0、引言

　　超高壓直流輸電由于其*的優(yōu)點，越來越廣范的得到應(yīng)用。這些優(yōu)點[1]包括：不須考慮穩(wěn)定問題;線路故障恢復(fù)能力較強;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)濟等。我國目前已投運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與控制系統(tǒng)都是國外進口設(shè)備。

　　換流變壓器是直流輸電系統(tǒng)中*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)運行在優(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行是直流輸電系統(tǒng)可靠安全運行的基礎(chǔ)。因此對換流變壓器提供完善的保護功能對直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運行顯得尤為重要。下面主要討論換流變壓器的特點、直流輸電的各種運行工況對換流變壓器保護的影響，并結(jié)合其特點提出相應(yīng)的保護原理與方案。

　　1、換流變壓器的特點以及對保護帶來的影響

　　1.1短路阻抗

　　直流輸電中閥的換相過程實際上就是兩相短路，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，因此保護配置與整定要在這方面予以考慮。

　　1.2直流偏磁

　　當(dāng)直流系統(tǒng)在使用大地回線的情況下，在一些運行工況下會有直流電流流入大地，如雙極不平衡運行，單*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，還會使交流電網(wǎng)中的發(fā)電機和電容器過熱，對通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾。這些諧波電流應(yīng)加以考慮，以免對保護裝置造成影響。

　　1.4調(diào)壓分接頭

　　為了使直流系統(tǒng)運行在優(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%。因此保護設(shè)計時要考慮分接頭調(diào)整帶來的影響，如正常運行時變比的變化等。

　　1.5直流系統(tǒng)的特殊運行工況

　　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：

　　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。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來說，直流系統(tǒng)造成的嚴酷的區(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。但由于直流保護的干預(yù)，實際只會出現(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。如果故障嚴重，必然造成換相無法進行(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.換流變壓器保護區(qū)內(nèi)發(fā)生接地故障時，實際造成了閥的短路(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)生很大的諧波，但差電流(即提供給故障點的電流)仍主要為工頻分量。

　　h.由于換流變壓器的特殊運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)。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)置保護檢測這種情況下的接地故障。

　　2、換流變壓器保護的實現(xiàn)

　　2.1保護的配置原則

　　為了保證既可靠又安全，在既簡單又經(jīng)濟的情況下，可以這樣配置換流變壓器保護：每臺換流變壓器保護裝設(shè)兩臺保護裝置，每臺保護裝置的電源、輸入獨立，每臺裝置的輸出都可以到達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保護的配置及原理

　　為了避免換流站*的諧波對保護的影響，保護裝置應(yīng)從硬件和軟件上采取措施，使保護只針對工頻分量。

　　主保護包括穩(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。后備保護包括過流、零序過流、過電壓、零序過壓、飽和保護。

　　2.2.1穩(wěn)態(tài)比率差動保護

　　由于變比和聯(lián)接組的不同，電力變壓器在運行時，各側(cè)電流大小及相位也不同。在構(gòu)成繼電器前必須消除這些影響。換流變壓器的TA一般裝在各側(cè)繞組上，因此原、副邊繞組電流相位相同，因此只需要對變比的影響進行補償。以下的敘述的前提均為已消除了變壓器各側(cè)幅值和相位的差異。

　　穩(wěn)態(tài)比例差動保護用來區(qū)分感受到的差流是由于內(nèi)部故障還是不平衡輸出(特別是外部故障時)引起。裝置采用初始帶制動的變斜率比率制動特性，穩(wěn)態(tài)比率差動元件由低值比率差動(靈敏)和高值比率差動(不靈敏)兩個元件構(gòu)成[2]。為了保證區(qū)內(nèi)故障的快速切除，只有低值比率差動元件(靈敏)設(shè)有TA飽和判據(jù)，高值比率差動元件(不靈敏)不設(shè)TA飽和判據(jù)。

　　對于換流變壓器分接頭調(diào)整造成的差動電流不平衡，可用三種方法來解決：一是通過整定值躲開;二是利用浮動門檻自適應(yīng)調(diào)整;三是利用分接頭位置來調(diào)整。方法一、二簡單實用，三實現(xiàn)起來復(fù)雜。

　　對于2.5中g(shù)所述的工況，差電流仍為交流電源提供的工頻故障電流，因此保護可以正確動作。

　　對于2.5中f所述的工況，應(yīng)為閥短路及其后備保護首先動作(動作時間小于10ms)切除故障，差動速斷和過流保護作為后備的后備，因此差動保護此種工況下不能動作并不影響安全性。

　　2.2.2工頻變化量比率差動保護

　　裝置中依次按相判別，當(dāng)滿足一定條件時，工頻變化量比率差動動作。工頻變化量比率差動保護經(jīng)過涌流判別元件、過激磁閉鎖元件閉鎖后出口。

　　由于工頻變化量比率差動的制動系數(shù)可取較高的數(shù)值，其本身的特性抗區(qū)外故障時TA的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)飽和能力較強。工頻變化量比率差動元件提高了裝置在變壓器正常運行時內(nèi)部發(fā)生輕微匝間故障的靈敏度。且工頻變化量比率差動保護不會受換流變壓器分接頭調(diào)整造成的差動電流不平衡的影響。

　　2.2.3后備保護

　　后備保護包括過流、零序過流、過電壓、零序過壓、飽和保護。

　　過流保護，主要作為換流變壓器各種故障的后備保護。由于只需與直流系統(tǒng)的大過負荷能力配合，靈敏度容易滿足要求，因此不需采用復(fù)合電壓閉鎖與方向閉鎖。

　　零序過流保護，主要作為換流變壓器接地故障后備保護。為防止變壓器和應(yīng)涌流對零序過流保護的影響，應(yīng)具有二次諧波制動閉鎖措施。當(dāng)二次諧波含量超過一定比例時，閉鎖零序過流保護。

　　零序過壓保護為針對2.5節(jié)工況i的保護。因為換流變壓器副邊不接地運行，保護主要在閥解鎖前檢測閥側(cè)交流連線的零序電壓來判斷是否有接地故障。閥解鎖后保護要被閉鎖，因閥解鎖后會測得零序電壓，此電壓不是接地故障造成的。

　　飽和保護為針對2.2節(jié)工況的保護。由于TA無法傳變直流電流，因此只能間接的測量直流電流的大小。測量的原理如下：直流引起的鐵心飽和造成原邊繞組零序電流中含有三次諧波，通過檢測零序電流中三次諧波峰值，可以等效出流過換流變壓器的直流電流。保護特性為根據(jù)變壓器的參數(shù)定義的反時限。

　　3、結(jié)語

　　本文討論了換流變壓器與交流系統(tǒng)的主變壓器比較所具有特點，闡述了這些特點以及直流輸電的各種特殊運行工況對換流變壓器保護帶來的影響，并提出了相應(yīng)的保護方案。

　　以上方案已在RCS-977型換流變壓器保護裝置中采用，并已掛網(wǎng)試運行，經(jīng)歷了交流系統(tǒng)的區(qū)外故障，直流系統(tǒng)的各種運行工況及故障考驗。試運行結(jié)果證明了方案的正確性。