换流变档位调节对差动保护的影响及解决方案

胡晓静，徐玉洁，路振宇，刘家军，王海超

(1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000;2.镇平县电业局，河南 镇平 474250)

0 引言

在高压直流输电系统中，换流变压器处在交流电与直流电互相变换的核心位置，起着参与交直流变换、交直流系统电气隔离、抑制直流故障电流、削弱交流系统入侵直流系统的过电压等重要作用，是直流输电系统的核心设备。换流变压器的可靠运行对直流输电系统有着非常重要的意义。

在直流输电系统运行过程中，为了在交流侧电压波动或者直流系统改变运行模式时维持直流线路电压恒定，换流变压器运行时需要进行有载调压。通过有载调压开关调压，可以补偿换流变压器交流网侧电压的变化以及保持触发角运行在适当范围内以保证运行的安全性和经济性[1]。

常规交流变压器有载调压主要用于调整负荷侧电压水平以提高供电质量，调压范围相对较窄，分接头动作也不频繁。在直流系统中，直流电压的变化由换流变压器分接头的调整或换流阀导通角控制来实现，分接头动作比较频繁，同时要求分接头调整范围较大[2]。目前许多远距离高压直流输电工程都利用降压运行来消除直流架空线路的绝缘由于气象及污秽原因而降低时所发生的非永久性接地故障，以提高输电系统的可用率。当采用这种方式时，换流变压器分接头范围的选择应与控制角配合以适应降压要求，这种情况下要求的分接头调整范围最大，往往高达20% ～30%[3]。换流变压器的有载调压开关还参与系统控制以便于让晶闸管的触发角运行于适当的范围内，从而保证系统运行的安全性和经济性。

1 换流变压器差动保护原理

差动保护是换流变压器的主保护，换流变压器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

以图1中星星变为例，差动保护取换流变网侧电流互感器TA1和阀侧电流互感器TA2的电流参与差动保护计算。网侧额定电流，阀侧额定电流，其中Ie1、Ie2分别为星星换流变网侧和阀侧的额定电流，Sn为换流变额定容量，Ue1、Ue2分别为换流变网侧和阀侧的额定电压，n1、n2分别为换流变网侧和阀侧CT的变比。

由于换流变网侧和阀侧均使用套管CT，所以不用考虑高低压侧电流星角转换，但是网侧和阀侧CT变比不同，保护装置需使用换流变的额定容量和网侧额定电压计算出网侧、阀侧电流的平衡系数，用于差动保护中。以换流变网侧电流为基准，计算换流变阀侧电流的平衡系数:

换流变压器在基准档位正常运行时，差流:

2 调档对差动保护的影响

换流变压器档位调节的原理就是通过调节抽头位置改变换流变一、二次绕组接入电路中的线圈匝数，从而改变变压器二次侧的电压。如图2所示，0档位为基准档位，调节档位到+5%档时，变压器二次侧电压U2减小5%，调节档位到－5%档时，变压器二次侧电压U2增大5%。

图2 变压器分接头示意图

以云广工程楚雄站为例，计算换流变档位变化1档时的差流:

云广直流输电工程楚雄站换流变的分接头档位为－6/+18共25档，每档调节1.25%[4]。换流变档位从基准档位上调一档时，网侧绕组匝数增多，N'1=(1+1.25%)*N1，由可知调档后换流变阀侧电压

调档后的差流:

3 怎样减小或消除档位调节对换流变保护的影响

换流变档位调节时，由于保护程序中计算差流使用的平衡系数k不会随档位变化而变化，导致差动保护算法会计算出一定的差流。档位调节越偏离基准档位，计算出的差流越大。差流可能引起保护长期启动，影响保护的安全可靠运行，并且在受到干扰时有可能导致保护误动，甚至造成直流输电系统紧急停运。因此，应尽量减小或消除换流变档位调节对差动保护的影响。主要有以下几种方法。

3.1 选择合适的基准档位

为了尽可能地减小由于档位变化而导致保护程序计算出差流，在选取基准档位时应尽量选择中间档位。这样当档位调节到最高或最低档位时保护程序计算出的差流也比较小。

以云广直流输电工程楚雄站为例，若选取+6档为基准档位，则+6档对应的线电压为网侧额定电压。星星变额定容量Sn=750 MVar，网侧 CT变比 n1=4 000/1，网侧额定电压中Ue1为:

网侧额定电流Ie1为:

以云广工程楚雄站为例，若选取+6档为基准档位，档位调节到+18档时换流变保护装置计算出的差流为:

若选取0档为基准档位，档位调节到+18档时换流变保护装置计算出的差流为:

可见，应尽量选择+6档为基准档位，这样在调分接头到最大档位时产生的差流比较小。在这种情况下，如果差动保护的动作定值小于0.029 A，保护就有可能误动。一般在定值整定时都考虑了分接头调整的影响，差动保护的最小动作电流定值都会高于这个值。但如果保护的启动门槛小于0.029 A，保护就会处于长期启动状态，在干扰状况下也容易误动，影响设备的安全稳定运行。

3.2 定值整定计算时考虑档位调节的影响

整定换流变差动保护定值时，应考虑换流变调档时保护程序计算出的差流的影响，保证差动保护最小动作电流和启动电流大于换流变调到最高档位时引起的差流。

3.3 引入换流变档位参与差动保护计算

考虑将换流变档位信息引入换流变保护装置并参与差动保护计算，这样在档位变化时保护装置CPU可以及时调整计算差流的各个参数，不会造成误计算出差流的情况。

在直流输电工程中，一般将换流变档位信号引入极控档位控制系统，由控制系统根据直流运行方式和功率、电压要求来自动调节换流变档位。换流变分接头控制是直流控制系统的一个重要功能模块[5]。也已经有了将换流变档位信号引入换流变过激磁保护的应用先例，且现场运行情况良好[2]。这说明换流变压器档位信号可以作为保护及控制的辅助判据，能及时可靠地反映档位调节情况。

虽然目前还没有直流输电工程将换流变档位引入换流变保护装置参与差动保护计算的应用先例，但是根据以上分析，此方案能够大大提高换流变差动保护的灵敏度和可靠性，且简单易行、可靠性高。

应用此方案时，应注意以下几点:

1)将换流变档位信息接入换流变保护装置开入插件，同时接入“正在调档”、“档位出错”等信号。换流变档位调节时调节一档的时间比较长，换流变保护装置应确保在一次档位调节过程完成后才确认更新档位信息，而不受中间状态的影响。

2)调档过程为一档一档地调节，在调档过程中保护装置可能会计算出差流，但是只是实际档位与计算档位相差一档所导致的差流，非常小。应合理设置保护启动门槛，保证调档中间过程保护不启动。

3)在发生档位调节器故障、滑档等错误时，应记忆故障前的档位状态或者用基准档位状态计算。

4 结束语

在直流输电系统运行过程中，换流变压器调档非常频繁，而且档位调节范围比较宽，对换流变二次侧电压的影响很大，控制和保护系统中应充分考虑换流变调档的影响。换流变档位变化时差动保护会误计算出一定的差流，这个差流可能会造成保护长期启动，影响设备的安全稳定运行。本文分析了差流产生的原因以及在运行过程中减小差流影响的方法。提出了一种引入换流变压器档位信号的差动保护方案，该方案能够消除调档对换流变差动保护的影响，大大提高保护的可靠性。

[1]陈文毅，杨东东.换流变有载调压开关控制[J].广东水利水电，2007，12(6):92 －94.

[2]宋红涛，张振华，胡晓静，等.引入分接头档位的换流变压器过励磁保护方案[J].电网技术，2011，35(增刊2):808－810.

[3]赵畹君.直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社，2004:308－315.

[4]张志朝，刘涛，宋述波.云广特高压直流工程换流变分接头切换控制研究[J].电力系统保护与控制，2010，38(20):205－208.

[5]张婷，张小亮.葛洲坝换流站换流变分接头档位异常变化原因及整改措施[J].电网与清洁能源，2009，25(10):59－61.