两种星角换流变压器差动保护方案比较

刘家军 任 杰 杜延辉

（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.安徽送变电工程公司，安徽 合肥 230000）

两种星角换流变压器差动保护方案比较

刘家军1任 杰2杜延辉1

（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.安徽送变电工程公司，安徽 合肥 230000）

本文论述了直流输电中两种星角换流变压器差动保护的方案。一是许继换流变压器差动方案，其采用网侧首端电流和阀侧首端电流；另一种是ABB换流变压器差动方案，其采用网侧首端电流和阀侧首端电流及尾端电流的平均值。阐述了换流变压器差动区内阀侧相间短路时两种方案下保护的动作行为和灵敏度计算。通过建模仿真并辅以南方电网在许继集团的换流变压器保护试验中的数据和波形为佐证。综合分析后得出：在直流输电系统中，由于星角换流变压器差动保护采用套管TA，其阀侧相间短路时，两种差动保护方案均能正确动作。同时指出从灵敏度校核来看，许继换流变压器差动方案优于ABB方案。

高压直流输电；星角换流变压器；套管；电流互感器；差动保护；灵敏度；RTDS

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起到了重要的作用[1]。在高压直流输电系统中，换流变压器（简称换流变）是十分重要的设备，通过换流变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星角接法的变和星星接法的变压器构成[2]。因为换流变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是尤为关键的，所以，换流变的保护功能应该根据其自身的特点尽可能地完善和可靠。换流变和普通电力变压器相比，有自己的独特之处。换流变短路阻抗大、有载调压范围广、差动保护均采用套管TA。因此，换流变保护装置与常规的电力变压器保护装置在保护配置上有很大的不同。换流变保护装置通常配置有如下保护：换流变引线和换流变差动保护、换流变差动保护、引线差动保护和换流变绕组差动保护等[3-5]。本文只专门针对星角换流变差动保护，星星换流变差动保护不在讨论范围之内。

1 换流变差动保护原理

差动保护是换流变的主保护，换流变差动保护一般采用比率制动式差动保护，以双绕组换流变为例，保护配置图如图1所示：

图 1 换流变差动保护配置图

2 换流变差动保护动作行为和灵敏度校验

依据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，普洱站星角换流变差动保护的定值如表1所示：

表 1 普洱站星角变换流变保护定值单

由中国南方电网电力调度控制中心继电保护处调查知；系统最小运行方式下星角换流变阀侧三相短路时的最小短路电流，I（3）V·min=3.3kA=4.0Ie。

下面分析计算当星角换流变差动保护区内阀侧相间短路时两种保护方案下换流变差动保护的动作行为及其灵敏度。本文统一采用系统最小运行方式下换流变差动区内阀侧相间短路来计算，在该故障下，计算条件更加苛刻，更不利于保护，故所得结论更有利。需要特别说明的是：依据文献[6]和[7]中相关说明，换流变差动保护应根据系统最小运行方式下阀侧两相短路来校核，实际上由于采用套管TA，该结论值得商榷，换流变差动保护应按系统最小运行方式下三相短路校核，见如下验算。因而，本文将分别计算阀侧两相短路和三相短路时换流变差动保护的灵敏度。

对于星角换流变，其特殊之处在于采用了套管TA，因而差动区内阀侧上两相短路时，网侧和阀侧的套管TA都会感受到故障电流，如图2所示，黄、绿、红色表示A、B、C相，表征星角换流变阀侧两相短路时的短路电流。

由图2中推导：

1）采用许继换流变差动保护方案时，以A相为例，

图 2 星角换流变阀侧AB相间短路时故障电流分布

则星角换流变差动保护的灵敏系数为：

满足要求，保护可靠动作。

2）采用ABB换流变差动保护方案时，以A相为例，

则星角换流变差动保护的灵敏系数为：

满足要求，保护可靠动作。

同样的，当星角换流变阀侧上三相短路时，各侧电流分布如图3所示，黄、绿、红色表示A、B、C相表征星角换流变阀侧三相短路时的短路电流。

图 3 星角换流变阀侧三相短路时故障电流分布

1）采用许继换流变差动保护方案时，以A相为例，

由图3中推导，以A相为例，

则星角换流变差动差动保护的灵敏系数为：

满足要求，保护可靠动作。

2）采用ABB换流变差动保护方案时，以A相为例，

则星角换流变差动差动保护的灵敏系数为：

满足要求，保护可靠动作。

从上述理论计算中可以得到：无论是采用许继还是ABB的换流变差动保护方案，系统最小运行方式下星角换流变差动保护区内阀侧相间短路时，换流变差动保护均能正确动作，且灵敏系数满足要求。相比较，许继换流变差动保护方案灵敏系数更高，保护更灵敏。下面将通过建模仿真和RTDS试验来验证图2和图3的正确性[8-9]。

3 MATLAB建模仿真

图 4 星角换流变阀侧AB相间短路时故障电流分布

图 5 星角换流变阀侧三相短路时故障电流分布

在MATLAB中建立基于12脉动换流器的直流输电模型，其中换流变采用了6台分相的星角换流变和星星换流变。模拟星角换流变差动区内阀侧AB相间短路和三相金属性短路，测量此时流经星角换流变网侧和阀侧的故障电流，分别如图4和图5所示。

图 6 星角换流变阀侧AB短路时保护装置录波波形

图 7 星角换流变阀侧ABC短路时保护装置录波波形

从仿真结果中可见，星角换流变差动保护区内阀侧AB相间短路和三相短路时，测量流经其网侧和阀侧各相故障电流的幅值和相位，分别与图2和图3中标示的相符[10-11]。

4 南方电网RTDS试验

南方电网于2012年5月到7月期间在许继集团进行了糯扎渡直流输电换流变保护装置RTDS试验，现罗列出星角换流变差动保护区内阀侧AB相间短路和三相短路时换流变保护装置的录波波形，分别如图6和图7所示。

以上波形分别由实验项目1.26和1.27得到。实验项目1.26：功率传输方向为普洱至江门，单极大地运行方式，输送功率2500MW，星角换变差动区内阀侧AB相间短路，故障持续200ms；实验项目1.27：功率传输方向为普洱至江门，单极大地运行方式，输送功率2500MW，星角换流变差动区内阀侧三相短路，故障持续200ms。从波形中不难看出，星角换流变差动区内阀侧AB相间短路和三相短路时，测量流经其网侧和阀侧各相故障电流的幅值和相位，分别与图2和图3中标示的相符。

5 结语

本文阐述了许继和ABB两种不同的换流变差动保护方案原理，分析并计算了当星角换流变差动保护区内阀侧相间短路时两种保护方案下差动保护的动作行为及其灵敏度。综合分析指出：由于采用套管TA，当星角换流变差动区内阀侧相间短路时，两种保护方案均能可靠动作。从灵敏度校核来看，许继换流变差动方案优于ABB方案。

[1]戴熙杰.直流输电基础[M].北京：水利电力出版社，1990.

[2]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

[3]浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电[M].北京：水利电力出版社，1985.

[4]国家电力调度通信中心.国家电网继电保护培训教材[M].北京：中国电力出版社，2009.

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

[6]国家能源局.DL/T277-2012高压直流输电系统控制保护整定技术规程[S].北京：中国电力出版社，2012.

[7]国家能源局.DL/T684-2012大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].北京：中国电力出版社，2012.

[8]赵强.宁东直流山东侧电网稳定控制措施研究[J].中国电力，2012（4）：5-9.

[9]钟胜.哈郑直流工程投运初期对新疆电网影响分析[J].中国电力，2012（12）：48-51.

[10]张红跃.换流变大差保护励磁涌流识别的思考[J].电力系统控制与保护，2011（20）：151-154.

[11]朱韬析，王超.天广直流输电换流变压器保护系统存在的问题[J].广东电力，2008（1）：7-10.

TM407

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1671-0037（2014）12-90-3

刘家军（1987-），男，学士，助理工程师，研究方向：电力系统继电保护装置的研究和开发。