银东直流换流变饱和保护动作分析与改进措施

吴明凯，刘 亮，杨 晨，王晓东，陈昊阳

（国网宁夏电力有限公司超高压公司， 宁夏 银川 750001）

直流输电工程中， 接地极直接为直流系统传导中性点电流， 并钳制中性点处于零电位。 当系统在非双极对称运行方式下会改变接地极的电位， 导致流过接地极的电流会通过换流变压器中性点流过变压器绕组[1-2]， 使得换流变压器发生直流偏磁[3-6]， 如果直流偏磁持续时间过长， 将导致直流闭锁， 破坏电力系统稳定运行[7-8]。

本文通过一起银东直流因换流变饱和保护动作引起的直流闭锁事件对直流偏磁产生机理及饱和保护进行分析， 针对已经投运直流输电工程出现直流偏磁及换流变饱和保护告警时故障处理提出改进措施， 对保障换流变压器的安全稳定运行具有借鉴意义。

1 直流偏磁的基本原理

1.1 直流偏磁的定义

双极对称运行方式下， 换流变压器的铁芯工作在非饱和状态， 产生的励磁电流为周期变化的正弦波， 其数值较小可以忽略不计； 当星接换流变中性点流入直流分量， 将会引起励磁电流向轴侧偏移，换流变铁芯工作点随之移动到磁化曲线饱和段， 铁芯工作状态由非饱和状态进入饱和状态， 产生波形畸变、 数值突增、 谐波含量剧增的励磁电流。 在实际直流输电工程中， 换流变压器直流偏磁的限值根据计算设定为1.1 倍换流变额定励磁电流[9]， 或小于等于10～15 dB[10]噪声增量。

1.2 直流偏磁产生的原因

1.2.1 换流站及其附近的电位变化

直流输电工程正常运行时， 由于双极运行功率几乎无差， 流入接地极的电流可以理解为正负抵消接近于零。 而在不对称运行工况时， 接地极由于正负电流不平衡， 抬高系统地电位， 与变压器中性点形成电流回路， 严重时产生直流偏磁现象。

1.2.2 触发角异常

正常情况下， 换流阀一个阀导通时间为120°，按照阀1～阀6 顺序依次导通， 流过换流变压器阀侧的电流在正负半周是对称的， 换流变阀侧绕组无直流电流流过， 换流变不产生直流偏磁。 但是换流阀在现场运行过程中， 会出现阀误导通或不导通的情况， 这种触发角异常会导致换流变阀侧的电流出现直流电流分量， 从而在换流变压器中产生直流偏磁现象。

1.2.3 直流线路与交流线路相邻

在直流系统运行的过程中， 直流电流（包括以12k 次为主的谐波电流） 流过直流线路， 由于换流阀不断地进行换相， 换流变网侧绕组中会有谐波电流出现， 当此电流大于一定值时， 会导致换流变产生直流偏磁现象， 持续时间过久会引起饱和保护动作。

1.3 直流偏磁的危害

1.3.1 噪声增大

根据数据分析及现场应用情况， 当换流变压器发生直流偏磁现象时， 换流变运行时产生的噪声会根据直流偏磁的程度成倍增加。 而当噪声频率与换流变内部部件发生频率共振时将会产生更大噪声。

1.3.2 振动加剧

当换流变出现直流偏磁现象时， 换流变铁芯在一定周期内出现磁饱和， 从而畸变励磁电流突增导致磁滞伸缩加剧， 进而导致换流变铁芯振动加剧。

1.3.3 局部过热

换流变内部位于铁芯表面的铁芯拉板或支撑板， 在换流变发生直流偏磁后， 会存在半个周波的高磁场， 进而造成拉板或支撑板温升激增引起局部过热。

1.3.4 系统电压下降

换流变发生直流偏磁后， 会产生波形畸变且数值突增的励磁电流， 引起系统无功需求剧增。

如果换流站内交流滤波器或调相机等无功补偿装置不能满足无功需求， 电网交流系统电压将会下降。

2 换流变饱和保护

2.1 换流变饱和保护基本原理

当实际直流工程在双极不对称方式工况下运行时， 会有直流电流由换流变压器中性点流入变压器， 如果此电流长时间存在会引起换流变压器铁芯饱和并且导致换流变压器产生突增且畸变的励磁电流。 在中性点没有安装直流电流互感器的情况下，现场通过间接计算得出流入变压器中性点的直流电流。

饱和保护监测换流变压器一次侧中性点电流，采用多段折线构成的反时限动作曲线来反映直流电流的大小。 饱和保护配置有告警段和跳闸段。 告警段只会产生告警信号， 跳闸段通过时间-电流坐标模拟反时限曲线原理， 其逻辑见图1。

图1 饱和保护动作原理图

2.2 银川东换流站饱和保护配置情况

银川东换流站饱和保护采集换流变压器中性点电流I0在连续6 个周期内（120 ms） 的每个周期中最大值， 采样频率为1 200 Hz， 去掉最大值和最小值后， 取剩下4 个值的平均值作为换流变星接网侧中性点电流峰值计算值I0fz， 等效为流入换流变压器的直流电流的大小。 实际直流工程中饱和保护告警段只设置定时限段， 其动作条件是流过中性点电流峰值大于整定值时， 饱和保护告警动作， 向运行人员工作站发出换流变饱和保护告警信号； 实际直流工程中反时限跳闸整定6 个定值（包括中性点电流峰值I0fz和动作时间T） ， 通过对计算电流与整定值进行曲线拟合， 来实现饱和保护跳闸。 当I0fz大于反时限最小值时， 反时限逻辑启动， 计算进行时间， 对应6 个不同的定值， 计算不同的跳闸时间，当时间满足时启动跳闸逻辑， 从而达到保护跳闸目的。 当I0fz大于反时限上限值时， 饱和保护按照反时限上限值计算的时间进行跳闸。 当饱和告警或跳闸后， 只有中性点电流峰值I0fz连续100 ms 小于反时限下限时， 饱和告警和跳闸才能被复归， 计时器清零。

实际直流工况中， 为保持换流变饱和保护与其发生的直流偏磁严重程度一致， 在进行时间定值整定时， 按照延时时间从大到小依次整定t1～t6， 分别对应第一点延时时间到第六点延时时间， 反时限上限、 下限分别对应t 上限、 t 下限。 根据银东直流工程饱和保护定值绘制的反时限曲线见图2。

图2 银川东换流站换流变饱和保护反时限曲线

当换流变零序保护1 段、 零序保护2 段、 零流反时限告警和零流反时限动作后闭锁直流饱和保护（包括直流饱和告警和反时限跳闸）。

3 故障时刻波形分析

3.1 故障简述

2022 年3 月24 日19 时18 分， 胶东换流站极Ⅱ换流变保护A 套饱和保护动作， 极Ⅱ闭锁。 产生保护动作的原因为银东直流极Ⅱ单极大地回线运行方式下， 产生直流偏磁， 胶东站A 套换流变保护电流采样零漂较大， 在单极大地回线单极满负荷运行方式下引起换流变中性点流入直流， 达到饱和保护动作定值， 极Ⅱ闭锁， 功率损失1 980 MW。 为此，对银川东换流站不同运行工况下的换流变网侧星型中性点电流进行分析。

3.2 故障时刻银川东换流站波形分析

银川东换流站调取3 月24 日19 时18 分， 极Ⅱ闭锁时刻故障录波（功率1 980 MW，电流3 000 A）并进行分析， 发现换流变网侧星型中性点电流有轻微偏移， 存在较轻微的直流偏磁现象（见图3） 。 录波显示， 闭锁前中性点电流最大值为0.007 A（二次值）。

图3 闭锁前极Ⅱ换流变波形

银川东换流站调取3 月25 日9 时48 分， 双极平衡运行波形（功率2 000 MW， 电流1 515 A） 并进行分析， 发现换流变网侧星型中性点电流无偏轴运行情况， 系统平衡运行良好。 录波最大值（二次值） 为0.007 A， 换流变保护采样值与故障录波采样值一致（见图4、 图5）。

图4 双极平衡运行极Ι 换流变波形

图5 双极平衡运行极Ⅱ换流变波形

银川东换流变饱和保护分别投入告警段与反时限段。 其中， 告警段定值为0.055 A， 延时500 s 动作； 反时限下限定值为0.094 A， 延时5 000 s 动作。 根据上述两种情况分析， 闭锁前时刻网侧星型中性点电流值（二次值） 远远小于告警段定值， 更小于反时限定值（0.007 A＜0.055 A＜0.094 A） 。 双极平衡运行同理。

根据上述时刻电流波形分析， 在极Ⅱ单极大地运行时， 系统存在较轻微直流偏磁现象。 在此期间， 阀控系统运行正常， 交流系统运行正常， 因此排除由触发控制系统异常或交流系统异常造成触发角异常导致的直流偏磁现象。 随后调取极Ⅱ单极大地运行工况、 极Ⅱ单极金属运行工况及双极平衡运行3 种工况， 对中性母线电压UDN 进行分析。 在双极平衡运行时， UDN 在零电位左右。 在单极金属运行工况下， UDN 为29 kV 左右（该运行方式下，逆变站为接地站， 整流站UDN 不等于0 为正常现象） 。 单极大地运行工况下， UDN 为37 kV 左右。对比发现， 在单极大地运行工况时， 中性线电压稍有抬高， 与网侧中性点零电位点形成电势差， 导致轻微直流电流流入换流变网侧中性点， 造成星型网侧中性点电流向一侧偏轴（见图6～第97 页图8）。

图6 单极大地运行工况

图7 单极金属运行工况

图8 双极平衡运行工况

综上所述， 本次单极大地回线运行方式下， 由于接地极地电位升高， 进而造成轻微直流偏磁现象的发生。

4 改进措施

针对已投运的直流工程， 在单极大地运行时易发生直流偏磁引起换流变饱和保护动作的情况， 提出以下改进措施。

对现场运行规程进行补充完善。 在直流系统出现单极大地运行情况时， 现场人员应第一时间检查保护装置及故障录波采样， 判断换流变网侧星型中性点电流运行是否存在偏轴现象， 有无直流电流流入换流变网侧中性点。

换流变饱和保护告警后， 现场应结合后续操作， 建议下一步需投入另一极， 尽快降低系统运行功率和电流， 否则将单极大地运行方式转为单极金属运行方式。

建议研究换流变饱和保护动作增加回降功率动作段的可行性， 并固化回降功率定值。

5 结束语

本文对直流偏磁的定义及目前换流变压器产生直流偏磁的原因进行分析， 在此基础上对银东直流发生的一起由于直流偏磁引起的换流变压器饱和保护动作事件进行针对性分析， 从换流变压器饱和保护的原理、 配置及故障时刻电压、 电流波形， 分析本次银东直流换流变压器饱和保护动作情况。 最后针对已投运的直流工程在单极大地或双极不平衡运行工况下易发生直流偏磁进而引起换流变饱和保护动作， 提出两点改进措施。