HVDC單極大地回線運行方式對變壓器的影響及防范措施

孫華芳

（浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201）

隨著高壓及特高壓直流輸電技術在我國的發(fā)展，越來越多的直流工程投入運行，直流輸電線路在投產前調試或運行中出現故障狀態(tài)時，直流系統(tǒng)將處于單極大地回路運行方式，此時會在交流系統(tǒng)變壓器接地中性點處產生直流分量，從而引起變壓器直流偏磁，對變壓器的正常運行造成嚴重威脅，因此必須對變壓器中性點直流電流進行有效監(jiān)測、對發(fā)生直流偏磁的變壓器采取相應的抑制措施。

1 變壓器直流偏磁的產生原因

1.1 直流輸電系統(tǒng)的運行方式

直流輸電線路的運行方式可分為雙極運行方式和單極運行方式，單極運行方式又分為單極一大地回線方式、單極一金屬線回線方式等，考慮到直流輸電系統(tǒng)的造價等因素，目前建成的直流輸電線路均為雙極大地回線方式，因此當系統(tǒng)單極運行時均為單極大地回線方式，此時，強大的直流電流經接地極注入大地，極址土壤中形成了一個恒定的電場，分布在附近的變電站和發(fā)電廠分別處于不同的直流電勢，若兩站（廠）之間有交流線路相聯，且變壓器中性點直接接地，則兩站（廠）之間將形成直流回路，經中性點入地或從地經中性點流入變壓器，根據流過的直流電流大小及變壓器的抗直流能力而產生或強或弱的直流偏磁現象。

1.2 變壓器直流偏磁的理論解釋

當直流電流由中性點流經變壓器繞組時，將會在變壓器鐵心內部產生一定的直流磁通，使得磁通在正負半周明顯不對稱，發(fā)成偏移，從而導致勵磁電流發(fā)生畸變。變壓器通過直流電流產生直流偏磁時，其勵磁特性曲線及輸出電流波形變化情況如圖1所示。

由圖1可見，圖1（a）中虛線表示有直流分量時的磁通曲線，實現表示無直流分量時的磁通曲線，圖1（b）為變壓器的典型勵磁曲線，圖1（c）實線為無直流分量時的磁化曲線，虛線表示有直流分量時畸變的勵磁電流曲線。當發(fā)生直流偏磁時，變壓器勵磁電流在某半波處于鐵心的磁化曲線飽和區(qū)，勵磁電流和諧波將急劇增加，對變壓器的影響主要表現在噪聲異常增大、振動加劇、損耗增加和局部過熱，危害變壓器和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[1]。

圖1 直流偏磁原理示意圖

2 直流偏磁的發(fā)生因素及仿真計算

2.1 直流偏磁的發(fā)生因素

在直流輸電單極大地運行時，實踐證明并不是所有的變壓器都會發(fā)生直流偏磁現象，而且流入變壓器繞組中直流電流大小也不近相同，評估對變壓器影響的關鍵是流入中性點的直流電流究竟多大，這和直流接地極的入地電流大小、接地極與變壓器的距離、變壓器的結構、土壤電阻率大小、系統(tǒng)網絡結構等都密切關聯。

2.2 直流偏磁的仿真計算

當直流輸電系統(tǒng)單極大地運行時，由于輸電線路沿線非常復雜，特別是大地導電條件特殊，直接導致了地中電流及地表電位的分布難以確定，實際上很難勘察出交流電網廣大區(qū)域內的土壤分層結構和實際電阻率，理論上的數值模型很難真實反映交流電網大范圍地區(qū)內土壤特性的不均衡性，仿真精度得不到保證，很難計算出有實際意義的可能流經過變壓器中性點的仿真電流數據。

筆者認為通過仿真計算來分析直流輸電線路對變壓器的影響實際意義不大，大部分是對已經發(fā)生了直流偏磁的變壓器，結合檢測到的直流電流來推導出互導，形成理論上的一種解釋。

3 直流偏磁對變壓器影響的定性分析

對于中性點不接地的變壓器因其不會形成直流回路，因此直流對其沒有影響；這里只對中性點直接接地的變壓器抗直流偏磁的能力進行定性分析：

3.1 直流電流對不同結構變壓器的影響

三相變壓器的結構主要有芯式、柱式和分體式等幾種，不同結構的變壓器所承受的直流電流大小不同。就變壓器的磁路而言，直流電流相當于零序電流，三相五柱式結構的變壓器其零序電流磁通可通過兩邊柱鐵心形成回路，故而其磁阻較較芯式結構變壓器小很多，其變壓器的抗直流偏磁的能力較弱；分體式變壓器由于每相都有獨立的磁通回路，每個鐵心對零序磁通都形成了閉合的低磁路通道，該結構變壓器的抗直流偏磁的能力最弱[2]。

3.2 變壓器容許的直流電流大小

變壓器容許通過的直流電流大小不僅與結構型式有關，而且相同結構的變壓器也因其采用的鐵心材料、磁通密度取值等因素而不同，當鐵心硅鋼片采用導磁率高的優(yōu)質冷軋硅鋼片時，允許通過的直流電流較小；采用導磁率低的熱軋硅鋼片時，允許通過的直流電流則較大，但顯然變壓器的經濟性就會比較差。

因此，為了抑制變壓器的直流偏磁現象，文獻[3]指出，對于可能會受到直流影響的變壓器先進行仿真計算，將計算得到的直流電流寫入變壓器的招標技術規(guī)范書中，要求廠家在制造時提高其承受直流電流的能力。如前所述，首先仿真計算的結果對于實際參照的意義不大，而且若要提高變壓器的抗直流能力，其必定會犧牲變壓器的經濟性，實際上直流偏磁現象的產生作用時間還是相對比較短的（一般都是在直流輸電線路投運前單極大地回路運行時），完全可以通過有效措施來預防和抑制該問題，不必犧牲變壓器的經濟性。

4 抑制直流偏磁的工程措施

近年來，抑制變壓器直流偏磁的方法和工程應用取得了一定進展，主要抑制措施有小電阻限流法、電容隔直法、反向補償直流法及電位補償法等[4]。

1）小電阻限流法是在變壓器的中性點加裝小電阻限流裝置，將通過變壓器中性點的直流電流限制在變壓器可以承受的范圍之內，該方式的優(yōu)點是易于實現，結構和運行維護簡單可靠，成本又較低廉，對已有系統(tǒng)的運行影響不大，該方法的不足是不能完全消除中性點直流電流，電阻過大則影響變壓器的過電壓能力和零序網絡參數，當電網結構變化時，小電阻可能需要更換。

2）電容隔直法是在變壓器中性點上串聯電容器，利用電容器“隔直通交”的特性來抑制直流電流。可以將直流電流完全消除是該方法最大的優(yōu)點，而且對系統(tǒng)繼電保護的影響很小，保證了變壓器中性點為小阻抗接地，目前開發(fā)使用的電容隔直裝置均采用可控硅與旁路開關兩道保護裝置，不僅降低了電容器的容量大小，縮減了安裝空間，可靠的旁路保護措施還可以有效避免變壓器中性點發(fā)生過電壓事故。

3）反向補償直流法是向變壓器中性點注入一個反向直流電流來抵消原來的偏磁電流。該方法需要在變電站（發(fā)電廠）外另建輔助接地極，通過控制直流發(fā)生裝置輸出相反方向和相同大小的直流電流，該方法不需要改變變壓器接線，對繼電保護無影響，但需要建造輔助接地極，電流源容量大，造價高，同時輔助接地極的入地電流也可能造成二次污染。

4）電位補償法是在在中性點和地網之間串接由可變雙向直流電流源和小電阻組成的電位補償原件，補償地中電流引起的交流電網各處的電位差異，從而抑制變壓器中性點直流電流，該方法作為一種有源裝置較前兩種方法可靠性低且造價高，需要配備較復雜的旁路保護裝置，但不需要另建新的輔助接地極及不會對周邊環(huán)境造成二次污染。

目前在抑制直流偏磁的工程措施中，加裝電容隔直裝置和小電阻限流裝置應用比較成熟，別的方法和措施理論上可行，實際應用不多。

5 應用實例

800kV復奉直流輸電工程（四川復龍—上海奉賢）于2010年5月進行了投產前試運行，陸續(xù)開展了輸送容量為600MW、800MW、1600MW的單極大地回線運行方式以及雙極嚴重不平衡運行方式（3200+320MW）的調試工作，在此期間，嘉興電廠4臺600MW機組的500kV主變壓器（72萬kV·A）運行聲音大幅提高，其中當機組負荷為滿負荷時，主變噪聲實測最大約為90dB（正常約為70～75dB），中性點直流電流實測最大值約為18.2A（正常約為1A左右），4臺機組出力被迫限制在450MW以下。

通過分析了解，復奉直流奉賢接地極位于上海金山區(qū)廊下鎮(zhèn)，距離嘉興電廠約為20km，嘉興電廠500kV主變均為三相五柱式結構，主變中性點直接接地，地處沿海區(qū)域，土壤電阻率低，致使有較大的入地電流通過主變中性點流入主變本體，造成主變偏磁飽和，聲音強度增大，主變內部振動加劇，復奉直流的單極大地回路運行導致了其主變發(fā)生了直流偏磁現象。表1為2011年5月24日14時在4臺機組負荷均降為450MW時實測主變噪聲值，采樣時間均為10s，通過頻譜分析，發(fā)現噪聲主要以300～350Hz等低頻段為主，與現場反應的主變聲音沉悶相吻合，6號主變中性點實測的直流電流約為14A，中性點直流量大小與現場的主變噪聲的大小乘線性關系。

表1 嘉興電廠500kV主變發(fā)生直流偏磁時噪聲頻譜和中性點直流

為了消除直流偏磁產生的影響，對幾種抑制方案進行了優(yōu)缺點分析，其中電容隔直裝置、小電阻限流、電位補償法均需要在變壓器中性點與地網之間串入設備，且都需要旁路保護，而中性點注入反向電流則需要在廠址外建造獨立的輔助接地極。從安全可靠性來看，前三種方法對旁路保護的要求基本在同一水平，考慮到發(fā)電廠在電力系統(tǒng)中的地位及限制機組出力的嚴重局面，同時鑒于目前國內外的研究和具體的使用情況，確定了在該廠主變中性點加裝電容隔直裝置。

2011年9月利用機組調停機會陸續(xù)對4臺主變加裝了電容隔直裝置，在之后的直流單極大地運行方式中，現場檢測4臺主變的最大噪聲分別為72dB、70dB、75dB、73dB，中性點最大電流值分別為0.5A、0.1A、0.2A、0.1A，變壓器參數運行正常，有效消除了直流偏磁對該電廠主變的影響，滿足了系統(tǒng)對機組的出力要求。

6 結論

1）通過分析可以看出，引起變壓器發(fā)生直流偏磁的因素是多方面的，由于土壤電阻率的異常復雜，地中直流電流的路徑和實際的地中電流密度目前國內外均無法準確測算，故而針對變壓器直流偏磁的仿真計算實際意義并不大，只能在實際發(fā)生了直流偏磁現象后再采取相應的抑制措施。

2）避免變壓器發(fā)生直流偏磁的最根本方法是從源頭上解決問題，即直流輸電線路在實際運行中應盡量避免采用直流單極大地回線方式。

3）建議對中性點直接接地的變壓器通過加裝直流CT來實時掌握通過的直流量大小，若變壓器發(fā)生了直流偏磁現象，可以根據變壓器的性質選擇安裝中性點電容隔直裝置或者小電阻限流裝置，對于發(fā)電廠主變壓器推薦使用帶自動旁路的電容隔直裝置，而對于變電站變壓器則最好根據系統(tǒng)情況，綜合治理，采用小電阻限流裝置。由于需要另建輔助接地極且存在二次污染，所以不建議采用反向補償直流方案。

[1] 蔣偉, 吳廣寧. 特高壓直流輸電的地中電流對變壓器的影響及其計算[J]. 高壓電器, 2008(12): 534-536.

[2] 李長益. 直流單極運行對交流變壓器的影響[J]. 華東電力, 2006(1): 36-38.

[3] 徐春俠. 論高壓直流接地極周邊新建變電站需注意的問題[J]. 實用技術與管理, 2008(5): 52-54.

[4] 劉曲, 鄭健超. 直流輸電系統(tǒng)變壓器中性點電流分布的影響因素[J]. 高電壓技術, 2008(4): 643-646.