（1.南京南瑞继保电气有限公司 江苏省南京市 211102；
2.国网青海省电力公司电力科学研究院 青海省西宁市 810006）
摘要：针对华中电网官渡站500kV主变空充励磁涌流引起天中直流输电系统长达13s功率波动的现象，在分析励磁涌流引起直流功率波动原因基础上，研究区分励磁涌流和故障电流的特征量，并提出利用换流站交流母线零序二次谐波与基本电压比值优化换相失败预测功能判据，仿真研究表明：优化后的换相失败预测功能判据可降低励磁涌流对直流的影响。
1引言
我国特高压电网建设过渡时期，强直弱交现象明显，交流侧空充交流变压器（含换流变压器）产生励磁涌流造成直流输电系统双极闭锁、功率回降和功率振荡等现象。举例如下：
2011年11月16日，西北电网官亭变电站进行750kV主变压器合闸操作，试运行期间的青藏直流100 Hz保护动作，闭锁直流。南方电网公司2014年04月14日，溪洛渡双回牛从甲直流双极1550MW运行，牛寨站在进行牛从乙极1换流变充电时，牛从甲直流电流中出现50Hz分量，经直流线路的放大，从西站50Hz保护发出切换控制系统和功率回降的请求，牛从甲直流双极功率降为960MW。
2016年5月23日，黑河换流站直流保护50Hz保护动作，直流闭锁。俄侧交流电压畸变，存在100Hz正序分量。初步分析认为，俄侧变压器充电产生励磁涌流造成交流电压畸变的可能性最大。
2016年3月21日，天中特高压直流双极大地回线全压运行，华中电网500kV官渡站#1主变充电，B相励磁涌流有效值达到1136A，持续15s后衰减至10%。该主变充电造成天中直流功率存在40万千瓦波动，13秒后波动平息，扰动期间有功功率峰谷最大差额达到70万千瓦。
针对频发的国家电网公司运行直流输电系统由于交流系统主变充电励磁涌流而导致直流输电系统功率回降、闭锁及扰动等现象，以往研究集中在直流谐波保护算法闭锁判据的选择、定值的整定原则及调整、交流变压器的励磁涌流的特征等。对解决励磁涌流导致的直流输电系统长时间功率回降的研究还未开展，本文从励磁涌流导致直流系统功率回降的机理出发，研究区分励磁涌流与故障电流的特征量，提出了降低励磁涌流对直流系统影响的措施，并利用仿真的手段对提出的措施进行了验证。
2变压器空充励磁涌流引发直流功率波动的原因分析
2.1换相失败预测功能判据
换相失败预测功能用于防止由交流故障引起的换相失败，其判据基于换流站母线零序电压，原理如下：
U0为换流站母线零序电压，Uac为换流站交流母线电压，K为启动系数。当上述判据满足，换相失败预测会提升逆变侧的熄弧角，提升的角度与U0的大小有关。
2.2变压器空充励磁涌流引发直流功率波动的原因分析
励磁涌流是由于变压器铁芯饱和造成的，变压器空充时，励磁涌流是否产生以及涌流的大小与合闸角有关，电压绝对值最小时候合闸产生的涌流最大。波形完全偏离时间轴的一侧，并且出现间断。励磁涌流越大，间断角越大。含有很大成分的非周期分量，间断角越小，非周期分量越大。含有大量的高次谐波分量，而以二次谐波为主。间断角越小，二次谐波也越小。对于三相变压器，由于三相电压之间有120°的相位差，因而三相励磁涌流不会相同，任何情况下空载投入变压器，至少在两相中要出现不同程度的励磁涌流，因此空充主变不仅会向交流系统中注入谐波，而且会向交流系统注入零序电流，谐波电流和零序电流传播到换流站，会使得换流站交流母线产生谐波电压和零序电压。
零序电压的峰值大于换相失败预测功能判据的定值，换相失败预测功能会增大逆变侧换流器的熄弧角，提升的角度与零序电压大小有关，逆变侧熄弧角在不断变化，从而导致直流功率在不断的波动。
3换相失败预测功能判据优化研究
目前换相失败预测功能主要是用于预防交流接地故障引起的换相失败，预测判据没有考虑励磁涌流引起换相失败预测功能动作带来的不良影响，本章从区分励磁涌流和故障电流出发，优化换相失败预测功能判据，目的是降低由于励磁涌流导致换相失败预测逻辑动作带来的不利影响。
3.1仿真系统概述
利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC X4搭建了交直流仿真系统，交流系统由某区域电网2016年冬季低谷方式数据经过多点等值得到，直流系统采用实际工程程序经过代码转换得到，保留了直流系统真实的控制保护特性。搭建的仿真系统与工程上用的RTDS仿真系统进行了对比研究，图1为对比研究的波形。对比表明两个仿真系统特性一致，说明利用PSCAD搭建交直流仿真系统可用于直流系统换相失败预测功能判据优化研究。
(a)RTDS仿真系统录波
(b) PSCAD仿真系统录波
图1直流输电系统电流阶跃响应试验RTDS和PSCAD仿真系统波形对比
3.2励磁涌流与故障电流对换流站母线电压影响的对比研究
交流系统接地故障电流和励磁涌流均会在换流站交流母线产生零序电压，为了研究励磁涌流和故障电流引起的换流站母线零序电压特征差异，利用搭建的仿真系统，对比研究了单相接地故障、两相接地故障、三相接地故障和励磁涌流引起的换流站母线零序电压特征，仿真结果如图2和表3-1。
(a)励磁涌流 (b) 单相接地故障
(c)两相接地故障 (d) 三相接地故障
图2 励磁涌流和故障电流引起的换流站母线零序电压波形
表3 1励磁涌流和故障电流引起的交流母线电压特征量
仿真研究表明：
（1）励磁涌流引起的零序二次谐波电压大于零序基波电压，而且持续时间较长；
（2）单相接地和两相接地故障电流引起的零序二次谐波电压一般小于零序基波电压；
（3）三相接地故障电流引起的零序电压非常小，但是在三相接地故障恢复的过程中，零序次谐波电压大于零序基波电压，但是持续时间较短小于40ms。
3.3换相失败预测功能判据优化研究
根据励磁涌流和故障电流引起的换流站母线零序电压的差异，来优化换相预测功能判据。优化后的判据原理如下：
K1一般取0.11，换相失败预测功能动作，提升逆变侧熄弧角，同时计算换流站交流母线零序二次谐波电压零序基波电压的比值λ，当λ>1，且持续时间大于40ms，则当满足下式，其中K2取0.2，换相失败预测功能才动作。
利用搭建的仿真系统对比研究了判据优化前后，同一变压器空充励磁涌流对直流的影响，仿真结果如图3和图4所示，图中的ALPHA_ORD表示逆变侧触发角，GAMMA_CFC表示逆变侧熄弧角，CFPREV_DEG为换相失败预测功能输出的角度，也为逆变侧熄弧角提升的角度。
图3 换相失败预测功能优化前空充变压器励磁涌流对直流系统的影响
图4 换相失败预测功能优化后空充变压器励磁涌流对直流系统的影响
仿真结果表明，换相失败预测功能优化后可将空投变压器励磁涌流对直流功率的波动时间由4.8s降低到0.5s以内，大幅度缩短了空投变压器励磁涌流对直流波动的时间，因此优化后的换相失败预测功能判据可减小励磁涌流对直流的影响。
4结论
本文针对空投变压器励磁涌流对直流的影响以及治理措施进行了研究，可以得到如下结论：
(1)空投变压器励磁涌流会引起直流功率长时间波动，经过分析是由于励磁涌流引起换相失败预测功能动作导致。
(2)利用换相站交流母线零序二次谐波电压和零序基波电压的比值可区分励磁涌流和故障电流。
(3)换流站交流母线零序二次谐波电压零序基波电压的比值λ大于1，且持续时间大于40ms，将换相失败预测功能零序电压判据中的系数提升至0.2，可降低励磁涌流对直流系统的影响。
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论文作者:汪凤月2,刘永刚1,罗敏2,陈卉2,钟高跃1,何俊
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/6/8
标签：励磁论文; 电压论文; 判据论文; 谐波论文; 系统论文; 母线论文; 故障论文; 《电力设备》2018年第1期论文;