换流变压器阀侧绕组故障分析

换流变压器阀侧绕组故障分析

蒙聪

国网新疆电力公司超高压分公司 新疆乌鲁木齐 830000

摘要：与普通变压器相比，换流变压器短路阻抗和直流偏磁大，且二次侧绕组连接到直流侧，所以故障特性比普通变压器复杂，因此，研究换流变压器故障特性对保证交直流电网安全运行意义重大。

关键词：换流变压器；阀侧绕组；故障

换流变压器是连接交直流系统重要设备及纽带，用于提供与调节交流电压、能量交换、实现交直流隔离。当换流变压器内部发生故障时，对交直流电网会造成严重影响，甚至威胁其安全稳定运行。

一、换流变压器概述

换流变压器是指接在换流桥与交流系统间的电力变压器，是超高压直流输电中重要设备，是交直流输电系统中整流、逆变两端接口核心设备。它的投入和安全运行工程取得发电效益的关键和重要保证，其关键作用要求具有高可靠性及高技术性能。

二、换流变压器阀侧绕组故障

1、三相短路。换流变阀侧绕组发生三相短路时，系统侧交流电压会在换流变二次侧绕组中产生感应电流，并经故障点入地，不经阀侧电流互感器，所以主要考虑直流侧放电对换流变二次绕组和阀的影响。

①一相上桥臂导通。[001]、[010]和[100]导通情况可归入这一类。以a相接通上桥臂、bc相接下桥臂时换流变阀侧绕组三相短路为例，流经正极等效电动势电流及正极电容放电电流在p点汇合，经VT1、a相换相电感及CTa到达故障点；故障点电流经bc相换相电感和VT2、VT6到达n点后，分流为负极等效电动势电流及负极电容放电电流且分别入地。

②两相上桥臂导通。其包括三种阀导通：[011]、[101]和[110]。以ab相接通上桥臂阀、c相接通下桥臂阀时换阀侧绕组三相短路为例，二次侧电流流通路径如图1(a)所示，由此所得等值电路图见图1(b)。

图1

(a)故障电流流通回路

(b)故障等效电路图

故障电流的方程和求解类似于一相接正极故障分析，所以故障后电容电压UC1是两项衰减非周期分量和，a、b相阀侧电流互感器检测到的电流iCTa、iCTb包含两项衰减非周期分量和直流分量，其衰减系数与UC1相同。负极电容电压UC2是两项振荡衰减分量和，c相阀侧电流互感器检测到的电流iCTc包括直流分量及两项振荡衰减分量，其衰减系数及振荡频率与UC2相同。

③三相导通桥臂相同。其包括两种阀导通：[000]、[111]。以三相均导通上桥臂阀时发生三相短路为例，故障后正极电容电压UC1是两项衰减非周期分量和，CTa、CTb、CTc检测到的电流iCTa、iCTb、iCTc包含衰减非周期分量和直流分量，且衰减系数与UC1相同。

三相短路发生后直到闭锁前，阀会根据调制信号切换到不同导通状态，故障回路及电流会相应改变。可见：⑴换流变阀侧绕组发生三相短路到闭锁前流经阀侧电流互感器的暂态电流成分由衰减非周期分量及振荡衰减分量为主，不含基波；⑵发生短路时，流经换流阀电流迅速增加，导致阀闭锁，因正极端p点电位及故障点a、b和c的零电位，反并联二极管无法导通，所以阀侧互感器无电流通过；⑶闭锁前后，换流变系统侧电流互感器测量的电流幅值迅速增大，以交流基波为主；⑷短路后，持续开关不影响分析结果。只要阀未闭锁，暂态过程在上述不同导通下来回切换，电流成分仍包括直流、衰减非周期、振荡衰减分量。因各状态持续时间不重复且末态不同，电流成分系数在不同导通阶段不同；⑸换流变差动保护在闭锁前应考虑非周期及振荡衰减分量影响。

2、两相短路。类似于三相短路，可能发生于一相上桥臂导通状态，或两相或三相上桥臂导通状态。两相短路是不对称故障，因而可按两相导通桥臂极性相同及相异分析。交流系统侧及直流侧会影响电流通路，流经换流变阀侧电流互感器电流是其共同作用结果。

短路两相导电桥臂极性相同时，故障前工作状态可能处于交流侧对直流充电状态或无充电状态。以ab相绕组两相短路为例，交流系统侧会在阀侧绕组中产生两路感应环流及一路因网侧电压差产生的经过阀的电流，路径为：①经换流变a相阀侧绕组、故障点、b相电流互感器、换流变c相阀侧绕组、CTc形成环流；②由b相阀侧绕组、故障点和CTa形成环流；③经故障点、ab相换相电感、二极管到达p点后向直流电容充电，然后经二极管VD2流回c相换相电感，再经换流变绕组流回故障点形成回路。直流侧提供电流为：正极放电电流在p点汇合，经VT1、a相换上电感、CTa及VT3、b相换相电感到达等电位故障点，再经换流变绕组汇至c相阀侧绕组出口，经c相换相电感与VT2到达n点，之后经电容及负极等效电动势放电入地。

从直流侧提供故障电流流通路径中获得的等效电路图和方程与上述相同，其结论为：①ab相短路后至闭锁前，直流侧供给a、c相电流互感器电流包括直流、振荡衰减、非周期衰减分量；②b相电流互感器两端电位相等，直流侧提供电流不流过CTb；③除直流侧提供电流外，交流侧还会向各相电流互感器提供基波电流，三相基波幅值基本相等。

当交流侧对直流无充电时发生故障，因故障点未接地，方程解得的电感与绕组两端电位相同，换流变阀侧电流互感器中流过电流仅包括与初态相关直流与交流侧提供基波分量。

短路两相导通桥臂极性相异时，故障前处于交流侧向直流充电状态，得到其电流通路和由直流侧提供的故障电流路径对应等效电路及方程组，分析方法与上述相同。得出：①短路发生到闭锁前，直流侧提供给a、b、c相电流互感器电流包括直流、非周期衰减、振荡衰减分量；②交流侧将向各相电流互感器提供基波电流；③两者之和是互感器测各得总电流。

3、单相接地

①无充电回路。换流变阀侧处于环路时a相单相接地，因二次侧线电压的对称性，在交流系统侧阀侧绕组中产生感应环流；a、b、c的压差产生流经阀电流，电流从b和c相绕组出口经换相电感VT6、VT2和二极管VD4到达故障点，经换流变绕组流回b、c点形成回路。环路状态下，当电容正极电位高于直流等效电动势时，电容向等效阻抗放电，不向换流变提供电流；从故障点到直流负极电流分为三路到达n点。

在无充电回路下，单相接地在闭锁前特征为：⑴负极电容电压UC2是两项振荡衰减分量和；⑵a、b相阀侧电流互感器检测的电流iCTa和iCTb包括直流、两项振荡衰减分量和系统侧供电提供基波分量。

②含充电故障回路。换流变阀侧处于充电或充电环路复合状态时，a相发生单相接地。系统侧交流电压将在阀侧绕组中产生感应环流；a、b、c压差会产生流经阀电流，电流经b相绕组出口处换相电感、VT6、负极直流电容，或c相绕组出口的换相电感VD5和VT1到达故障点，再经各换流变绕组流回b、c点形成回路。直流侧也向故障回路提供电流，正极放电电流在p点汇合，再分流成：⑴通过VT1、a相换相电感、CTa到达故障点；⑵通过VT5、c相换相电感和换流变a相阀侧绕组达到故障点。故障点电流经换流变b相阀侧绕组、电流互感器、换相电感、VT6到达n点，再经负等效电动势及电容放电入地。

充电回路下单相接地至闭锁前，回路特性为：⑴正极电容电压UC1及负极电容电压UC2是两项振荡衰减分量和，衰减系数相同，但振荡频率不同；⑵b相阀侧电流互感器检测电流iCTb包括直流、振荡衰减分量和系统供电所提供基波分量；⑶a相阀侧电流互感器检测电流iCTa包括直流、两项振荡衰减分量和系统侧供电所提供基波分量。

可见，单相接地故障结论为：⑴单相接地发生到闭锁前，流经阀侧电流互感器暂态电流成分为振荡衰减、直流、基波分量。⑵短路发生后，无论流过换流阀电流的快速增大导致阀闭锁定，还是电容先放电完使正极端p点电位跌落到0，因故障点a相电压为0，其桥臂反并联二极管VD1和VD4受反向压降不能导通，所以IGBT闭锁后，流经a相互感器电流仅为系统侧提供基波分量；但仍存在b、c相桥臂中二极管导通可能性，无论其相同或相异，流经其两相阀侧电流互感器电流仍由基波主导。⑶无论闭锁前后，换流变系统侧电流互感器测得电流幅值迅速增大且仍由周期性基波主导。⑷换流变差动保护在闭锁前应考虑振荡衰减分量影响。

参考文献：

[1]蔡泽祥.直流输电换流变压器阀侧交流单相接地故障[J].电工技术学报，2012，27(06):38-45.