下载文档原格式
文章编号:10072290X(2008)0120007204天广直流输电换流变压器保护系统存在的问题朱韬析1,王超2(11南方电网超高压输电公司广州局广州510405;21浙江电力调度通信中心,杭州310027)摘要:由于直流输电的特点,换流变压器与交流变压器在构造上有一些不同,再加上直流控制系统对故障的控制和调节作用,导致换流变压器和传统变压器保护存在差异,为此,介绍了天广直流输电工程中换流变压器保护系统的配置和保护范围,并对运行中励磁涌流的影响、交直流保护系统的配合等问题进行了分析,讨论了相关的解决措施,这有助于提高直流输电系统运行的可靠性,可为未来直流输电工程的实施提供参考经验。
关键词:直流输电;换流变压器;保护系统中图分类号:TM72111;TM773 文献标志码:AProblems Existing in Protective System of Converter T ransformer Used inTian2G uang HV DC ProjectZ HU Tao2xi1,WAN G Chao2(1.Gua ngzhou Bureau of CS G EHV Power Transmission Co.,Gua ngzhou510405,China; 2.Zhejia ng Elect rical Power Disp atch and Communication Ce nter,Hangzhou310027,China)A bst ract:There are some st ructural diff erences betwee n converter t ra nsf or mers and A C t ra nsf or mers because of t he characteristics of high voltage direct curre nt t ra nsmission(HV D C),w hich,coupled wit h t he f ault cont rolling a nd adjusting cap acity of HV D C cont rol syste m,lead t o t he diff erences between t heir p rotective systems.In t his p aper,t he configuration and p rotective range of t he converter t ransf or mer p rotective syste m used in Tia n2Guang HV D C p roject are int roduced, t he n,t he negative influe nce of magnetizing inrush curre nt in op eration and t he coop eration of A C a nd D C p rotective syste ms are a nalyzed,and correlative solutions are discussed.Research carried out in t his p ap er is valuable f or develop me nt of HVD C p rojects in t he f uture.K ey w ords:high voltage direct curre nt t ra nsmission(HV D C);converter t ransf or mer;p rotective syste m 直流输电的功率调节迅速灵活,其本身不存在同步运行的稳定性问题,且不会增加交流系统的短路容量,又具有较强的线路故障恢复能力,超过一定距离时,建设投资更经济,因而被认为是较理想的超高压、远距离输电方式[1],近年来在南方电网取得很大的发展。
换流变压器的工作原理好啦，今天咱们来聊聊换流变压器，听起来是不是有点高深莫测？别担心，咱们用最简单的方式来解读它。
你得知道，换流变压器的名字可不复杂，它的工作原理也并没有你想的那么神秘。
它就是在电力系统里变电压、转换电流方向的小“魔术师”！是的，你没听错，它能把电流的方向“换个样”，而且电压也能随它高低起伏。
不过，别急，咱们一个一个来，慢慢说清楚。
大家应该都知道，电力系统里面，电压和电流是非常关键的两个东西。
电压高，电流就会低，反之亦然。
一般情况下，我们的电网是要通过变压器来调节电压的，但对于换流变压器来说，它除了调节电压之外，还有一个更特别的任务——它能让电流方向发生变化。
咋回事呢？别着急，听我细细给你解释。
咱们要从交流电说起。
交流电的特点就是电流的方向会周期性地反转，也就是说，它会来回走，走着走着就“换个方向”。
但有些时候，我们需要让电流一直朝一个方向流动，这时候就需要换流变压器来帮忙了。
比如说在高压直流输电（HVDC）系统中，电流就得一直往一个方向走，这时候，换流变压器就派上用场了，它能帮助交流电变成直流电，让电流听话地朝一个方向“跑”。
怎么做到的呢？换流变压器内部有一套非常复杂的装置，能够通过电气设备的切换，把交流电“转换”成直流电。
想象一下，你在家里的插座上插入一台电器，插座是交流电源，电器里可能有电路板需要直流电，没错，就是换流变压器会悄悄在中间帮你“换个频道”。
这样，电器就能顺利工作，不管你插座里的电是“来来回回”的交流电，还是直来直去的直流电。
是不是听起来像是在做一场神奇的电流“大变身”？换流变压器并不是万能的，它也有自己的局限性。
比如说，它的体积比较大，重量也不轻，所以安装的时候得特别小心。
要是放错地方，可能就得“费劲儿”才能搬走。
更别提它的工作原理了，涉及到的电路和磁场，听起来就不简单。
所以，这东西的价格也不便宜。
你以为它是个“魔术师”，其实它背后可是得靠一堆技术、材料和设备才能保证它“魔术”的成功。
3-1. 何谓电力系统？采用电力系统传输和分配电能比由发电厂直接向用户供电由什么优点？答：电力系统是由发电厂、变电站、配电所直到各个用户等环节所组成的电能生产消费系统。
实践证明独立运行的发电厂通过电力网联接成电力系统后，将在技术经济上具有以下优点：（1）减少系统中的总装机容量（2）合理使用动力资源，充分发挥水力发电厂的作用（3）提高供电的可靠性（4）提高运行的经济性3-2. 为什么要采用高压传输电能？我国目前远距离输电所采用的最高电压等级是多少？在城市内所采用高压配电的电压等级是多少？答：采用高压传输电能能够明显减少传输过程中的电能损耗。
我国远距离输电所采用的最高电压等级是500kV。
在城市内所采用的高压配电的电压等级是35 kV 或10 kV。
3-3. 输电线路在什么情况下采用架空线？在什么情况下采用电力电缆？答：交流输电线可分为架空线路与电缆线路两大类，前者应用于地区间的输电，一般电压较高、距离较长。
后者应用于城市内的输电，电缆线路一般埋设在地下，线路电压为35kV或10kV，也有380V/220V的低压，在大型工厂企业内部也采用电缆输电。
与架空线路相比，电缆线路的铺设成本要高许多，所以在电力系统中只有在一些不适于架空线路的地方如过江、跨海或严重污染区才考虑使用电缆输电。
3-4. 架空输电线为什么一般采用钢芯铝绞线？答：架空输电线用以传输电流、必须具有足够的截面以保持合理的电流密度及比较小的电能损耗，同时又必须有足够的机械强度和抗大气化学腐蚀能力。
一般采用钢芯铝绞线它能兼顾机械强度、导电能力、散热面积等要求。
3-5. 何谓高压走廊？在高压走廊的范围内应注意什么安全问题？答：高压架空输电线路所通过的路径必须占用一定的土地面积和空间区域，称为线路走廊或高压走廊，在该走廊内除杆塔基础占用一定土地外，其余土地可用于耕作和绿化，但不能用于建设居住用房，人应避免长期在强电磁场的环境下生活，因为强电磁场会引起人生理上发生一些不良反应，这些反应可能会引起心情上的变化甚至会引起某些慢性不可预知的疾患。
变压器的分类和作用变压器是一类广泛应用于电力系统中的电气设备，主要用于变换交流电的电压和电流。
根据其功能和使用环境的不同，变压器可以分为多种类型，如功率变压器、储能变压器、电力变压器、配电变压器等。
下面将对这些不同类型的变压器进行详细的分类和讨论。
1.功率变压器：功率变压器用于改变电网络中的电压或电流，以实现输电线路之间的电压变化和分配电能的平衡。
根据其结构和工作原理的不同，功率变压器可以分为分接变压器、自耦变压器和非线性变压器等。
-分接变压器：分接变压器是一种带有多个中性点的变压器，可以根据需要调整主绕组和副绕组的有效匝数比例，从而实现不同的电压变换比例。
它常用于市政电网或工矿企业的供电系统中。
-自耦变压器：自耦变压器是一种在主要绕组和副绕组之间共享部分匝数的变压器。
它的构造简单，成本较低。
通常用于电气设备的启动、调节和控制电压。
-非线性变压器：非线性变压器主要应用于对非线性负载的供电系统。
它能够提供稳定的电压输出，并解决由于负载变化而引起的电压波动和谐波扭曲。
非线性变压器在现代工矿企业和大型商业场所中得到广泛应用。
2.储能变压器：储能变压器主要用于存储和释放电能。
在电力系统中，储能变压器通常与风力发电、太阳能发电等可再生能源设备一起使用，以平衡电力系统的供需。
储能变压器常见的类型有液流电池储能变压器、超级电容器储能变压器和超导磁能储能变压器等。
-液流电池储能变压器：液流电池储能变压器将电力转化为化学能，并在需要时释放化学能以供电。
它的充放电过程相对较为稳定和可控，适用于长期储能。
-超级电容器储能变压器：超级电容器储能变压器能够快速地存储和释放电能。
它的充放电过程速度很快，适用于短期储能和稳定电网频率。
-超导磁能储能变压器：超导磁能储能变压器通过超导材料中的磁能存储和释放电能。
由于超导材料在低温下具有极低的电阻，这种变压器可以实现高能量密度和高效率的储能和释放。
3.电力变压器：电力变压器主要用于电力系统中的电能变换过程，包括发电、输电和配电等。
换流变压器与电力变压器的比较分析变压器按用途分类：有电力变压器、特种变压器（电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪用变压器、电子变压器、电抗器、互感器等）换流变压器1.1定义换流变压器(Converter Transformer) 接在换流桥与交流系统之间的电力变压器。
采用换流变压器实现换流桥与交流母线的连接，并为换流桥提供一个中性点不接地的三相换相电压。
换流变压器与换流桥是构成换流单元的主体。
1．2工作原理在整流换流器中换流变压器为换流设备提供交流电能，换流器将交流电能转换为直流电能并通过直流输电线路传输；在逆变换流器中换流变压器接受逆变换流器将直流电能转换为交流的电能，并将其输送到其它交流供电网路中。
1.3作用换流变压器的作用是向换流器供给交流功率或从换流器接受交流功率，并且将网侧交流电压变换成阀侧所需要的电压。
在整流站,用换流变压器将交流系统和直流系统隔离,通过换流装置将交流网络的电能转换为高压直流电能,利用高压直流输电线路传输;在逆变站,通过换流装置将直流电能转换为交流电能,再通过换流变压器送到交流电网;从而实现交流输电网络与高压直流输电网络的联络。
换流变压器提供相位差为30°的12 脉波交流电压,以降低交流侧谐波电流,特别是5 次和7 次谐波电流;作为交流系统和直流系统的电气隔离,削弱侵入直流系统的交流侧过电压;通过换流变压器的阻抗限制直流系统的短路电流进入交流系统;通过换流变压器可以实现直流电压较大幅度的分档调节。
1.4结构组成绕组:换流变压器线圈包括网侧线圈、阀侧线圈和调压线圈三部分铁芯:换流变压器铁心通常为心式结构器身:考虑合理的线圈布置方式引线:阀侧套管与引线的连接要特殊设计油箱:采用桶式结构绝缘油:ABB用Lans有载分接开其他附件电力变压器2.1定义通过电磁感应将一个系统的交流电压和电流转换为另一个系统的电压和电流的电力设备。
一、换流变压器1、定义：换流变压器（Converter Transformer）接在换流桥与交流系统之间的电力变压器。
采用换流变压器实现换流桥与交流母线的连接，并为换流桥提供一个中性点不接地的三相换相电压.换流变压器与换流桥是构成换流单元的主体。
2、换流变压器在直流输电系统中的作用：（1）、传送电力;（2）、把交流系统电压变换到换流器所需的换相电压;（3）、利用变压器绕组的不同接法，为串接的两个换流器提供两组幅值相等、相位相差30°(基波电角度）的三相对称的换相电压以实现十二脉动换流；（4）、将直流部分与交流系统相互绝缘隔离，以免交流系统中性点接地和直流部分中性点接地造成直接短接，使得换相无法进行；（5）、换流变压器的漏抗可起到限制故障电流的作用;（6）、对沿着交流线路侵入到换流站的雷电冲击过电压波起缓冲抑制的作用。
3、换流变压器的特点及要求：（1）漏抗以往由于晶闸管的额定电流和过负荷能力有限，为了限制阀臂短路和直流母线短路的故障电流，换流变压器的漏抗一般比普通电力变压器的大，一般为15－20%, 有些工程甚至超过20%。
随着晶闸管的额定电流及其承受浪涌电流能力的提高,换流变压器的漏抗可按对应的容量和绝缘水平合理选择，阻抗相应降低，通常为12－18%,因此，设备主参数、绝缘水平、换流器无功消耗及能耗等都可相应降低，同时，换流器的运行性能也有所改进。
为减少非特征谐波,换流变压器的三相漏抗平衡度要求比普通电力变压器高，通常漏抗公差不大于2%.如果运输条件允许，工程多采用单相三绕组换流变压器结构，进一步减少十二脉动换流单元中换流变压器六个阻抗值的差别。
(2）绝缘换流变压器阀侧绕组和套管是在交流和直流电压共同作用之下工作的,由于油、纸两种绝缘材质的电导系数与介电系数之比差别很大，油纸复合绝缘中直流场强按电导系数分布,交流场强则按介电系数分布。
当直流电压极性迅速变化时，会使油隙绝缘受到很大的电应力.在套管与底座的连接部分，由于绝缘结构复杂，这一问题最为严重。
换流变压器与电力变压器的比较分析变压器是一种重要的电力设备，常用于电力系统中实现电能的变换和传输。
在变压器的分类中，根据不同的应用场景和工作原理，我们可以将其分为多种类型，其中比较常见的包括换流变压器和电力变压器。
换流变压器换流变压器（Rectifier Transformer）是一种专门用于直流输电和交直流转换的变压器。
它在高电压交流输电线路上接收交流电，并将其转换为低电压交流电，然后经过相应的直流组件将其转换成为电力公司所需的直流电。
换流变压器的主要特点包括：工作原理换流变压器使用电力系统中的两个大型装置，高压和低压变流器。
变压器将输送至变流器的高压变信号转换为交流电，然后将其输出到低压变流器进行交直流转换。
这种操作使得电力系统能够从高压线路上输送直流电，实现长距离电力输送。
应用场景换流变压器广泛应用于交直流变换站或直流输电线路上，其主要作用是将来自交流输电系统的电能转换到直流输电系统中，或者将直流输电系统中的电能转换到交流输电系统中。
由于换流变压器所涉及的直流输电系统需求非常的苛刻，因此其在设计和制造时需要考虑更多的因素。
比如在换流变压器中使用的冷却系统需要保证其能够在高温和高湿度的工作环境中进行长时间的工作，并确保稳定和可靠的工作。
电力变压器电力变压器（Power Transformer）主要用于普通的电能传输，将高压电输送到低压电区域中，或者将低压电转变为高压电以供工业和居民使用。
电力变压器相对于换流变压器而言，其工作和设计原理相对简单一些，其主要特点包括：工作原理电力变压器使用一个磁性铁芯来传递电能，该芯介于输入和输出线圈之间，从而实现电压的变换。
其工作原理基于法拉第电磁感应定律，可将变壓比表示爲输入线圈的匝数与输出线圈的匝数之比。
应用场景电力变压器被广泛应用于电力系统中，其主要作用是将来自输电系统的电能变换为合适的电压供应给工业和居民使用，也可以将工业和居民使用的低压电转换为高压电以供输电系统传输。
换流变压器与交流系统的主变压器比较
超高压直流输电由于其特有的优点，越来越广范的得到应用。
这些优点[1>包括：不须考虑稳定问题；线路故障恢复能力较强；调节作用利于交流系统的稳定；减少互联交流系统的短路容量；超过一定距离建设投资更经济等。
我国目前已投运的超高压直流输电工程包括葛上直流、天广直流和三常直流等，在这些工程中所有的保护与控制系统都是国外进口设备。
换流变压器是直流输电系统中必不可少的重要设备。
它可以提供相位差为30°的12脉波交流电压，降低交流侧谐波电流；作为交流系统和直流系统的电气隔离，提供阀的换相电抗；通过换流变压器可以在较大范围内调节交流电压，以使直流系统运行在较优的状态等。
换流变压器的投资在换流站中占有很大的比例，换流变压器的可靠安全运行是直流输电系统可靠安全运行的基础。
因此对换流变压器提供完善的保护功能对直流输电系统的安全稳定可靠运行显得尤为重要。
下面主要讨论换流变压器的特点、直流输电的各种运行工况对换流变压器保护的影响，并结合其特点提出相应的保护原理与方案。
1 换流变压器的特点以及对保护带来的影响
1.1 短路阻抗
直流输电中阀的换相过程实际上就是两相短路，为了将换向过程中的电流限制在一定范围内，换流变压器的短路阻抗要大于一般变压器。
短路阻抗过大，会使换流变压器二次侧故障时短路电流较一般变压器小，因此保护配置与整定要在这方面予以考虑。
1.2 直流偏磁
当直流系统在使用大地回线的情况下，在一些运行工况下会有直流电流流入大地，如双极不平衡运行，单极大地回线方式等，使地电位发生变化，造成直流电流流入变压器原边绕组，使换流变压器发生直流偏磁，工作点偏移。
如果此直流电流过大，会导致换流变压器铁心饱和，同时损耗和温升也将增加。
因此，要配置相应的保护防止这种情况下对换流变压器造成的损坏。
1.3 谐波
由于换流器的非线性，在交流和直流系统中将出现谐波电压和电流。
对于换流变压器，主要会流过特征谐波电流，即p*n 1次谐波电流（p为脉波数，n为任意正整数）。
在运行中，谐波电流会使换流变压器损耗和温升增加，产生局部过热，发出高频噪声，还会使交流电网中的发电机和电容器过热，对通讯设备产生干扰。
这些谐波电流应加以考虑，以免对保护装置造成影响。
1.4 调压分接头
为了使直流系统运行在较优的工况，减少交流系统电压扰动对直流系统的影响，换流变压器都具有较大范围的利用分接头调整电压的功能。
例如：三峡到常州工程三峡侧换流变压器档位范围25/-5，每档调节范围1.25%。
因此保护设计时要考虑分接头调整带来的影响，如正常运行时变比的变化等。
1.5 直流系统的特殊运行工况
由于直流控制系统的特殊调节作用，使换流变压器遇到的运行工况以及故障情况不同于普通变压器。
这些不同主要包括以下几点：
a. 直流系统的故障相当于换流变压器的区外故障，一般短路电流都不会太大。
对于整流侧，穿越换流变的电流会增大，但由于直流控制保护系统的快速作用，很快会减小。
对于逆变侧，直流系统的故障会造成直流电流无法传变至交流侧，反而会使穿越电流减小。
b. 对于换流变压器保护来说，直流系统造成的较严酷的区外故障为整流侧的阀短路故障，相当于换流变出口的两相或三相短路故障。
但由于直流保护的干预，实际只会出现半个周波的两相短路。
对于逆变侧，由于触发角很大，阀短路时流过换流变压器的电流较整流侧小很多。
c. 换流变压器发生区内故障时，直流系统一般不会提供
短路电流。
这是由直流控制系统的作用造成的。
在整流侧，功率由交流侧转换至直流侧，换流变压器的故障只会造成这种转换的停止，而不会使功率反向，因此直流侧不会提供短路电流；在逆变侧，当故障轻微换相可以正常进行时，由于直流系统的定电流控制特性，直流侧不会提供额外的短路电流。
如果故障严重，必然造成换相无法进行（交流电压降低），直流侧更不会提供短路电流。
d. 由于直流控制系统快速的调节作用，在需要的时候，可以快速的将功率传输由一个方向反至另一个方向，对于换流变压器来说，就会出现快速的潮流反向。
f. 换流变压器保护区内发生接地故障时，实际造成了阀的短路(参见图4)。
由于阀的单向导电性，故障电流半周电流大，半周电流小，导致差电流中含有较大的二次谐波。
g. 对于逆变侧的换流变压器的区内故障，往往会导致换相失败的发生，从而在穿越电流电流中产生很大的谐波，但差电流（即提供给故障点的电流）仍主要为工频分量。
h. 由于换流变压器的特殊运行方式以及较大的漏抗（作为换相电抗），二次侧故障一般不会造成各侧TA的饱和，即使饱和造成保护的“误动作”也是正确的（换流变的区外即阀的区内故障，都会造成直流的停运）。
但对于一个半开关的接线方式，交流系统区外故障时高压侧TA存在饱和的可能。
见图7。
这种情况下的误动作是不可接受的，必须防止。
i. 在阀未解锁前，当阀侧交流连线存在接地故障时，并不产生接地电流，也不会对变压器造成损害。
但如此时不发现故障，阀一解锁后，就会造成阀的短路。
因此要设置保护检测这种情况下的接地故障。
2 换流变压器保护的实现
2.1 保护的配置原则
为了保证既可靠又安全，在既简单又经济的情况下，可以这样配置换流变压器保护：每台换流变压器保护装设两台保护装置，每台保护装置的电源、输入独立，每台装置的输出都可以到达断路器的两个跳闸线圈以及直流控制的两个系统。
每台装置采取措施防止自身误动作，而靠两装置的或出口防止故障情况下的拒动作。
2.2 保护的配置及原理
为了避免换流站特有的谐波对保护的影响，保护装置应从硬件和软件上采取措施，使保护只针对工频分量。
主保护包括稳态比率差动、差动速断、工频变化量比率差动、零序比率差动、过激磁保护。
后备保护包括过流、零序过流、过电压、零序过压、饱和保护。
2.2.1 稳态比率差动保护
由于变比和联接组的不同，电力变压器在运行时，各侧电流大小及相位也不同。
在构成继电器前必须消除这些影响。
换流变压器的TA一般装在各侧绕组上，因此原、副边
绕组电流相位相同，因此只需要对变比的影响进行补偿。
以下的叙述的前提均为已消除了变压器各侧幅值和相位的差异。
