换流变有载调压对差动及过励磁保护的影响

文／许继电气股份有限公司 肖志刚 刘艳东 陈海龙 沈燕华 徐立明／

0 前言

换流变压器是超高压直流输电工程中至关重要的关键设备，是交、直流输电系统中的换流、逆变两端接口的核心设备。它的投入和安全运行是工程取得输电效益的关键和重要保证。换流变压器具有较多级的有载调压开关，利用调压开关可使直流输电系统经常运行在接近最佳状态，换流器触发角运行在适当的范围内，以兼顾到运行的安全性和经济性。分接开关的调压范围一般为20 ～ 30%，每档调节量为1% ～ 2%，以达到分接开关调节和换流桥触发控制联合工作，做到既无明显的调节死区，又可避免频繁往返动作。在换流变压器有载调压时将会对变压器差动保护及过励磁保护[1]产生比较大的影响，如果保护处理不当将会对换流变的安全可靠性产生很大的影响，甚至会导致保护误动作或拒动作。

1 换流变有载调压对差动保护的影响

1.1 换流变有载调压时产生的不平衡差流

某换流站换流变接线形式为Y/△-11方式，调压调节档位k为-5到25档，每挡调节范围为1.25%，0档位对应变压器额定电压。在调压过程中，一般低压侧负荷电流保持不变，调节低压侧电压，改变变压器输送功率。

设换流变压器额定视在功率为Se，高压侧额定绕组匝数为nl、高压侧一次额定电压为Ueh、高压侧TA变比为Nh、高压侧二次额定电流为高压侧平衡系数为Kh，低压侧额定绕组匝数为n2、低压侧一次额定电压为Uel、低压侧TA变比为Nl、低压侧二次额定电流为低压侧平衡系数为Kl。

计算平衡系数时，一般以高压侧为基准，则高压侧平衡系数Kh=1，

单相变压器负载运行图如图1所示。

图1 单相变压器负载运行图

根据变压器的变换关系[2]，忽略原、付边绕组漏感抗电动势和电阻压降有：

调节档位后，高压侧二次电流变为：

调节档位前差动电流平衡，差动电流

调节档位后差动电流不平衡，差动电流

由上式可知，差动不平衡流与调节档位及负荷电流有关，调节档位越高、负荷电流越大，则差动不平衡电流越大，最大为0.238Ie。

变压器差动保护最小动作电流Iop0应按躲过变压器额定负载运行时的最大不平衡电流整定[3]，即：Iop=(0.2～0.5)Ie，一般工程采用0.4Ie的整定值。调压时，产生的最大不平衡电流为0.238Ie，可见差动最小动作电流能够完全躲过正常负荷调压时产生的不平衡电流。

为了提高变压器发生高压侧高阻接地故障、变压器绕组轻微匝间故障的灵敏度，换流变压器一般配置有灵敏的增量差动保护[4]。增量差动保护不受正常运行的负荷电流的影响，具有比比率差动更高的灵敏度。增量差动保护动作特性图如图2。

图2 增量差动保护动作特性图

其动作曲线为一过坐标原点、斜率为k的直线，为了防止外部故障或扰动对增量差动 保护的影响，一般设置有稳态量动作门槛，门槛值一般取为0.2Ie，增量差动稳态启动元件电流一般设置为0.18Ie。在调压时，不会产生增量差动电流，虽然不平衡差动电流（最大为0.238倍额定电流）不会导致增量差动保护动作，但会使启动元件启动，如果启动元件长时间启动，将会降低保护装置的安全可靠性，对设备安全运行构成隐患。

1.2 差动保护解决措施

解决措施1）：采用中间档位（10档）对应的电压U计算变压器平衡系数。,则低压侧平衡系数 。

这时主变运行在0档位时，存在差动不平衡

可见调节档位时，从0档靠近10档时，差动不平衡电流从0.111Ih逐渐减少至0，过10档后又逐渐增大，在25档时差流不平衡电流为0.127Ih，在-5档时差流不平衡电流为0.178Ih。这个最大不平衡电流对差动保护及增量差动保护没有影响。一般变压器长期运行在0档位，这时存在不平衡差动电流(0.111Ih)，这时如发生区外故障，差动不平衡电流随故障电流增大而增大，可能造成保护误动作。

解决措施2）：以0档位对应的额定电压计算变压器平衡系数，提高差动保护及增量差动保护启动门槛至最大不平衡电流（0.238Ie）以上。

变压器长期运行在0档位，不存在不平衡差动电流，但当变压器运行在最高档位时产生最大不平衡电流为0.238Ie，需要提高差保护的启动元件门槛值，这将降低差动保护对弱故障的灵敏度。

从上面分析可见，措施1）、2）各有利弊，变压器一般长时间运行在0档位，综合考虑各方面的情况，建议采取措施2）。

2 换流变有载调压对过励磁保护的影响

变压器过励磁是变压器的一种异常运行工况，并不是每一次过励磁都会引起变压器故障，但过励磁会引起变压器铁心和其他金属构件发热，损伤周围的绝缘介质，如果多次出现过励磁会使绝缘损伤积累，降低绝缘寿命，酿成隐患。换流变压器的工作磁密高(接近饱和点)，容易发生过励磁。而且由于换流变压器造价高、检修困难、周期长、停电损失大，为此，目前换流变压器均专门设有过励磁保护[5]。

过励磁保护主要用作变压器因频率降低或过电压引起的铁芯工作磁密过高的保护。过激磁程度可用过激磁倍数n来衡量，其中U、f分别为系统线电压、系统频率；Un、fn分别为基准线电压、基准频率，一般取为额定电压、额定频率。忽略原、付边绕组漏感抗电动势和电阻压降，

调节档位升高或降低后，低压侧电压为：

则调节档位后的磁密为

过激磁倍数为

可见过励磁倍数随着档位调节变化而变化，所以过励磁保护计算过励磁倍数必须考虑档位调节对它的影响，需要在过励磁保护中引入调节档位来改变基准电压，以保证过励磁倍数计算的准确性。

3 结束语

换流变压器在有载调压过程中会产生差动不平衡电流，该不平衡电流对差动保护的性能造成一定的影响，需要采取相应的措施能够尽量减少它的影响，以保证换流变压器安全可靠运行；过励磁倍数随着档位调节变化而变化，需要引入调节档位来改变计算过励磁倍数的基准电压，保证过励磁倍数计算的准确性。

[1] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社,2002.

[2] 许时章.电机学[M].北京：机械工业出版社，1996.

[3] DL/T 684-1999大型发电机变压器继电保护整定计算导则[M].北京：中国电力出版社,1999.

[4] 陈德树,尹项根,等.故障分量差动保护与故障变化量差动保护[J].电力系统自动化,2008.

[5] 张侃君,尹项根,等.一种微机型过励磁保护的研究[J]. 电力系统保护与控制，2010.