冯国东

(上海思弘瑞电力控制技术有限公司，上海 201108)

一种换流变压器零序过流保护改进方案

冯国东

(上海思弘瑞电力控制技术有限公司，上海 201108)

针对某换流站换流变压器空充时零序过流保护误动这一事故，根据故障录波器波形证实了此次保护为正确动作。通过对比发现：国家电力调度继电保护处和南方电网电力调度继电保护处，在整定换流变零序过流保护时基于的整定原则不一致。经优化零序过流保护逻辑，将空充标志状态引入零序过流保护，使得保护装置能够在判别出换流变处于空充时自动投入零序过流保护的二次谐波闭锁功能，正常运行时退出保护的二次谐波闭锁功能。既能确保空充时零序过流保护不误动，又能保证正常情况下发生接地故障时零序过流保护的可靠性。最后通过将故障录波器波形进行故障回放验证了方案的正确性。

直流输电；换流变压器；零序过流保护；二次谐波闭锁；空充标志状态；故障回放

0 引 言

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。

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压器和星星接法的变压器构成[1]。

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，因此换流变压器的保护功能应该根据其自身的特点尽可能地完善和可靠[2]。

1 问题的提出

2012年4月初，国家电网公司某直流换流站年度检修后对极 1 换流变进行充电时，双套换流变保护中星星换流变零序过流1段和零序过流2段均动作，跳开换流变进线断路器。查阅该换流站换流变零序过流保护定值如表1所示。

表1 国家电网公司某换流站零序过流保护定值

调取现场故障录波器录波后发现，在换流变充电时刻，星星换流变A、C相均出现了较大的励磁涌流，网侧中性点侧流过较大的不平衡电流。从故障录波器波形可以看到，充电瞬间流经星星换流变网侧中性点的零序电流二次侧基波幅值达到1.06 A，远大于定值，6 s后虽然励磁涌流有较大衰减，但依然超过零序保护定值，零序过流保护两段均动作。事故发生后，检查星星换流变无故障，再次充电后成功。

此次事故中，星星换流变本身并无异常，由于星星换流变的励磁涌流很大且衰减较慢，导致其零序过流保护动作，开关跳闸，延缓了送电[3]。

2 现状及存在的主要问题

一般来说，星星换流变和星角换流变均会配置零序过流保护，并可通过整定相关定值控制字来选择各段零序过流是否投入及是否经二次谐波闭锁。零序过流保护采用换流变中性点专用零序TA的电流，有定时限特性和反时限特性。

查阅国家电网公司宁东直流、三沪直流、高岭背靠背和溪洛渡-浙西等直流输电工程中的换流变保护定值发现：虽然各直流输电工程中换流变零序过流保护动作定值和延时不尽相同，但是动作定值整定原则都是与交流系统零序保护最末一段配合，延时定值躲过交流系统接地故障最长切除时间且其二次谐波闭锁功能均退出，典型定值如表1所示。而中国南方电网公司所属的天广直流、云广直流和糯扎渡直流输电工程中，换流变保护中的零序过流保护定值中虽然定值整定原则同上，但其谐波闭锁功能均投入，典型定值如表2所示。

表2 南方电网公司某换流站零序过流保护定值

换流变网侧零序过流保护本意作为换流变压器网侧绕组、网侧引出线、换流站内母线以及相邻输电线路接地故障的后备保护。但由于零序电流本身能够反映三相电流的不对称性，因而变压器空充时其零序过流保护存在误动的风险，尤其是对于换流变这样电压等级高且容量很大的变压器而言，空充时其励磁电流较大且衰减很慢。

所以，很多继电保护厂家在零序过流保护逻辑中辅以二次谐波闭锁判据，零序过流保护是否经二次谐波闭锁经控制字“零序谐波控制”投退。利用空充时励磁电流中含有丰富的二次谐波这一特征闭锁零序过流保护，这一举措可以有效地降低零序过流保护在变压器空充时误动的风险[4-5]。

综上所述，通过在空充前投入“零序谐波控制”控制字，空充后退出该控制字便可以较好地解决换流变零序过流保护误动的问题。但是问题在于：直流换流站中换流变压器保护定值由国家电力调度继电保护处或南方电网电力调度继电保护处下发，其定值下发后不再变更。国家电网公司直流输电工程中换流变零序过流保护无谐波闭锁功能，空充时零序过流保护存在误动风险；而南方电网公司直流输电工程中换流变零序过流保护有谐波闭锁功能，降低了空充时零序过流保护误动风险，却使得本该作为交流系统发生接地故障时最后一级保护的换流变零序过流保护具有了闭锁判据，导致其可靠性降低，显然也是不合理的。

因而，如何让换流变保护装置能够识别换流变运行状态并自动投入或退出零序过流保护谐波闭锁功能就显得很有现实意义。通过改进零序过流保护方案可以实现：换流变保护装置在判别出换流变处于空充时自动投入零序过流保护的二次谐波闭锁功能，正常运行时自动退出该保护的二次谐波闭锁功能[6-7]。

3 故障录波器波形回放

图1 故障录波器波形故障回放

将换流变零序过流保护定值按照现场定值整定，通过PW系列继电保护测试系统将故障录波器波形进行故障回放(如图1所示)。零序过流保护1段和2段均动作，再次证实了此次保护动作的正确性。

投入“零序谐波控制”，二次谐波含量设定为0.15，再次进行故障回放，零序过流保护1段和2段均可靠不动作。这一现象也证明了第二节末段想法的可行性。可以设想，如果换流变零序过流保护能够在空充时自动投入其二次谐波闭锁功能，就能有效地避免类似事故的发生。

4 零序过流保护逻辑优化

本文提出将换流变空充标志状态引入零序过流保护，当换流变保护装置判别出换流变处于空充状态时自动将零序过流保护中的二次谐波闭锁功能投入，而当保护装置判别出换流变不处于空充状态时自动退出二次谐波闭锁功能。由于换流变保护采用空投过程中故障识别专利技术，短时投入按相综合开放判据，既能正确识别励磁涌流，又能在空投故障变压器时快速可靠地开放差动保护，故换流变保护本身具有空充标志状态。只需将其引入零序过流保护的动作逻辑[8]。

由于本次修改主要涉及零序过流保护的谐波闭锁部分，因而其余部分只简要列出。改进前后的零序过流保护动作逻辑分别如图2和图3所示(以星星换流变零序过流保护为例)。

图2 改进前零序过流保护动作逻辑图

图3 改进后零序过流保护动作逻辑图

图2中，在原保护逻辑中，当控制字“零序谐波控制”投入时，谐波闭锁元件才可能动作，从而闭锁零序过流保护；当控制字“零序谐波控制”退出时，谐波闭锁元件状态置0，不会闭锁零序过流保护。

图3中，改进后的谐波闭锁逻辑图中已无控制字“零序谐波控制”，换流变保护装置自动识别空充状态，判为空充状态时空充标志状态置位1，谐波闭锁元件才可能动作，判为非空充状态时空充标志状态置位0，退出二次谐波闭锁[9-10]。

5 新方案下故障录波器波形回放

为了验证改进后换流变零序过流保护的正确性，将故障录波器录波文件进行第三次故障回放。同时为了对比分析，零序过流保护1段仍保留原有动作逻辑。故障回放结果显示零序过流保护1段动作，零序过流2段可靠不误动，验证了改进后方案的正确性。换流变保护装置录波波形如图4所示。

图4 换流变保护装置录波波形

其他说明：文献[11]中通过此次事故展开思考，分析星星换流变和星角换流变的零序电抗存在较大差异，导致网侧发生接地故障时流经两者中性点的零序电流大小不一样。最后得出：对于星星换流变，其零序过流保护没有投入的必要。本文仍支持这一结论，可以分析出，若采用上文中提出的零序过流保护改进方案，即使星星换流变零序过流保护投入，空充时其也不会误动[11]。

6 结束语

本文提出将空充标志状态引入换流变零序过流保护，使得换流变保护装置能够在判别出换流变处于空充时自动投入零序过流保护的二次谐波闭锁功能，正常运行时退出该保护的二次谐波闭锁功能。既能确保空充时零序过流保护不误动，又能保证正常情况下发生接地故障时零序过流保护的可靠性。最后通过现场故障录波器波形故障回放验证了该方案的正确性。

[1] 赵畹君. 高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社，2004.

[2] 王维俭.电气主设备继电保护原理和应用[M].2版.北京:中国电力出版社，2002.

[3] 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.

[4] 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.

[5] 刘家军.两种星角换流变差动保护方案比较[J]. 创新科技，2014，17(12):90-92.

[6] 郭碧媛.220 kV主变110 kV侧零序过流保护跳闸整定的改进[J].电力系统保护与控制，2010，38(20):209-210，216.

[7] 彭海平. 500 kV变压器中压侧及220 kV出线零序过流保护配置及整定方法研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(1):128-131.

[8] 张 柳.大型火电厂变压器分支零序保护误动案例分析 [J].电力系统保护与控制，2010，38(23):223-226.

[9] 聂鸿宇.特高压换流变压器非常规安装及现场局部放电试验 [J]. 中国电力，2013，46(11):22-25.

[10] 郝俊芳.直流换流站星角换流变差动保护的灵敏度校验 [J]. 中国电力，2014，47(9):118-121.

[11] 刘家军.直流输电中换流变压器零序过流保护的探讨[J]. 中国电力，2014，47(6):22-25.

定稿日期: 2016-05-09

An Improved Scheme for Zero-sequence Over-current Protection of Converter Transformers

Feng Guodong

(Shanghai SHR Electrical Power Technology Co., Ltd., Shanghai 201108,China)

With respect to a maloperation of zero-sequence over-current protection of the converter transformer at a converter station during transformer charging, the waveform from the fault oscillograph verifies that it is a correct protection action. Through comparison, it is found that the power dispatch relay protection department of the State Power Grid and that of the China Southern Power Grid apply different principles for setting zero-sequence over-current protection for the converter transformer. Though optimization of the zero-sequence over-current protection logic, zero-sequence over-current protection is applied to the charging mark state, so that the protection device can automatically initiate second harmonic lock for zero-sequence over-current protection when it figures out the converter transformer is in charging state. During normal operation, the lock function is not in effect. In this way, no maloperation of zero-sequence over-current protection will occur during charging. Furthermore, the reliability of zero-sequence over-current protection is ensured in case of a grounding fault under normal conditions. Finally, fault playback through the fault oscillograph verifies the correctness of this scheme.

HVDC; converter transformer; zero-sequence over-current protection; second harmonic lock; charging mark state; fault playback

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.002

TM71

A

1000-3886(2016)06-0005-03

冯国东(1967-)，男，河南周口人，硕士，高级工程师，从事电力系统继电保护装置的研究和开发。

定稿日期: 2015-02-24