顧喬根， 呂 航， 王玉龍， 程璐璐， 薛海平

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102; 2. 南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院),江蘇 南京 211106)

0 引言

由于我國電能生產(chǎn)中心與負(fù)荷中心的地理距離較遠(yuǎn)，容易出現(xiàn)供能側(cè)產(chǎn)能送不出、需求側(cè)用電緊張的情形。為解決電能的高效傳輸問題，我國將建設(shè)以特高壓交流、特高壓直流輸電技術(shù)為基礎(chǔ)的電力骨干網(wǎng)。特高壓輸電是解決大容量、遠(yuǎn)距離電能輸送問題的良好技術(shù)手段，但特高壓輸電的電力走廊要占用日益緊張的土地資源，因此，特高壓交流、直流線路共用走廊的情況難以避免[1-2]。雖然目前工程應(yīng)用中還沒有交/直流線路同桿塔布局情況，但是不排除將來會出現(xiàn)這種輸電布局的可能。與交/直流獨(dú)立輸電方式不同，同塔架設(shè)的交直流線路，或交直流輸電線路臨近、互相跨越，將引出一系列新的問題[3-4]，如運(yùn)行的交流線路會對鄰近的直流線路產(chǎn)生電磁耦合效應(yīng)，產(chǎn)生交流電場、直流電場混合現(xiàn)象。這種情形長期運(yùn)行后，可能導(dǎo)致交直流輸電線路發(fā)生碰線故障。

常規(guī)超高壓、特高壓交流電網(wǎng)常用的幾種繼電保護(hù)元件，包括工頻變化量距離元件、零序方向元件、負(fù)序方向元件、縱聯(lián)差動元件和阻抗元件，算法比較成熟[4-6]。這些保護(hù)元件均是基于交流系統(tǒng)接地、相間或者交流跨交流故障的電氣特征分析來建立的。當(dāng)交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)發(fā)生碰線故障時，直流短路電流與交流短路電流混疊，將會給傳統(tǒng)的繼電保護(hù)帶來哪些影響，目前相關(guān)研究還不多見，特別是對于易受直流電流的元件會帶來哪些影響，如電力變壓器是否因此飽和進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)誤動，有待進(jìn)行深入研究[7]。

本文從變壓器差動保護(hù)角度出發(fā)，根據(jù)實(shí)際工程的仿真模型，仿真交流變壓器差動保護(hù)在交直流碰線故障下的波形特征，探討常規(guī)變壓器差動保護(hù)在此類故障情況下的適應(yīng)性。

1 交直流碰線故障的故障過程

對交流電網(wǎng)中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，分析交直流碰線故障后的故障電流，如圖1所示。

圖1 交直流碰線故障電流示意圖Fig.1 Current schematic diagram of AC/DC Touch Fault

如圖1所示，UF為等效的故障電源，故障電流的主要流向如圖中①、②、③、⑤所示。此外，故障電流還會通過直流雙極線路間的相感流過，如圖中的流向指向④所示；故障電流還將通過交流相間互感流通，如圖中的流向指向⑥、⑦所示。

對中性點(diǎn)不接地的交流電網(wǎng)，發(fā)生交直流碰線故障后，故障電流只能通過線路對地的互感流通，其故障電流值較小。

對于中性點(diǎn)接地的交流電網(wǎng)，如圖1所示的M端、N端構(gòu)成的交流電網(wǎng)，如果發(fā)生交直流碰線-接地故障，故障電流將經(jīng)故障點(diǎn)的接地點(diǎn)流通，此時流入交流系統(tǒng)的直流分量較小。如果發(fā)生交直流碰線-不接地故障，故障電流將經(jīng)交流系統(tǒng)的中性點(diǎn)的接地點(diǎn)流通，從而造成較大的直流短路電流流經(jīng)交流電網(wǎng)，進(jìn)而對電網(wǎng)設(shè)備、繼電保護(hù)正常運(yùn)行造成影響。

2 交流保護(hù)的影響性評估

當(dāng)發(fā)生交、直流線路相碰，交流直接將基本分量注入直流輸電線路，同時，直流電流竄入交流系統(tǒng)中。一方面直流線路中將會出現(xiàn)工頻交流分量，使交流系統(tǒng)中出現(xiàn)二次諧波激勵，直流系統(tǒng)將產(chǎn)生較大基波，交直流的不斷相互激勵進(jìn)一步增加諧波的不穩(wěn)定，造成電氣量畸變，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行及繼電保護(hù)的適應(yīng)性。另一方面，直流電流竄入變壓器后，將在變壓器本體中產(chǎn)生直流偏磁，可能造成變壓器鐵心磁通飽和[6-8]，這不僅對變壓器安全造成損害，還將進(jìn)一步影響變壓器差動保護(hù)的適應(yīng)性，造成保護(hù)誤動進(jìn)而擴(kuò)大事故。

目前，實(shí)際工程中較為常見的是交流輸電線路、直流輸電線路交叉跨越的情形，可能發(fā)生的故障點(diǎn)集中在輸電桿塔及輸電線路上。變壓器通常坐落于變電站內(nèi)，設(shè)備自身占地面積相對較小，變壓器差動保護(hù)范圍僅限變壓器本體及引線部分，發(fā)生碰線故障的概率較小。因此本文著重分析發(fā)生碰線故障后變壓器差動保護(hù)的防誤特性，不考慮碰線故障發(fā)生在變壓器差動保護(hù)區(qū)內(nèi)。

3 交流220 kV變壓器差動保護(hù)故障特性仿真

3.1 仿真模型

本文采用PSCAD/EMTDC數(shù)字仿真軟件，構(gòu)建交直流互聯(lián)電網(wǎng)仿真模型，模擬交流線路與直流線路的各種碰線故障，通過仿真軟件輸出故障錄波文件，通過對故障錄波文件的分析研究故障時的電氣特征及繼電保護(hù)元件的響應(yīng)。

本文仿真采用的直流輸電系統(tǒng)基于實(shí)際運(yùn)行的±500 kV金中直流輸電工程，構(gòu)建的直流部分仿真模型，與實(shí)際系統(tǒng)高度一致，工程參數(shù)如下。

直流線路長度為1100 km，采用依頻模型，桿塔主要參數(shù)為：4分裂導(dǎo)線、兩極線離地高度為30 m、相距20 m，兩地線離地高度41 m、相距20 m；閥控制保護(hù)系統(tǒng)為金中換流站實(shí)際使用的控保系統(tǒng)。

為了便于研究，保留一條交流線路，并對兩側(cè)的交流電源進(jìn)行適當(dāng)簡化等值。在仿真模型中，交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)相互獨(dú)立，交流線路與直流線路之間僅通過仿真故障控制器連接，這樣處理是為了著重仿真交直流線路交叉跨越時的碰線故障。設(shè)置交流系統(tǒng)的輸電線路(M—N端)長度為220 km。參考廣州地區(qū)2017年豐大年短路電流計算數(shù)據(jù)，設(shè)置交流系統(tǒng)短路容量為16 949 MV·A，正序電阻、電抗分別為0.256 Ω，3.026 Ω；負(fù)序電阻、電抗分別為0.289 Ω，2.773 Ω；零序電阻、電抗分別為0.705 Ω，6.49 Ω。

設(shè)置變壓器差動保護(hù)啟動值為0.3Ie，縱差涌流閉鎖方式為二次諧波閉鎖，設(shè)置涌流閉鎖定值為15%。交直流線路碰線故障示意圖如圖2所示。

圖2 交直流線路碰線故障示意圖Fig.2 Schematic diagram of AC/DC touch fault

本文采用的分析方法包括：(1) 根據(jù)金中換流站實(shí)際工程應(yīng)用的PSCAD直流模型，搭建交直流碰線故障仿真系統(tǒng)；(2) 基于基本的繼電保護(hù)原理，利用matlab軟件構(gòu)建模擬實(shí)際繼電保護(hù)元件的數(shù)學(xué)模型，模擬超高壓、特高壓電網(wǎng)常用的縱差保護(hù)。圍繞這幾種情況下各自的特性，分析其在交直流碰線中的適應(yīng)性，并結(jié)合仿真得到的故障電氣量數(shù)據(jù)檢驗其動作行為是否可靠。

同時，對交流和直流線路部分選取不同的故障點(diǎn)，進(jìn)行不同類型的碰線故障，比較分析故障結(jié)果，選擇有代表性的輸電線路和故障點(diǎn)作為重點(diǎn)研究對象。

本文仿真模型設(shè)置直流系統(tǒng)啟動時間為12 s，以確保故障前系統(tǒng)已穩(wěn)定。設(shè)置故障起始時刻為第12 s，故障持續(xù)時間1 s，故障消失后系統(tǒng)恢復(fù)時間7 s，共計設(shè)置仿真時間20 s(下文分析圖形略去了仿真過程前10 s直流系統(tǒng)啟動過程)。

對于交流系統(tǒng)M端、N端電流特征而言，雖然交直流碰線故障點(diǎn)本身沒有接地，但由于與直流線路相碰，直流系統(tǒng)通過接地極極線接地，從而交流短路電流能夠形成回路[8]。由于這種故障形式與一般的交流接地故障不同，顯然交直流故障下交流故障回路的短路阻抗要大于一般性交流接地故障。圖3給出了M側(cè)線路近端故障時的短路電流對比。

圖3 線路短路電流對比Fig.3 Comparison of line fault current

由圖3可見，由于短路阻抗的影響，同等條件下，不接地碰線故障時的線路短路電流要明顯小于一般性接地故障。文獻(xiàn)[9]給出的仿真結(jié)論，在特定的線路保護(hù)定值下是成立的。但對于更一般的線路保護(hù)定值整定，以及考慮直流短路電流對互感器的不利影響[10-11]，線路保護(hù)可靠性和靈敏性不可避免地會降低[12-17]。本文不進(jìn)一步展開討論線路保護(hù)問題，基于交流線路保護(hù)還存在較大的不確定性[18-19]，僅假設(shè)1 s的仿真過程中，線路保護(hù)未動作，線路開關(guān)不斷開。

3.2 閥保護(hù)投入時220 kV變壓器近端三相區(qū)外不接地碰線

一般而言，交直流碰線故障后不管直流線路主保護(hù)是否動作，故障一直持續(xù)下去交直流碰線保護(hù)將會動作(交直流碰線保護(hù)延時定值設(shè)置得較長也會滿足條件而動作)。交直流碰線保護(hù)動作后采用南網(wǎng)工程的緊急停運(yùn)(ESOF)。緊急停運(yùn)整流站采取快速移相閉鎖(約20 ms)，逆變站采取投旁通對閉鎖(旁通對時間約1.2 s)。

根據(jù)閥控制保護(hù)策略，當(dāng)故障發(fā)生碰線保護(hù)動作后，直流系統(tǒng)將進(jìn)入自重投過程。如果碰線故障點(diǎn)為永久性故障，這個過程將逐步加劇直流短路電流對交流系統(tǒng)的沖擊。

分析這個過程可以預(yù)見，故障后閥控制系統(tǒng)迅速停運(yùn)，變壓器短時內(nèi)流經(jīng)非周期分量，變壓器飽和程度較低。由于故障為永久性存在，在接下來的閥控制系統(tǒng)幾次自投的暫態(tài)過程中，反復(fù)有短時非周期分量流經(jīng)變壓器繞組，導(dǎo)致變壓器飽和程度逐步加深。

仿真直流保護(hù)投入的情況下，發(fā)生變壓器ABC三相區(qū)外永久性不接地碰線故障。計算本故障下的變壓器縱差差流，波形特征如圖4。由于直流系統(tǒng)保護(hù)動作迅速，變壓器只短時流經(jīng)非周期分量，變壓器飽和程度較低，差流小于差動門檻。隨著閥控制系統(tǒng)多次重投，差流逐漸上升，很可能達(dá)到動作門檻，但這個過程中，由于差流中二次諧波含量很高，勵磁涌流判據(jù)能夠起到制動差動保護(hù)的作用。

圖4 本故障下的變壓器縱差差流波形Fig.4 Waveform of differential flow under this fault

3.3 遠(yuǎn)端碰線故障時的變壓器縱差保護(hù)

圖1所示的故障電源產(chǎn)生的短路電流流入交流系統(tǒng)時，依然要遵循基爾霍夫定律。因此假設(shè)M、N側(cè)均存在接地中性點(diǎn)時，當(dāng)碰線故障發(fā)生在近N側(cè)，故障點(diǎn)-M側(cè)、故障點(diǎn)-N側(cè)構(gòu)成并聯(lián)回路，當(dāng)故障點(diǎn)越靠近N側(cè)，故障點(diǎn)-M側(cè)串入的線路阻抗越大，進(jìn)而流入M側(cè)的直流分量越小。

仿真碰線故障發(fā)生在交流輸電線遠(yuǎn)端(200 km)時，發(fā)生變壓器區(qū)外ABC三相碰線故障。

故障后，高壓側(cè)三相電流降低，沒有檢測到明顯的直流偏置。系統(tǒng)重新投入后，變壓器也沒有飽和跡象。故障過程中縱差差動保護(hù)差流如圖5所示。

圖5 本次故障縱差差流波形Fig.5 Waveform of differential protection flow

由圖5可見，當(dāng)交直流碰線故障點(diǎn)發(fā)生在輸電線路遠(yuǎn)端時，直流短路電流的流向遵循基爾霍夫定律，它選擇阻抗較小的回路流入大地，即本次故障中，短路電流經(jīng)線路遠(yuǎn)端的中性點(diǎn)流入大地，因此本側(cè)變壓器基本無直流偏置情況，從而變壓器縱差保護(hù)也沒有產(chǎn)生明顯差流。

3.4 閥保護(hù)失靈時變壓器近端區(qū)外不接地碰線故障

分析交直流碰線故障時閥保護(hù)失靈，旨在仿真直流短路電流長時間通過變壓器繞組的情形。

當(dāng)發(fā)生變壓器A相區(qū)外近端不接地碰線故障，故障后直流短路電流經(jīng)變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)的接地點(diǎn)流入大地。由于故障后直流系統(tǒng)沒有迅速退出，短路電流大、持續(xù)時間長，此工況下交流變壓器受影響程度深。

計算本故障下的變壓器縱差差流，并進(jìn)行諧波分析。故障開始后200 ms內(nèi)的差流波形如圖6，計算故障全過程的差流有效值如圖7。故障后，變壓器進(jìn)入暫態(tài)飽和，變壓器相電流、縱差差流中的二次諧波含量豐富，如圖8。

圖6 縱差差流波形Fig.6 Waveforms of differential protection flow

圖7 縱差差流有效值Fig.7 Amplitude of differential protection flow

圖8 故障電流的二次諧波含量Fig.8 The harmonic components of the fault current

經(jīng)計算，故障期間縱差差流已滿足差動保護(hù)制動特性曲線，理論上可以動作，但由于二次諧波含量高，涌流特性明顯，勵磁涌流判據(jù)能夠起到制動差動保護(hù)的作用。此外，差流未達(dá)到速斷定值。

4 500 kV變壓器差動保護(hù)的故障特征

4.1 含并聯(lián)高抗線路近主變端AB相碰線故障

考慮500 kV輸電線路含并聯(lián)高抗接入的情況，在圖2所示的M—N輸電線路中，增加并聯(lián)高抗。由于高抗存在經(jīng)中性點(diǎn)小抗的接地點(diǎn)，從變壓器的角度來看，相當(dāng)于在變壓器中性點(diǎn)的接地點(diǎn)之前，并接了一個接地點(diǎn)。

雖然高抗和變壓器同屬于感性元件，但變壓器存在鐵芯進(jìn)行磁鏈交換。當(dāng)直流電流流入變壓器繞組時將在鐵芯中建立起直流磁通，受磁阻的影響，變壓器整體呈現(xiàn)的阻抗必然要大于無鐵芯的高抗，因此當(dāng)發(fā)生碰線故障時，短路電流將優(yōu)先經(jīng)高抗流入大地。

仿真在閥控制保護(hù)不投入的情況下，發(fā)生升壓變AB相區(qū)外不接地碰線故障。

波形特征：故障后，交流短路電流穿越性流向500 kV短路點(diǎn)。各側(cè)交流短路電流的流向上，呈典型穿越性區(qū)外故障特征。同時，直流短路電流直接經(jīng)并聯(lián)高抗的中性點(diǎn)流入大地，流經(jīng)變壓器的直流電流極小。

計算故障時刻的差流，故障開始后200 ms內(nèi)的差流波形見圖9。由圖9可見，碰線故障時，縱差保護(hù)產(chǎn)生的差流極小，整體呈區(qū)外穿越性故障特征。縱差保護(hù)不會誤動。

圖9 三相故障時縱差差流波形Fig.9 Waveform of differential protection flow

4.2 不含高抗的線路近主變端發(fā)生區(qū)外碰線故障

自耦變壓器具有耗材少、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，因此在相同的運(yùn)輸條件下，自耦變壓器的容量可以比普通兩繞組、三繞組變壓器更大，廣泛應(yīng)用于超高壓輸電網(wǎng)中。自耦變壓器額定容量大、電壓等級高，其鐵芯截面積更大，因此對于相同短路容量的直流故障量，自耦變壓器具有更好的抗飽和能力。當(dāng)變壓器區(qū)外發(fā)生碰線故障時，中壓側(cè)電源將提供交流短路電流，流向短路點(diǎn)，整體呈穿越性特征，直流短路電流將經(jīng)自耦線圈直接流入大地。

在仿真閥控制保護(hù)不投入的情況下，發(fā)生聯(lián)絡(luò)變A相區(qū)外不接地碰線故障，受PSCAD仿真模型限制，500 kV自耦變采用兩側(cè)繞組的變壓器模型分析。

故障后，交流短路電流穿越性流入500 kV短路點(diǎn)，呈穿越性區(qū)外故障特征；故障后，變壓器A相電流出現(xiàn)一定直流偏置情況；故障后約500 ms，變壓器逐步出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)飽和現(xiàn)象。計算本故障下的變壓器縱差差流，波形特征如圖10。

圖10 本次故障縱差差流波形Fig.10 Waveform of differential protection flow

如圖9可見，碰線故障開始一段時間內(nèi)，變壓器未進(jìn)入飽和態(tài)，此時間段內(nèi)，變壓器差流很小；故障后約500 ms直至故障切除，變壓器逐步進(jìn)入飽和態(tài)。同時，在故障切除后，系統(tǒng)恢復(fù)時，變壓器產(chǎn)生恢復(fù)性涌流，產(chǎn)生的差流越過差動門檻，滿足差動保護(hù)動作條件，但此時差流波形偏于時間軸一側(cè)，諧波含量較高，勵磁涌流判據(jù)、電流互感器(CT)飽和判據(jù)能使差動保護(hù)可靠制動。

當(dāng)發(fā)生三相對稱性碰線故障時，由于自耦變相與相之間沒有直接的電磁連接，短路點(diǎn)提供的直流短路電流分別流入三相系統(tǒng)，各相承受的直流電流大為降低，緩解了變壓器的飽和程度。

故障后，交流短路電流穿越性流入500 kV線路的短路點(diǎn)。短路電流流向上，呈穿越性區(qū)外故障特征。從波形特征上看，三相短路故障時，變壓器飽和程度顯著低于不平衡故障，故障期間產(chǎn)生的縱差差流很小，保護(hù)沒有誤動風(fēng)險。

計算故障時刻的差流如圖11所示。三相短路故障時，變壓器飽和程度顯著低于不平衡故障，故障電流整體呈理想的典型區(qū)外穿越性故障特征，差流極小?，F(xiàn)實(shí)中如果發(fā)生區(qū)外三相故障，由于CT暫態(tài)特性、故障電流的非周期分量等因素，差動保護(hù)會產(chǎn)生較小的差流，但制動電流遠(yuǎn)大于差動電流，保護(hù)沒有誤動風(fēng)險。

圖11 本次故障縱差差流波形Fig.11 Waveform of differential protection flow

5 仿真結(jié)果分析

匯總各電壓等級、各系統(tǒng)工況情況下，交直流碰線故障下的差動保護(hù)特性，如表1、表2。

表1 220 kV變壓器區(qū)外不接地碰線故障Tab.1 Ungrounded AC/DC touch fault outside 220 kV transformer protection range

表2 500 kV變壓器區(qū)外不接地碰線故障Tab.2 Ungrounded AC/DC touch fault outside 500 kV transformer protection range

根據(jù)上文的仿真結(jié)果可以看出，交直流碰線故障后，當(dāng)直流短路電流流過變壓器繞組，經(jīng)變壓器中性點(diǎn)流出時，變壓器鐵芯容易因直流偏磁而導(dǎo)致鐵芯飽和。造成變壓器直流偏磁的影響因素包括：系統(tǒng)阻抗分別、閥控制保護(hù)特性、變壓器自身容量及結(jié)構(gòu)等。具體而言，可以形成如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 低電壓等級、小容量變壓器易飽和，產(chǎn)生差流能越過制動門檻，差動進(jìn)入動作區(qū)。高電壓等級變壓器進(jìn)入飽和較慢，產(chǎn)生差流較大的區(qū)域在恢復(fù)期間。

(2) 變壓器受直流偏磁影響程度，取決于系統(tǒng)阻抗分布。流入變壓器越多，變壓器越容易飽和。當(dāng)故障點(diǎn)遠(yuǎn)離目標(biāo)變壓器時，變壓器受影響程度低。變壓器飽和后，勵磁涌流判據(jù)能起到一定制動作用。

(3) 當(dāng)故障點(diǎn)附近安裝并聯(lián)高抗時，直流短路電流經(jīng)高抗中性點(diǎn)流入大地，變壓器受影響程度小。類似地，當(dāng)發(fā)生碰線接地故障情況下，直流短路電流直接入地，變壓器不受影響。

(4) 發(fā)生交直流碰線故障后，故障點(diǎn)臨近的變壓器應(yīng)盡快安排變壓器鐵芯的去磁維護(hù)工作。

變壓器進(jìn)入飽和態(tài)后，鐵芯勵磁阻抗降低，原邊勵磁電流上升。原副邊開關(guān)電流的不平衡造成變壓器差動保護(hù)被推向動作區(qū)?？偨Y(jié)起來，弱系統(tǒng)制動電流小，飽和后容易進(jìn)入差動保護(hù)動作區(qū)，強(qiáng)系統(tǒng)制動電流大，飽和后仍能保證一定的制動特性。

對于交直流同塔線路臨近的低電壓等級、小容量變壓器，變壓器差動保護(hù)定值宜適當(dāng)提高，以提高差動保護(hù)制動區(qū)間，增強(qiáng)防誤特性。

6 結(jié)語

本文根據(jù)實(shí)際直流工程應(yīng)用的PSCAD仿真模型，搭建了交直流共存的故障仿真模型，仿真并分析了220 kV，500 kV常見場景發(fā)生交直流輸電線路碰線故障特征。仿真表明，當(dāng)較低電壓等級的交流系統(tǒng)發(fā)生交直流碰線故障時，交流系統(tǒng)的變壓器容易進(jìn)入飽和狀態(tài)，進(jìn)而帶來變壓器差動保護(hù)誤動的風(fēng)險。對于高電壓等級的交流變壓器，雖然不至于使變壓器迅速進(jìn)入飽和態(tài)，但直流短路電流產(chǎn)生直流磁通不容忽視，也應(yīng)引起重視。交直流碰線故障，本質(zhì)上沒有脫離電力系統(tǒng)短路計算的分析范疇，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成的變化，也將對短路電流的分布和流向產(chǎn)生影響。

應(yīng)當(dāng)看到，對于交直流碰線故障的研究，還有許多內(nèi)容需要進(jìn)一步開展，例如：實(shí)際電網(wǎng)發(fā)生故障時，故障特性要比實(shí)驗仿真復(fù)雜，電流互感器、電壓互感器受直流偏磁影響后，可能影響其傳變特性，進(jìn)而進(jìn)一步對差動保護(hù)、阻抗保護(hù)等造成不利影響。另外，故障后交流系統(tǒng)的故障非周期分量與直流短路電流的相互作用，也需要進(jìn)一步研究。