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换流变压器差动保护对称性涌流识别算法研究

来源：九壹网

总628期第一期2018年1月

河南科技

HenanScienceandTechnology

地球与环境

换流变压器差动保护对称性涌流识别算法研究

杨阳张文波杜迪

（合肥电力安装有限公司，安徽

合肥230601）

摘要：本文比较了换流变和普通变压器在接线形式上的特殊性，分析了换流变保护差动中对称性涌流产生

的原因。根据换流变对称性涌流的波形特征，提出了一种虚拟制动电流的构建方法，通过构建的虚拟制动电流和实际采样电流进行波形预测，根据定义的波形系数函数进而求取波形系数，通过波形系数的差异可以有效识别对称性涌流。通过仿真验证，所提出的对称性涌流识别算法可以有效避免换流变保护装置在发生对称性涌流时产生误动，发生空充于故障的情况时保护可以有效动作。关键词：换流变；对称性涌流；虚拟制动电流；波形系数中图分类号：TM315

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2018）02-0157-04

ResearchonIdentificationofSymmetricalInrushCurrentAlgorithmfor

ConverterTransformerDifferentialProtection

YANGYang

ZHANGWenbo

DUDi

（HefeiElectricPowerInstallationCo.,Ltd，HefeiAnhui230601）

Abstract:Inthispaper,theparticularityofconvertertransformerandcommontransformerinconnectionformwascompared,andthecauseofsymmetricalinrushindifferentialprotectionofconverterprotectionwasanalyzed.Accordingtothewaveformcharacteristicsofsymmetricalinrushcurrent,avirtualrestraintcurrentconstructionmethodwasproposed,virtualrestraintcurrentandactualsamplingcurrenwasusedforwaveformprediction,waveformcoefficientwasobtainedaccordingtothedefinedwaveformfunction.Thenthesymmetricalinrushcanbeidentifiedeffectivelybythedifferenceofthewaveformcoefficient.Thesimu⁃lationresultsshowthattheproposedalgorithmcanavoidmisoperationofprotectiondevicewhenthesym⁃metricinrushoccurs,anditcanacteffectivelywhenno-loadswitchingintofault.

Keywords:convertertransformer；symmetricalinrush；virtualrestraintcurrent；waveformcoefficient1

研究背景

是同时投退的，所配置主保护也包括12脉动换流变的大差保护和单台换流变的小差保护，且均采用二次谐波制动判据。

与普通变压器相比，换流变配置了较多的CT，因此可以配置更加复杂和完善的差动保护。同时，由于换流变压器的短路阻抗较大，内部故障情况下差电流较小，对差动保护灵敏度也提出了更高的要求。

从换流变保护的配置可以看出，排除CT传变特性的影响，当变压器引线部分无故障时，大差差流始终等于两小差差流之和。

换流变大差的励磁涌流和普通变压器的励磁涌流有较大区别。普通变压器涌流谐波含量较高，波形畸变严重，衰减较快；而换流变的励磁涌流可能出现衰减较慢、

换流变压器（以下简称“换流变”）是特高压直流输电系统中最重要的设备之一，其运行可靠性直接决定了特高压直流输电系统的整体性能。换流变压器不同于普通电力变压器，其在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压及试验等电气特征上与普通电力变压器有很大不同［1-4］。在高压直流输电工程中，换流变压器处于交流电与直流电互相交换的核心位置。换流变构成方式主要取决于直流输电工程对传输容量的要求。一般特高压系统多采用由Y/Y和Y/△两组双绕组变压器与换流阀构成12脉动换流单元。特高压系统通常采用双极单阀组或双极双阀组结构。

在任何组合运行方式下，每组12脉动2台换流变均收稿日期：2018-01-01

作者简介：杨阳（1987—），男，本科，助理，研究方向：电力系统继电保护及工程实施。

谐波含量较低的情况。

换流变压器差动保护对称性涌流识别算法研究

第1期

3.2

波形预测算法及波形系数计算

在构建虚拟电流后，设k时刻的实际电流的值为ik，虚拟电流为i，且在j时刻有极值ip.peak存在，则通过波形预测，第k点的预测电流ii值为：

iik=ip·peak∗|cosæ2πk-2πjö|，k=j-N，L，j+N（1）

|èNNø|44式中，N为每个周期的采样点数。当Ts为采样周期时，可以定义波形系数为：

4|||1||iiN-iN|∙Ts+∑|iik-ik|∙Ts+1|iiN-iN|∙Ts

j-j-j+j+2|42|44|4|k=j-N+1

j+N-1

产生这种不同的主要原因是，换流变大差的励磁涌流是两台变压器励磁涌流的综合结果。由于每台小变压器有自己的磁回路，因此会产生的励磁涌流。当两个励磁涌流的二次谐波分量刚好大小接近、方向相反时，和电流中工频分量会占据绝大部分，从而产生非常明显的故障特征，造成差动保护误动。

换流变励对称性励磁涌流分析

Y/Y和Y/D两台变压器虽然空充时的电压初始相位相同，但仍然可能产生不同的励磁涌流，主要有以下几个影响因素：①空充前初始剩磁不同［5］；②两立变压器，变比不同；③铁磁饱和特性不完全相同。

特别是部分换流变Y/Y和Y/D两台变压器，可能由不同的厂家供货。

Y/D换流变由于低压侧存在三角环，在空充过程中会出现一定的零序环流，从而对变压器磁通产生影响。而Y/Y变压器因为阀处于未解锁状态且低压无三角环，所以空充过程中低压侧基本无电流。

可见，Y/Y和Y/D两台变压器的励磁涌流受很多因素影响，一般不会完全相同，特殊情况下和电流确实可能出现工频分量高且直流和二次谐波含量低的情况。

此外，由于两台变压器同时空充，涌流之间会相互影响，产生比较复杂的和应涌流，造成涌流衰减速度比较慢，甚至可能在一段时间内出现逐渐增大的情况。

由于Y/Y、Y/△换流变压器的电源、合闸角等参数完全相同，因此，在系统侧合闸为换流变压器空充时，若两换流变压器因剩磁不同，产生的励磁涌流相差很大，导致合成的励磁涌流对称性较好，差流最大相的二次谐波闭锁功能基本上没有作用，容易引起差动保护误动。

换流变压器的励磁涌流、对称性励磁涌流和和应涌流现象都存在于实际直流输电系统中。

励磁涌流（对称性涌流）判别

|||1||iiN|∙Ts+∑|iik|∙Ts+1|iiN|∙Ts

j-j+2|4|2|4|k=j-N+1

44j+N-14|||||iiN-iN|+2∙∑|iik-ik|+|iiN-iN||j-4j-4||j+4j+4|k=j-N+1

|||||iiN|+2∙∑|iik|+|iij+N|j-||4|4|k=j-N+1

44j+N-14j+N-14（2）

从波形系数R可以看出，分母为预测波形的面积，分子部分为预测电流波形与虚拟电流波形面积之差。通过上述公式可以了解到，在换流变压器空充时，间断角较大，R的分子部分较大，所计算出的R值较大；当变压器发生故障时（包括内部和外部故障），故障电流基本为正弦波，R的分子部分较小，所计算出的R值也较小。因此，可以通过变压器内部故障时产生的差流满足差动保护，而外部故障时差流不满足差动保护的要求，利用差动保护区别区内故障与区外故障。同时，差动保护也可作为虚拟电流计算及波形系数计算的启动算法。然后，设定合理的门槛值，即可通过判别R值的大小识别换流变压器是空充还是故障状态［7］。

对称性涌流识别的具体算法是：首先对合成电流进行采样，并进行数据滤波，检测电流是否满足差动保护，若合成差流满足差动，则启动对称涌流识别算法，先采样一周数据，根据采样数据构建虚拟电流，根据构建的虚拟电流进行波形预测，进而求取波形系数。根据定义的波形系数函数求取波形系数，通过比较波形系数与设定的门槛值的大小，确定换流变压器是否发生励磁涌流或故障电流，当波形系数大于门槛值时，可认为换流变压器为

由于在空载合闸时采用二次谐波闭锁方案，因此，会影响空载合闸于故障时差动保护的动作速度，且当变压器空载合闸于对称性涌流时，差动保护容易误动。本方法采用一种新原理，比较波形系数R与ε（ε为设定的定值）的大小：如果R＜ε，开放差动保护；否则，闭锁差动保护。

3.1

构建虚拟制动电流

通过上述对合成电流及两种极端情况的分析，考虑到在内部故障情况下，电流中可能含有较多的直流分量，使电流向某一方向有较大偏移，并根据电流在故障和正常空投时波形特征的差异，结合极端情况下合成电流的特征，笔者按照以下步骤进行虚拟电流的构建。①通过

换流变压器差动保护对称性涌流识别算法研究

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空充状态，闭锁差动保护；当波形系数小于设定门槛值时，可认为变压器发生内部故障，开放差动保护。由于合成涌流中有明显的间断角特征，涌流波形与预测波形的差值较大，计算的波形系数也较大；而故障电流具有正弦波的特征，故障电流与预测电流差值较小，计算的波形系数也较小。当门槛值选取过大，在空充时容易误动，但故障时，保护的开放速度较快；而门槛值选取较小时，可以避免空充误动，但在小匝间短路时，保护的开放速度较慢。综合上述因素，选取门槛值。

图1为一种适用于变压器涌流闭锁的综合判别方法流程框图。

开始230V，低压侧电压为230V，高压侧额定电流6.52A，空载损耗22.6W，空载电流0.25A，短路损耗20W，短路阻抗13.4%。

3.1

变压器空载试验

图2（a）为系统侧的合成电流，包括饱和电流与不饱和电流。从图上可以看出，在换流变压器空充时，会导致电流互感器饱和。由于合成电流的对称性不是很好，致使涌流中二次谐波含量较高，谐波的制动作用较强，不会引起保护的误动。求取合成电流的波形系数，所求取的波形系数大于门槛设定值，如图2（b）所示，该算法能可靠地制动差动保护，防止误动。

iA/A采样数据t/s满足空载合闸条件？iB/A进入波形系数判别流程是否进入二次谐波判别流程满足启动条件？是采集一周数据否满足启动条件？是采集一周数据否t/siC/At/s构建标准正弦波形计算二次谐波系数K（a）合成电流

A相计算比值计算波形系数R允许保护跳闸是K < ?2 ?KC相计算比值3仿真试验验证

图2

t/s（b）合成电流波形系数计算值

为验证算法的有效性，笔者进行了多组变压器空充、变压器匝间短路、电流互感器饱和等试验。录取了试验波形，进行离线分析，采样频率为1200Hz。试验设备中，选取Y/Y变压器与Y/△变压器作为实验对象。Y/Y变压器选用三个型号规格相同的单相变压器连接而成；Y/△变压器选用3相变压器。实验中系统侧相电压为220V。

单相变压器参数为：额定容量1.5kVA，高压侧电压230V，低压侧电压230V，高压侧额定电流6.52A，空载损耗21W，空载电流0.175A，短路损耗0.31%，短路阻抗13.4%，漏电感为0.035H。

电流互感器参数为：电流变比20/5A，额定输出5VA，饱和倍数10，准确级0.2。

三相变压器参数为：额定容量4.5kVA，高压侧电压

3.2

变压器空充算法分析

空投故障变压器

图3为极端换流变压器空投YY原边C相5%匝间短路时的仿真波形。图3（a）为Y/Y变压器和Y/△变压器的合成电流波形。从图中可以看出，A、C两相对称性涌流特征比较明显，虽然C相有匝间故障存在，存在故障特征电流，但涌流特征完全覆盖了故障电流，C相电流的二次谐波含量也较高。由于Y/△变压器中C相电流的波宽较小，致使在合成电流中，C相电流同时具有励磁涌流所特有的间断部分，容易造成误判。对合成电流进行波形系数计算后发现计算结果均大于门槛设定值，但Y/Y换流变压器中C相的波形系数计算值小于设定的门槛值，没有延时，及时开放差动保护。

换流变压器差动保护对称性涌流识别算法研究

第1期

iA/At/st/siB/At/st/siC/At/st/s（a）合成电流

（d）YY电流波形系数计算值

图３极端空投YY变C相5%匝间故障算法分析

4结论

通过利用换流变压器系统侧合成电流在空充和变压器内部故障情况下，合成电流具有不同电流特征的特点，以差动保护作为启动元件，根据波形特点，构建虚拟电

t/s流，以虚拟电流为基础，进行波形预测，并根据虚拟电流与预测电流的面积差求取波形系数，提出了利用波形系数大小识别涌流的算法。该算法先通过计算合成电流的波形系数，再以各换流变压器相电流波形系数作为辅助判据，增强对空投和故障识别的可靠性，该算法能准确识别励磁涌流，及时闭锁差动保护，可靠性高、适用性强，较二次谐波判据具有一定的优越性。本算法在识别小匝间

t/s（b）合成电流基波含量与二次谐波含量

短路的情况也有较高的灵敏度。

参考文献：

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［5］王维俭.发电机变压器继电保护应用［M］.北京：中国电力出版社，1998.

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［7］袁宇波，李德佳，陆于平，等.变压器和应涌流的物理机理及其对差动保护的影响［J］.电力系统自动化，2005（6）：15-19.

t/st/st/s（c）合成电流波形系数计算值

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