摘要：换流变压器是特高压换流站的重要设备，其安全可靠性直接影响着直流输电系统的稳定运行，因此对换流变压器保护系统的完善与研究具有重要的意义。本文通过与常规变压器保护系统的比较，分析换流变压器保护的配置原则与保护范围，重点阐述了主保护和后备保护的工作原理。
关键词：特高压；直流输电；换流变压器；保护系统
引言
相对于传统交流输电系统，特高压直流输电具有输送距离远、容量大、损耗小、可以快速控制等优点，已成为我国“西电东送”工程的主动脉。然而换流站设备数量多、造价高、技术复杂，特别是换流变压器在换流站的投资中占据很大的比重，因此对其保护系统的研究具有重要的现实意义。
一、换流变压器与常规变压器的比较
换流变压器是特高压直流输电工程中的主要设备之一，利用磁耦合原理传送功率，实现交直流系统的电绝缘与隔离。换流变压器与普通变压器结构基本相同，然而由于其运行与换流器换相工作密切相关，因此在直流偏磁、谐波特性、绝缘要求等电气特性上与普通变压器有较大不同，换流变压器具有以下特点：
1）存在直流偏磁情况：直流偏磁会导致铁心周期性饱和，产生低频噪声，增加变压器损耗与温升。
2）绝缘裕度要求高：换流变压器在运行中要同时承受交流电和直流电的应力作用，要求变压器绝缘尤其是阀侧绝缘对工作场强有较大的耐受裕度。
3）有载调压范围大：为满足阀侧电压随负载变化的特点，换流变压器具有大范围有载调压能力，远多于普通变压器。
4）短路阻抗较大：当换流变桥臂短路时，为限制短路电流对换流阀造成损坏，换流变设计有较大的短路阻抗，即漏电抗。
5）谐波较大：换流变在运行中会流过特征谐波与非特征谐波电流。谐波作用于变压器漏磁将使杂散损耗增大，甚至使金属部件产生局部过热。
二、换流变压器保护的特点与配置原则
2.1 换流变压器保护的特点
换流变压器是连接交流系统和直流系统的重要设备，因此完善可靠的换流变压器保护系统对保障直流输电工程稳定运行具有重要的作用。换流变压器保护与普通变压器相比主要有以下区别：
1）可靠性增强：换流变压器保护采用三取二原则配置，保护装置相互独立。
2）与直流控制系统关联紧密：保护动作出口不直接连接到相应断路器，而是通过和直流控制系统相配合，使其能快速切除故障并迅速恢复正常运行。
3）与直流系统运行工况相关：直流系统故障属于换流变区外故障，短路电流较小。
2.2 换流变压器保护的要求与配置原则
换流变压器保护范围为各侧断路器之间全部区域，分为区内故障和区外故障。区内故障分为油箱外和邮箱内两种，油箱外包括套管和引线上的接地短路和相间短路，油箱内故障包括匝间短路、铁芯烧损和接地短路等，区外故障包括阀厅整流侧阀短路故障。由于结构与电气性能的区别，使换流变压器保护的要求较普通变压器更高，其配置应遵循如下原则：
1）可靠性：保护装置采用三取二配置，每套装置均有独立完整的硬件设施。
2）灵敏性：保护配置采用分区重叠且无死区，可以检测到所有可能导致设备处于危险情况的故障和异常信息。
3）选择性：保护配置应减少对系统的影响，避免事故范围扩大。
4）快速性：应迅速响应故障，配合直流控制保护系统，尽快隔离故障，避免人身设备危险。
5）安全性：各项保护均能正确动作，不发生拒动和误动情况。
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2.3 保护的主要类型与原理
换流变保护装置只采取工频分量，以防止换流站特有谐波影响保护判断，换流变的主保护包括瓦斯保护和差动保护，后备保护包括饱和保护、零序过电压、零序过电流等。差动保护主要用于保护绕组单相接地、套管及出线相间短路等故障，包含零序比率差动、稳态比率差动和工频变化量比率差动三种。同时为了防止短路电流较大时，产生制动力矩导致保护拒动，因此增设差动速断保护。瓦斯保护主要反应变压器油箱内故障，如铁芯过热烧伤、油面降低、匝间短路等，此类故障不会引起差动保护动作，但瓦斯保护可以灵敏的反应。
换流变后备保护主要作为瓦斯保护和差动保护的近后备保护以及变压器外部故障的远后备保护，一般分为过流保护和复压过流、负序电流单相低电压保护、过激磁保护，动作时限按阶梯原则整定。
三、换流变电量保护的配置
3.1差动保护
换流变差动保护建立在变压器功率平衡的原理之上，主要反应工频分量，原理与常规变压器基本相同。但换流变压器在正常运行中便会流过较大谐波电流，会对TA饱和判据和励磁涌流判据造成较大影响。同时由于短路阻抗较大，当发生内部故障时差流较小，因此在保护方案设定和整定定值时可以配置零序差动保护，提高绕组靠近中性点处发生接地故障时差动保护的灵敏度。该保护与磁平衡没有直接关系，可以不受励磁涌流影响，提高了保护的灵敏度和速度。另外由于阀侧单相接地故障下，直流短路和不接地系统的两相故障反复切换导致差电流中含有大量的直流电流和谐波含量。同时差电流出现间断可能导致该相电流基本消失导致保护可能不能出口，可以通过设置阀侧绕组差动保护提高保护的精确性。
3.2后备保护
换流变后备保护主要由、过流保护、饱和保护、零序过电流、零序过电压等构成。
过流保护为各类故障的后备保护，只需与直流最大过负荷能力配合，不需要方向闭锁和复压闭锁，灵敏度要求低。
饱和保护针对有直流电流直接入地的工况，如大地金属回线运方式时，直流电流会流入变压器原边绕组，导致发生直流偏移。当直流电流过大时，会导致绕组损耗和温升增加，变压器铁心饱和。
零序过电流保护主要针对接地故障，具有二次谐波的制动闭锁功能，当二次谐波含量大于定值，闭锁该保护。
零序过电压保护针对在阀解锁之前的阀侧交流连线接地故障，当阀侧交流连线处零序电压的数值超过定值时判为接地故障，在阀解锁后该保护闭锁。
四、换流变压器非电量保护的配置
换流变非电量保护主要针对变压器内部故障，当发生故障时电能会转化为热能，同时绝缘油体积会剧烈膨胀甚至分解为气体，通过设置非电量保护，可以将故障控制在一定范围之内，保护换流变压器本体，防治事故扩大。换流变非电量保护主要包括重瓦斯保护、轻瓦斯保护、油温高、绕温高、冷却器异常、油位异常等。
五、换流变保护与直流控保系统的联系
直流控保系统分为极控、站控、阀控、极保护、换流变保护等分系统，其中极控制系统是整个直流控保系统的中心，因此全部一次电气测量装置与控制保护装置均与其有接口联系。极控系统与极保护、换流变保护、交流保护等通过现场总线连接，与换流器测量设备通过光纤或硬接线连接，与SCADA系统、直流站控、GPS等系统通过LAN网连接。
换流变保护出口的顺序如下：换流变保护为“三取二”逻辑设计，动作后通过硬接线与阀组测量接口屏CMI相连，在阀组测量接口屏通过光纤连接至阀组保护控制屏CCP，阀组保护控制屏接收到保护信号后，将指令通过光纤传输至交流场断路器保护屏和极控制保护屏，最后极控制保护系统进行判断，并实施相应的跳闸和闭锁动作。
结语
本文在分析比较特高压换流变与常规变压器结构功能异同的基础上，详细阐述了其保护原理与配置原则的区别，并分别对其电量保护中的主保护和后备保护以及非电量保护进行具体说明，对换流变保护与直流控保系统的联系进行简要分析，为了解换流变压器保护配置起到一定的帮助作用。
参考文献：
[1]韩晓东，翟亚东.高压直流输电用换流变压器[J].高压电器，2014.
[2]浙江大学发电教研组直流输电科研组直流输电[J].2015.
论文作者:郝成龙1,李琪2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/17
标签：故障论文; 变压器论文; 系统论文; 电流论文; 谐波论文; 电量论文; 差动论文; 《电力设备》2017年第20期论文;