特高压直流输电换流变压器保护及充电试验的探讨

特高压直流输电换流变压器保护及充电试验的探讨

孔维卿

国网甘肃省电力公司超高压公司  甘肃省兰州市 730070

摘要：在我国电力作为主要能源，由于我国幅员辽阔，所以特高压输电在电力系统具有重要意义。换流变压器对直流输电而言十分重要，能够对系统运行的稳定性及安全性起到一定的保护作用，因此需要对其给予足够的重视。在换流站建设过程中，变压器的投资占据较大的比例。然而，存在较多因素会对变压器产生影响，从而导致变压器运行安全遭受威胁。所以，在直流输电系统运行中，必须重视变压器运行安全的保护。

关键词：特高压直流输电；变压器；充电试验

引言：对于高压直流输电系统，换流变压器的作用是连接交、直流侧电网，但其却常因运行环境恶劣而频发故障。其中，换流变压器故障是指继电保护装置常由变压器主绝缘缺陷引起的励磁电流畸变、局部放电所致，其在任一情况下都会危及直流输电系统运行的安全稳定性。

1.换流变压器的基本特点

1.1存在直流偏磁问题：直流偏磁不仅导致铁心周期性的饱和，并发出低频噪声，而且也将使得变压器的损耗和温升大幅增加。

1.2需要更高的绝缘裕度：换流变压器在运行中既要承受交流电应力作用，又要承受较大分量的直流电应力作用，要求变压器绝缘尤其是阀侧绝缘对运行中的工作场强有足够的耐受裕度，其绝缘问题非常突出。换流变压器阀侧除应承受一般交流电压外，还要承受叠加的直流电压，在系统输送能量反向时，还有阀侧绕组的直流极性反转以及冲击试验电压等。换流变压器在运行中的绝缘事故在全部事故所占比例为50%左右。

1.3谐波问题：换流变压器在运行中会流过特征谐波和非特征谐波电流。这些谐波作用于变压器漏磁使得变压器杂散损耗增大，有时还会使一些金属部件和油箱产生局部过热。数值较大的谐波磁通会引起磁滞伸缩噪音，且处于声觉敏感频段，必须采取有效的隔音手段。

2.特高压直流输电控制及保护技术分析

2.1直流控制技术

（1）系统结构

从结构来看，直流控制系统的特点在于任何情况下都能够从极中修改换流阀，同时在运行过程中，可以直接维护其中某个换流阀，当换流阀出现故障时，可以在将其隔离开来，保护其他系统的正常运行。且极层电流的控制设备可以对每个换流阀进行独立设置，实现双极协调控制。特高压直流控制系统实现了极层、双极层和换流器层的分离，避免了某处发生故障后对其他结构所造成的影响。特高压针对换流层而提出了极层电流控制、换流层启动控制和串联顺序控制等特殊的功能。

（2）LAN网安全性

在高压直流输电工程中，主要是利用双重化的LAN网将系统和计算机相连接，而特高压直流输电系统中，则是通过串流换流阀进行了双重化的LAN设置，这种方式能够将网络进行分区管理和控制，并通过防火墙和其他保护设置来保护直流输电系统的安全性，避免了外界的入侵，可有效提高系统的防御能力。另外，分区域的LAN管理还能够减少总线的复杂性，使系统更加安全可靠。

（3）主机稳定性

传统的MACH2板卡较少发生故障，但是为了确保运行的流畅性，特高压直流输电系统中的DCC800还是去掉了有一定概率发生故障的板卡。从主机结构来看，特高压直流的控制系统采用了冗余主机，不同层次和系统之间通过光纤进行连接，这样能够避免软件的切换，可通过FPGA编程有效控制系统的快速切换。

（4）控制算法

特高压直流输电控制算法主要包括功率补偿、阀组控制、换流单元的在线投退策略、融冰运行模式等部分，这是其与普通高压直流输电控制系统的最大区别，也是进行装置和系统修改的主要区域。

2.2直流保护技术

（1）对换流变压器的保护

在双极运行不平衡、不对称或者中性线连接出现故障时，会产生较大的变压直流电流，为了进一步显示出换流变压器的饱和情况，避免直流电流进入换流变压器而导致直流饱和，特高压直流系统提出了利用安装直流电流互感器的方式来加强对换流变压器的保护，这是因为，变化变压器中性线中有1个中性点，这个点能代表着直流电流的周期性峰值，是反映换流变压器直流偏磁情况的一个关键部分。总的来说，对于换流变压器的保护主要是监测变压器中性线的直流电流和，确定各项参数在设置的定值之下，若出现参数异常的情况，系统会通过自行报警、切断电路和跳闸的方式进行有效闭锁。

（2）不平衡运行保护

在运行中，如果不同站点的换流器数量不一致，会导致系统不平衡的情况，而直流保护技术会通过检测阀组数目，来确定是否进行保护动作。一旦检测出异常，会通过强制停运来对保护换流单元的运行。

（3）旁通对过载保护

这一保护装置的目的在于避免旁通对过载过程中出现的可控硅过载，其原理为通过检测投入过程中旁通晶闸管的温度，确定晶闸管的承受能力，进而保护其他相应的阀组，通过动作锁闭、充足旁通断路器将该系统转变为隔离状态，以此来避免异常电流和电压的不良影响。

（4）阀连接母线区保护

特高压直流系统和高压直流系统的不同在于，增加了阀连接母线区的保护，这项保护装置是用来检测每级脉冲换流器的接地故障问题，若脉冲换流器大于整定值，系统就会自动延时跳闸。

2.3差动保护

换流变压器差动保护和交流系统变压器差动保护原理基本相同，都是反应的工频分量，也都是建立在变压器功率平衡的原理之上。但是换流变压器中正常情况下就流过较大的谐波电流，这些谐波电流对励磁涌流判据和TA饱和判据会产生较大的影响；同时由于换流变压器的短路阻抗较大，内部故障情况下差电流较小，在设计保护方案和整定定值时都要充分考虑到换流变压器的这些特点，为了提高交流绕组靠近中性点处发生接地故障时差动保护的灵敏度，可以配置交流绕组的零序差动保护（包括绕组差动保护）。由于该差动保护与变压器的磁平衡没有直接关系，可以不受励磁涌流判据的闭锁，因此大大提高了变压器差动保护的灵敏度和动作速度。此外，由于阀侧单相接地故障情况下是不接地系统的两相故障和直流短路的反复切换，导致差电流中含有大量的谐波含量和直流电流（直流电流不能被保护反应）；同时，差电流出现间断，极端情况下可能导致该相电流基本消失（直流系统换相失败），导致变压器差动保护有可能在此情况下不能出口，此情况下如果条件允许，可增设阀侧绕组差动保护，以提高这种故障下差动保护的灵敏度。

3.换流变压器的充电试验

总共进行三次充电试验，后两次通过开路试验进行。（1）通过手动来控制换流变压器分接开关，把换流变压器二次侧电压设置为最低；（2）闭合断路器，首次给极I 低端换流变压器充电；（3）再次手动控制换流变压器分接开关，设置为空载挡位；（4）将换流变压器分接开关控制的手动换成自动；（5）换流变压器首次充电后，使其运行1h；（6）在换流变压器带电运行过程中，检查并记录数据；（7）切断断路器，停止给换流变压器充电；（8）过5min，再次闭合断路器，再次给换流变压器充电；完成换流变压器充电后，继续使之运行15min；与此同时，对换流变压器、交流母线和阀厅进行检测，检测是否会出现电晕放电等其他事故出现，并给予记录；（9）断开断路器，换流变压器再次断电；（10）过5min，闭合断路器，第三次给换流变压器充电；同上步骤，充电之后继续保持运行15min；重复步骤（9）；（11）断开断路器，换流变压器最后一次断电；最后将断路器转冷备用，结束极I 低端换流变压器带换流器投切及带电试验。

结语

综上所述，特高压直流输电技术以其特有的特点与技术优势将在我国未来的经济建设、社会发展等方面担负起重要作用。从我国实际情况来看，发展特高压直流输电工程，是落实科学发展观，贯彻国家能源政策，确保电力工业全面、协调、可持续发展的重大举措，有利于实现更大范围的资源优化配置，满足未来我国经济社会发展的用电需求，具有重大的政治意义、经济意义和技术创新意义。

参考文献：

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[2]吴谦，周立龙，王新宇.特高压直流输电换流变压器保护及充电试验研究[J].低碳世界，2016，（06）：61-62.