(完整版)換流變壓器與交流系統(tǒng)的主變壓器比較

1、換流變壓器與交流系統(tǒng)的主變壓器比較超高壓直流輸電由于其特有的優(yōu)點(diǎn)，越來越廣范的得到應(yīng)用。這些優(yōu)點(diǎn) 1> 包括：不須考慮穩(wěn)定問題； 線路故障恢復(fù)能力較強(qiáng)；調(diào)節(jié)作用利于交流系統(tǒng)的穩(wěn)定；減少互聯(lián)交流系統(tǒng)的短路容量；超過一定距離建設(shè)投資更經(jīng)濟(jì)等。我國目前已投運(yùn)的超高壓直流輸電工程包括葛上直流、天廣直流和三常直流等，在這些工程中所有的保護(hù)與控制系統(tǒng)都是國外進(jìn)口設(shè)備。換流變壓器是直流輸電系統(tǒng)中必不可少的重要設(shè)備。它可以提供相位差為 30°的 12 脈波交流電壓， 降低交流側(cè)諧波電流；作為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的電氣隔離，提供閥的換相電抗；通過換流變壓器可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)交流電壓，以使直流系統(tǒng)

2、運(yùn)行在較優(yōu)的狀態(tài)等。換流變壓器的投資在換流站中占有很大的比例，換流變壓器的可靠安全運(yùn)行是直流輸電系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此對換流變壓器提供完善的保護(hù)功能對直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行顯得尤為重要。下面主要討論換流變壓器的特點(diǎn)、直流輸電的各種運(yùn)行工況對換流變壓器保護(hù)的影響，并結(jié)合其特點(diǎn)提出相應(yīng)的保護(hù)原理與方案。1 換流變壓器的特點(diǎn)以及對保護(hù)帶來的影響1.1 短路阻抗直流輸電中閥的換相過程實(shí)際上就是兩相短路，為了將換向過程中的電流限制在一定范圍內(nèi)，換流變壓器的短路阻抗要大于一般變壓器。短路阻抗過大，會使換流變壓器二次側(cè)故障時短路電流較一般變壓器小，因此保護(hù)配置與整定要在這方面予以考慮。1.2

3、直流偏磁當(dāng)直流系統(tǒng)在使用大地回線的情況下，在一些運(yùn)行工況下會有直流電流流入大地，如雙極不平衡運(yùn)行，單極大地回線方式等，使地電位發(fā)生變化，造成直流電流流入變壓器原邊繞組，使換流變壓器發(fā)生直流偏磁，工作點(diǎn)偏移。如果此直流電流過大，會導(dǎo)致?lián)Q流變壓器鐵心飽和，同時損耗和溫升也將增加。因此，要配置相應(yīng)的保護(hù)防止這種情況下對換流變壓器造成的損壞。1.3 諧波由于換流器的非線性，在交流和直流系統(tǒng)中將出現(xiàn)諧波電壓和電流。對于換流變壓器，主要會流過特征諧波電流，即 p*n 1 次諧波電流（ p 為脈波數(shù)， n 為任意正整數(shù)） 。在運(yùn)行中，諧波電流會使換流變壓器損耗和溫升增加，產(chǎn)生局部過熱，發(fā)出高頻噪聲，還會使交

4、流電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)和電容器過熱，對通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾。這些諧波電流應(yīng)加以考慮，以免對保護(hù)裝置造成影響。1.4 調(diào)壓分接頭為了使直流系統(tǒng)運(yùn)行在較優(yōu)的工況，減少交流系統(tǒng)電壓擾動對直流系統(tǒng)的影響，換流變壓器都具有較大范圍的利用分接頭調(diào)整電壓的功能。例如：三峽到常州工程三峽側(cè)換流變壓器檔位范圍25/-5，每檔調(diào)節(jié)范圍1.25%。因此保護(hù)設(shè)計(jì)時要考慮分接頭調(diào)整帶來的影響，如正常運(yùn)行時變比的變化等。1.5 直流系統(tǒng)的特殊運(yùn)行工況由于直流控制系統(tǒng)的特殊調(diào)節(jié)作用，使換流變壓器遇到的運(yùn)行工況以及故障情況不同于普通變壓器。這些不同主要包括以下幾點(diǎn)：a. 直流系統(tǒng)的故障相當(dāng)于換流變壓器的區(qū)外故障，一般短路電流都不會太大

5、。對于整流側(cè)，穿越換流變的電流會增大，但由于直流控制保護(hù)系統(tǒng)的快速作用，很快會減小。對于逆變側(cè)，直流系統(tǒng)的故障會造成直流電流無法傳變至交流側(cè)，反而會使穿越電流減小。b. 對于換流變壓器保護(hù)來說，直流系統(tǒng)造成的較嚴(yán)酷的區(qū)外故障為整流側(cè)的閥短路故障，相當(dāng)于換流變出口的兩相或三相短路故障。但由于直流保護(hù)的干預(yù)，實(shí)際只會出現(xiàn)半個周波的兩相短路。對于逆變側(cè)，由于觸發(fā)角很大，閥短路時流過換流變壓器的電流較整流側(cè)小很多。c. 換流變壓器發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，直流系統(tǒng)一般不會提供短路電流。這是由直流控制系統(tǒng)的作用造成的。在整流側(cè)，功率由交流側(cè)轉(zhuǎn)換至直流側(cè)，換流變壓器的故障只會造成這種轉(zhuǎn)換的停止，而不會使功率反向，因

6、此直流側(cè)不會提供短路電流；在逆變側(cè)，當(dāng)故障輕微換相可以正常進(jìn)行時，由于直流系統(tǒng)的定電流控制特性，直流側(cè)不會提供額外的短路電流。如果故障嚴(yán)重， 必然造成換相無法進(jìn)行（交流電壓降低） ，直流側(cè)更不會提供短路電流。d. 由于直流控制系統(tǒng)快速的調(diào)節(jié)作用，在需要的時候，可以快速的將功率傳輸由一個方向反至另一個方向，對于換流變壓器來說，就會出現(xiàn)快速的潮流反向。f. 換流變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生接地故障時，實(shí)際造成了閥的短路 (參見圖 4)。由于閥的單向?qū)щ娦?，故障電流半周電流大，半周電流小，?dǎo)致差電流中含有較大的二次諧波。g. 對于逆變側(cè)的換流變壓器的區(qū)內(nèi)故障，往往會導(dǎo)致?lián)Q相失敗的發(fā)生，從而在穿越電流電流中產(chǎn)生

7、很大的諧波，但差電流（即提供給故障點(diǎn)的電流）仍主要為工頻分量。h. 由于換流變壓器的特殊運(yùn)行方式以及較大的漏抗（作為換相電抗），二次側(cè)故障一般不會造成各側(cè)TA 的飽和， 即使飽和造成保護(hù)的“誤動作 ”也是正確的（換流變的區(qū)外即閥的區(qū)內(nèi)故障，都會造成直流的停運(yùn)）。但對于一個半開關(guān)的接線方式，交流系統(tǒng)區(qū)外故障時高壓側(cè)TA 存在飽和的可能。見圖 7。這種情況下的誤動作是不可接受的，必須防止。i. 在閥未解鎖前，當(dāng)閥側(cè)交流連線存在接地故障時，并不產(chǎn)生接地電流，也不會對變壓器造成損害。但如此時不發(fā)現(xiàn)故障，閥一解鎖后，就會造成閥的短路。因此要設(shè)置保護(hù)檢測這種情況下的接地故障。2 換流變壓器保護(hù)的實(shí)現(xiàn)2.1 保護(hù)的配置原則為了保證既可靠又安全，在既簡單又經(jīng)濟(jì)的情況下，可以這樣配置換流變壓器保護(hù)：每臺換流變壓器保護(hù)裝設(shè)兩臺保護(hù)裝置，每臺保護(hù)裝置的電源、輸入獨(dú)立，每臺裝置的輸出都可以到達(dá)斷路器的兩個跳閘線圈以及直流控制的兩個系統(tǒng)。每臺裝置采取措施防止自身誤動作，而靠兩裝置的或出口防止故障情況下的拒動作。2.2 保護(hù)的配置及原理為了避免換流站特有的諧波對保護(hù)的影響，保護(hù)裝置應(yīng)從硬件和軟件上采取措施，使保護(hù)只針對工頻分量。主保護(hù)包括穩(wěn)態(tài)比率差動、差動速斷、工頻變化量比率差動、零序比率差動、過激磁保護(hù)。后備保護(hù)包括過流、零序過流、過電壓、零序過壓、飽和保護(hù)。2.2.1 穩(wěn)態(tài)比率差動保護(hù)由于變比