最优化的换流变压器后备保护

刘青 王增平

摘要：在高压交直流输电系统中控制和保护是非常重要的。我们希望交流系统

和直流系统可以可以互相作为对方的后备保护。本文建议换流变压器可以在高压交直流输电系统中作为直流系统的后备保护并且直流线路的自启动功能可以加入到电力系统辅助设计/电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC中国际大电网组织高压直流输电基准模型的整流器控制中。根据电压和电流的变化特征，小电流保护能够被用到换流变压器的后备保护中用来保护直流线路以便优化和达成变压器保护的目的。仿真实验证明小电流保护运转可靠可以通过简单的逻辑察觉。

索引词：高压直流输电，自启动，后备保护，低电流保护

I 简介

在21世纪的中国，基础能源战略和电力能源工业建设使西北地区变得富强，将西部的能源送到东部，将南北的能源进行交换，将国家网络相互联系以便在达到地区优化能源配置。高压直流输电在大容量和远距离的电力输送中占有优势。所以它在西电东送和全国范围的电力互联中有着重要的位置。

高压直流输电的控制和保护系统是非常重要的。它可以决定直流系统的运行方式和能量并且可以实时反映各种运行状况和确保交直流系统的安全。随着电力技术的发展，现代直流系统保护已经变成用电脑处理并通过微处理器技术变得高度集成化。故障保护能够使直流系统停止运行的情况应该集成到有高度防护功能的保护系统中。为了阻止因为直流保护系统的失败所造成的运行可靠性降低，重复保护应该被采用。直流系统的控制可以通过改变转换器的发射角度来实现。直流保护系统根据不同的故障辐射成不同的时序控制计划。主要的保护动作就是替换和封闭触发脉冲。所以在直流控制系统和保护功能之间有着紧密的联系。它们之间的协作可以制止故障的发展并能清除故障恢复传输功率。第一个大规模的高压直流传输系统，葛洲坝-南桥高压直流传输工程投入运行已经过去了16年。在运行阶段里，包括设备设计、制造、运行、维护、管理，甚至一些控制和保护问题暴露了出来。越来越多的葛-南线控制和保护模块经过长时间的运行可能会倾向于失去控制。在1997年，中国电力科学研究所为葛洲坝南桥变电所修复了超过20处的模块。在1998年，葛-南高压传输线路因为占总数29.4%的控制和保护系统失效而关闭。在2003年，因为控制系统不能适应系统的变化和控制功能的混乱，直流系统被关闭了三次。并且直流系统因为直流保护组件的失效被迫关闭进行一次检查。然而直接决定直流系统运行和设备安全的的直流控制和保护系统是高压直流输电工程中最重要的部分。如果直流控制和保护系统模块失效，系统的安全会受到严重的威胁。所以当直流系统故障发生和它的保护系统失效，换流变压器能否作为直流系统的后备保护来清除故障应该进行讨论。交流和直流传输继电器保护的合作在本文中通过电磁瞬态模拟程序—PSCAD/EMTDC进行了讨论。电磁暂态仿真程序EMTDC能够胜任在分析直流电系统的工作。它有精确的直流系统模型、方便的数据输入方法和强大的数据分析功能。电力系统计算机辅助设计PSCAD是图表界面。PSCAD/EMTDC可以在长时间的仿真计算中保持高度的精确性。所以它可以用来分析当直流系统故障发生后直流系统的响应和交流系统电

压和电流的变化。

II 直流系统接地故障后对交流系统的影响规则 A、 简要介绍国际大电网组织高压直流输电的基准模型

国际大电网组织的高压直流输电的基准模型包括在了PSCAD/EMTDC中。它的主要目的就是比较和研究直流控制策略和各种各样仿真程序的设备或在相似电路中的模拟器。在本篇论文中双极性的长距离单回线路参量在国际大电网组织的基准模型中代替了传统的海底直流线缆参量。三绕组变压器代替了传统的两绕组变压器。并且直流线路的自启动控制功能已经加入到了整流器的控制中来。然后在送电端外部和大的接地电阻故障可以在直流线路的中间部分和接收端根据提出的模型进行模拟仿真。当交流电力系统的自动重启失效时，观察状态变量的变化是很重要的。

图2类似的交流/直流电力系统传输图

B、高压直流系统的自动重启

直流线路保护察觉到故障然后开始自动重启。下面就是这个控制的过程。 (a) 保护装置发现直流线路上的接地故障。

(b) 四个整流器触发控制完整的融入到换流器操作模式中。

(c) 保持整流器的逆变模式在100到500毫秒之间以便消灭电弧。 (d) 减小整流器的触发角并再次运行在整流器模式下，因此使直流电压

和电流开始增强，从而在故障清除后使传输功率恢复。

故障发生保护开始—>整合整流器触发控制进入完全逆变模式—>保持整流器绝缘灭弧—>减小整流器的触发角并运行在蒸馏状态下

图 2 自动重新启动的步骤

C、直流系统的故障对交流系统的影响。

在直流线路的送电端、中间部分和接收端模拟金属断裂故障和大型的接地电阻故障。如果自动重新启动失败，观察旁边网络换流变压器的电压和电流的变化。 （a）当永久性的接地故障发生在直流线路的送电端，直流保护就不能察觉这个

故障。也就是说下面的控制就不会工作。

图3 当永久性的金属接地故障发生在直流线路的送电端如果自启动失败，旁边网络的换流

变压器的电压和电流

图4当永久性的大型接地电阻故障发生在直流线路的送电端如果自启动失败，旁边网络的换

流变压器的电压和电流

当故障发生在中间或直流线路的末端时，旁边网络的换流变压器的电压和电流图表和发生在直流线路首段的特点一样。因为超调电流而发生故障时，穿越故流在此刻达到了1.7pu。但是当大型的接地电阻发生接地故障时，这个值会更小。如果线路保护不能够启动，整流器保持在恒定电流模式。在这种情况下，整流器的触发角将会升高。然后整流器的低压限流单元会开始运行。根据低压限流单元，因为直流电压在0.4pu之下，直流电流会保持在0.55pu。换流器桥的交流和直流电流的关系如下面描述那样：

当Ia整流桥的交流电流时，Id是直流电流的平均值。根据上面的方程式判断，故障发生后直流电流是相同的，所以旁边网络的的换流器的交流电流也是相同的。因为三相电流的和是非常小的，中性点的电流同样是非常小的。

在正常的运行状态下，无功功率需要大约40%到60%的有功功率传送。因此充足的静态VAR补偿器需要在高压直流输电系统中装备。因为直流线路的接地故障，有功功率的传送会减少，同样无功功率传送也会减少。因此过剩的无功功率会使交流母线的电压上升。

(b)如果保护察觉到接地故障发生在直流线路上，控制系统不能够阻止整流器的触发控制在完全逆变模式下。在这种状况下，交流电压和电流和这种状况下的直流一样。

（c）如果保护察觉到接地故障发生在直流线路上，控制系统能够阻止整流器的触发控制在完全逆变模式下，但接下来的控制会不起作用。

图5当直流线路发生永久的金属接地故障如果自启动过程失败，旁边网络的换流变压器的电

压和电流

图6当直流线路发生永久的大型接地电阻接地故障如果自启动过程失败，旁边网络的换流变

压器的电压和电流

当故障发生在直流线路的中间或者末端部分时，旁边网络换流变压器的电压和电流的图表和发生在直流线路时候短时侯的特征一样。显而易见，在直流电流

中有非周期的部分。距离直流线路的首端的距离越远、接地电阻越大，电流的非周期部分衰退的越快。在控制系统减缓换流触发控制进入完全逆变模式下20到40毫秒后，直流电流下降至零。因此换流器是处在临界状态。因此换流变压器处在无载运行状态，一次绕组电流成为励磁电流。并且交流母线电压因为过剩的无功功率达到1.3pu。

（d）保护系统察觉到接地故障发生在直流线路，控制系统减缓换流触发控制进入完全逆变状态。最终，控制系统不能够减小触发角。因此整流器仍然处在逆变模式下。在这种状况下，交流线路的电压和电流和第三种情况的图像一样。

III 最优化的换流变压器后备保护

A,简要介绍换流变压器的后备保护

换流变压器是在高压直流输电中绝对必需的设备。因此，保证换流变压器的保护完善是非常重要的，以便保证直流系统的状态安全和可靠运行。根据换流变压器的特征和直流系统的运行模式，保护的原则应该是最优化的、完美的。这种后备保护应该包括：过电流保护、零序电流部分保护、交流母线过电压保护、零序部分电压保护以及饱和状态保护。 B,最优化的换流变压器后备保护

因为有直流控制系统的特殊调节作用，相比于传统的变压器，换流变压器有不同的工作状态。对换流变压器来说，直流系统上的故障是外部的故障。如果直流线路的自动启动不能工作，从上面的分析可以得出，旁边网络的换流变压器会有两个电流值。当直流线路故障发生时，当前状态下电流会提升。但因为直流控制系统的调节作用，这个值会迅速的减小。因此过电流保护不会被使用。并且过电压保护可能会运行很长一段时间。因此低电流保护可以用作直流线路段的远程后备保护。为了区别轻负荷的故障，整流器的触发角应该是保护的一个一个基本要求。原因是当故障发生在直流线路上的时候，整流器的触发角会上升超过正常的范围。在高压直流设备中，因为大容量的换流变压器的核心磁饱和，三次、五次、七次谐波会非常多。这些谐波会严重的阻碍交流保护。为了减小这种阻碍，三相电流应该通过低频滤波器或者带阻滤波器。

并且建立时间应该比第一次自动重新启动的时间要长一点，以便阻止保护发生在直流线路的自动重新启动的时间里。在保护运行后，交流滤波器的断路器和换流变压器应该跳闸。低电流的关系如下图：

图7 低电流保护的关系图

在直流线路上模拟外部故障和大型的接地电阻故障时，低电流保护可以运行。并且外部故障发生时，保护不会运行。

IV . 结论

当自动重新启动失败时，通过国际大电网组织的基准模型模拟直流线路的故障，讨论旁边网络的换流变压器的电压和电流变化。因为过剩的无功功率，交流母线的电压会攀升，并且过载电流会达到1.7pu。距离直流线路的输送端越长，接地电阻越大，过载电流会越小。在故障稳定状态电流会小于额定值。根据电压和电流的变化特点，低电流保护可以用作换流变压器的后备保护用来保护直流线路。仿真证明在故障发生在直流线路、在外部故障发生后没有误操作的时候，低电流保护能够可靠的运行。并且因为简单的逻辑，这种保护可以很容易实现。

V . 参考文献

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VI . 作者简介

刘青 女 1974年八月16日生，河北人。在华北电力大学在1999年和2002年

分别获得电子工程学士和硕士学位。目前，她正在华北电力大学从事教学和研究工作，同时攻读博士学位。她感兴趣的领域包括电力系统自动化和保护。她现在是IEEE PES成员，同时在中国河北保定华北电力大学教育部动态安全检测和控制国家重点实验室工作。

王增平 男 1964年11月3日生，在华北电力大学于1985年和1988年分别获

得学士和硕士学位。在1997年获得哈尔滨工业大学博士学位。现在他是华北电力大学科技处处长。他的研究领域包括电力系统自动化和保护。他现在是IEEE PES成员，同时在中国河北保定华北电力大学教育部动态安全检测和控制国家重点实验室工作。