔ=?Δ=? (13)

由于R l σ和R 2σ的值比较小，因此，涌流i s 的衰减速度要比12脉动换流变相同初始状态励磁时要缓慢得多，严重时i s 可能三相出现对称性涌流，有可能使基于二次谐波对称原理和波形对称原理的

T1、T2大区域比率差动保护误动，并且出现类似稳态和应涌流的特征：空投变压器涌流衰减比单组变压器涌流要缓慢得多，并且变压器的涌流衰减速度趋于一致；两组变压器的涌流可能同时出现；各组变压器励磁涌流的间断角大于180?；变压器的和电流接近于奇对称波形，非周期分量接近于零，偶次谐波含量小；i s 无需数个周期，直接到达最大值。

2 空充失败的情况

2009年12月03日，楚穗直流楚雄换流站极2高端站系统开始调试，13：03：42，在自动模式下将极2阀组1从备用状态转到闭锁状态时（即空充800 kV 12脉动换流变），928 ms 后12脉动换流变压器大差C 相比率差动保护动作，其动作波形如图2所示。

图2 现场空充试验波形图

Fig.2 The wave figure when 12 impulsive convertor

transformer energized

图2中i 1C 、i 2C 、i sC 分别为流过T1、T2和等效电源的C 相电流，i 1Cf 、i 2Cf 分别为i 1C 、i 2C 的直流分量，i sCf 、i hCf 分别为C 相的i sf 、i hf 。可以看出，此时T1、T2中产生不对等的直流分量，i 1Cf 、i 2C 峰值分别产生-225.6994 A 、621.8 A ，T1、T2是同时充电的，由于磁通不能突变，i 1Cf 、i 2C 的产生是用来平衡充电瞬间磁通强迫分量和初始剩磁之间的差值。由于空投时刻一致，在不存在直流偏磁的情况下，可认为T1、T2充电前的剩磁差导致了i hCf 的出现。在T1、T2具有大剩磁且方向相反，i 1C 向下偏，i 2C 向上偏，在时间上是交错的，且极性相反，涌流i sC 波形是趋于对称的，12脉动换流变C 相大差差流i sC

- 136 - 电力系统保护与控制

波形将趋于对称，二次谐波含量显著下降。

充电后i hCf衰减缓慢，且其幅值为i sCf 2倍以上，

i hCf、i sCf快速衰减段衰减时间常数分别为2.042 0 s、

12 436 s。

s

图3大差保护谐波分析图

Fig.3 The harmonic analysis of big differential protection

图3中i1C_50Hz、i1C_100Hz、i1C_per分别为流过i1C的基波、二次谐波幅值以及二次谐波比基波值，i2C_50Hz、i2C_100Hz、i2C_per分别为流过i2C的基波、二次谐波幅值以及二次谐波比基波值，i sC_50Hz、i sC_100Hz、i sC_per分别为流过i sC的基波、二次谐波幅值以及二次谐波比基波值。充电后，i1C_per和i2C_per 远大于20%，满足谐波闭锁判据，C相YY、Y△变压器比率差动都不会出口。i1C衰减较慢，i2C衰减较快，且i1C涌流方向向下，i2C涌流方向向上，i1C幅值小于i2C，i1C、i2C涌流的间断角均大于180?，使合成后的i s C趋于对称，接近于奇对称波形，非周期分量i sCf较小，偶次谐波含量小，在968.1 ms处满足二次谐波闭锁判据开放C相12脉动换流变压器大差比率差动保护，保护出口。而且随着i2C_50Hz，的衰减，i1C_50Hz、i1C_100Hz不断增大，表明Y△换流变C相饱和程度不断加深，这与和应涌流的空充导致运行变压器饱和程度不断加深类似，而i2C_50Hz、i2C_100Hz不断减小，表明YY换流变C相饱和程度不断减轻， YY、Y△变压器的涌流衰减速度趋于一致。

3 处理方法

处理方法有两种，第一种方法是发生上述空充保护误动作事件后，保护厂家修改闭锁逻辑如下：装置检测到变压器空投或者恢复性涌流的情况下，自适应的投入200 ms的“单相谐波大则闭锁三相差动保护”闭锁方式，200 ms过后自动切换回分相闭锁方式。

第二种方法是：减少换流变首次充电前的剩磁，且确保12脉动换流变剩磁方向相同。变压器的铁心为高导磁的铁磁材料，铁芯材料均具有磁滞特性，当在铁磁材料上产生磁场后，去除产生磁场的激励源，铁芯中仍将残存一定的磁场。变压器的剩磁一般可由开关分闸以及直流电阻测试产生。运行变压器分闸时，由于系统三相电压间存在120?相角，开关切断电源时，由于相差的关系，各相均存在一定的电压，因而，变压器铁芯中也会存在一定的剩磁，该情况形成的剩磁一般小于变压器的额定磁通。对云广换流变，正常运行时励磁电流约为1 A，换流变额定励磁时，铁芯的磁通基本接近饱和拐点。而换流变直流电阻测试时，现场一般采用的电流为5 A。在某些施工条件下为加快测量速度，采用了更大的直流电流进行测量。因此，直流电阻测试时，变压器铁芯中的磁场一般已饱和，故测量直流电阻后，变压器铁芯中的剩磁较大。从上述两种情况产生的剩磁看，绕组直流电阻测量产生的剩磁要严重得多。这给换流变压器的首次充电带来极大的隐患。换流变厂家承诺，在直流偏磁流过5.95 A直流电流情况下，与没有直流偏磁时相比，空载损耗、噪声以及敏感部位结构件的温升增加均在允许范围内，变压器的振动变化也不大，能够正常运行。因此在云广工程中，可以采用小容量的直流电源进行换流变压器直阻测量，尽可能地减少绕组上的剩磁。在保证绕组直流电阻测量精度的前提下，网侧直阻测量首先采用2.5 A直流电源进行，如不能保证测量精度，可增加测量电流至5 A。如果采用更大的直流测量直阻，测量结束后需对换流变压器消磁。同时规定了直阻试验的接线方式和直流测量电流方向，防止形成反方向的剩磁[11-13]。

4 现场试验验证

采取上述处理措施后，2010年4月10日13：05，云广直流工程极1阀组和双极阀组系统调试期间，楚雄站自动模式下通过选择连接双母线将极1组2转至闭锁状态，即给极1组2双12脉动换流变充电，操作成功。

空投试验如图4所示，下标A代表A相，i hAf 为A相i1f-i2f的绝对值，i1f、i2f的变化趋势一致，i hAf 几乎为0，此时空投12脉动变压器涌流衰减和空投单组变压器涌流衰减一致，i sA基波分量衰减时间常数约为0.759 1 s；两组变压器的涌流同时出现；两组变压器的和电流近似为单组变压器励磁涌流的2倍，非周期分量较大，偶次谐波含量大；i s直接到达最大值。和单个运行变压器特点相似，只有一侧存在涌流，对其进行谐波分析表明，二次谐波含量

田庆12脉动换流变压器对称性涌流现象分析 - 137 -

不会下降。

图4 12脉动空投波形图

Fig.4 Wave figure when 12 impulsive converter transformer

energized

5 结论

本文根据云广直流输电工程中发生的一起12脉动换流变空充误跳闸事件，从剩磁和直流偏磁衰减的角度，借鉴和应涌流的分析方法，分析了12脉动换流变对称性涌流的产生机理、变化特点，并分析了影响该对称性涌流的各种因素，最后根据现场实际录波数据，对12脉动换流变空充误跳闸事故做了详细的讨论，最后给出了相应的解决办法。作者给出了两种解决办法解决12脉动换流变空充误跳闸问题，这可增强高压直流系统的安全稳定运行。参考文献

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收稿日期：2010-12-04； 修回日期：2011-03-01

作者简介：

田 庆（1976-），男，博士，高级工程师，研究方向为

特高压交、直流输电运行检修技术。E-mail：tq8887@https://www.360docs.net/doc/0f12780624.html,