HVDC單極大地回線運(yùn)行方式對(duì)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）

0 引言

隨著高壓及特高壓直流輸電技術(shù)在我國的發(fā)展，越來越多的直流工程投入運(yùn)行，直流輸電線路在投產(chǎn)前調(diào)試或運(yùn)行中出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)，直流系統(tǒng)將處于單極大地回線運(yùn)行方式，此時(shí)會(huì)在交流系統(tǒng)變壓器接地中性點(diǎn)處產(chǎn)生直流分量，從而引起變壓器直流偏磁，對(duì)變壓器的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅，因此必須對(duì)變壓器中性點(diǎn)直流電流進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)、對(duì)發(fā)生直流偏磁的變壓器采取相應(yīng)的抑制措施。

1 變壓器直流偏磁現(xiàn)象

1.1 直流偏磁現(xiàn)象的形式

直流輸電線路的運(yùn)行方式可分為雙極運(yùn)行方式和單極運(yùn)行方式，單極運(yùn)行方式又分為單極-大地回線方式、單極-金屬線回線方式等，考慮到直流輸電系統(tǒng)的造價(jià)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(dāng)系統(tǒng)單極運(yùn)行時(shí)均為單極大地回線方式，此時(shí)，強(qiáng)大的直流電流經(jīng)接地極注入大地，極址土壤中形成了一個(gè)恒定的電場(chǎng)，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(shì)，若兩站（廠）之間有交流線路相聯(lián)且變壓器中性點(diǎn)直接接地，則兩站（廠）之間將形成直流回路，經(jīng)中性點(diǎn)入地或從地經(jīng)中性點(diǎn)流入變壓器，根據(jù)流過的直流電流大小及變壓器的抗直流能力而產(chǎn)生或強(qiáng)或弱的直流偏磁現(xiàn)象。

1.2 變壓器直流偏磁原理

當(dāng)直流電流由中性點(diǎn)流經(jīng)變壓器繞組時(shí)，將會(huì)在變壓器鐵心內(nèi)部產(chǎn)生一定的直流磁通，使得磁通在正負(fù)半周明顯不對(duì)稱，發(fā)成偏移，從而導(dǎo)致勵(lì)磁電流發(fā)生畸變。變壓器通過直流電流產(chǎn)生直流偏磁時(shí)，其勵(lì)磁特性曲線及輸出電流波形變化情況如圖1所示。

由圖可見，圖1a）中虛線表示有直流分量時(shí)的磁通曲線，實(shí)現(xiàn)表示無直流分量時(shí)的磁通曲線，圖1b）為變壓器的典型勵(lì)磁曲線，圖1c）實(shí)線為無直流分量時(shí)的磁化曲線，虛線表示有直流分量時(shí)畸變的勵(lì)磁電流曲線。當(dāng)發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器勵(lì)磁電流在某半波處于鐵心的磁化曲線飽和區(qū)，勵(lì)磁電流和諧波將急劇增加，對(duì)變壓器的影響主要表現(xiàn)在噪聲異常增大、振動(dòng)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(yùn)行[1]。

2 直流偏磁的影響因素及仿真計(jì)算

2.1 直流偏磁的影響因素

在直流輸電單極大地運(yùn)行時(shí)，實(shí)踐證明并不是所有的變壓器都會(huì)發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象，而且流入變壓器繞組中直流電流大小也不近相同，評(píng)估對(duì)變壓器影響的關(guān)鍵是流入中性點(diǎn)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(jié)構(gòu)、土壤電阻率大小、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等都密切關(guān)聯(lián)。

2.2 仿真計(jì)算

當(dāng)直流輸電系統(tǒng)單極大地運(yùn)行時(shí)，由于輸電線路沿線非常復(fù)雜，特別是大地導(dǎo)電條件特殊，直接導(dǎo)致了地中電流及地表電位的分布難以確定，實(shí)際上很難勘察出交流電網(wǎng)廣大區(qū)域內(nèi)的土壤分層結(jié)構(gòu)和實(shí)際電阻率，理論上的數(shù)值模型很難真實(shí)反映交流電網(wǎng)大范圍地區(qū)內(nèi)土壤特性的不均衡性，仿真精度得不到保證，很難計(jì)算出有實(shí)際意義的可能流經(jīng)過變壓器中性點(diǎn)的仿真電流數(shù)據(jù)。

筆者認(rèn)為通過仿真計(jì)算來分析直流輸電線路對(duì)變壓器的影響實(shí)際意義不大，大部分是對(duì)已經(jīng)發(fā)生了直流偏磁的變壓器，結(jié)合檢測(cè)到的直流電流來推導(dǎo)出互導(dǎo)，形成理論上的一種解釋。

3 直流偏磁對(duì)變壓器影響的定性分析

對(duì)于中性點(diǎn)不接地的變壓器因其不會(huì)形成直流回路，因此直流對(duì)其沒有影響，這里只對(duì)中性點(diǎn)直接接地的變壓器抗直流偏磁的能力進(jìn)行定性分析。

3.1 直流電流對(duì)不同結(jié)構(gòu)變壓器的影響

三相變壓器的結(jié)構(gòu)主要有芯式、柱式和分體式等幾種，不同結(jié)構(gòu)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(dāng)于零序電流，三相五柱式結(jié)構(gòu)的變壓器其零序電流磁通可通過兩邊柱鐵芯形成回路，故而其磁阻較較芯式結(jié)構(gòu)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(dú)立的磁通回路，每個(gè)鐵芯對(duì)零序磁通都形成了閉合的低磁路通道，該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)型式有關(guān)，而且相同結(jié)構(gòu)的變壓器也因其采用的鐵芯材料、磁通密度取值等因素而不同，當(dāng)鐵芯硅鋼片采用導(dǎo)磁率高的優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片時(shí)，允許通過的直流電流較小；采用導(dǎo)磁率低的熱軋硅鋼片時(shí)，允許通過的直流電流則較大，但顯然變壓器的經(jīng)濟(jì)性就會(huì)比較差。

因此，為了抑制變壓器的直流偏磁現(xiàn)象，文獻(xiàn)[3]指出，對(duì)于可能會(huì)受到直流影響的變壓器先進(jìn)行仿真計(jì)算，將計(jì)算得到的直流電流寫入變壓器的招標(biāo)技術(shù)規(guī)范書中，要求廠家在制造時(shí)提高其承受直流電流的能力。如前所述，首先仿真計(jì)算的結(jié)果對(duì)于實(shí)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(huì)犧牲變壓器的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際上直流偏磁現(xiàn)象的產(chǎn)生作用時(shí)間還是相對(duì)比較短的（一般都是在直流輸電線路投運(yùn)前單極大地回路運(yùn)行時(shí)），完全可以通過有效措施來預(yù)防和抑制該問題，不必犧牲變壓器的經(jīng)濟(jì)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(yīng)用取得了一定進(jìn)展，主要抑制措施有小電阻限流法、電容隔直法、反向補(bǔ)償直流法及電位補(bǔ)償法等[4]。

（1）小電阻限流法是在變壓器的中性點(diǎn)加裝小電阻限流裝置，將通過變壓器中性點(diǎn)的直流電流限制在變壓器可以承受的范圍之內(nèi)，該方式的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)和運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單可靠，成本又較低廉，對(duì)已有系統(tǒng)的運(yùn)行影響不大，該方法的不足是不能完全消除中性點(diǎn)直流電流，電阻過大則影響變壓器的過電壓能力和零序網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化時(shí)，小電阻可能需要更換；

（2）電容隔直法是在變壓器中性點(diǎn)上串聯(lián)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(diǎn)，而且對(duì)系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響很小，保證了變壓器中性點(diǎn)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(guān)兩道保護(hù)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(hù)措施還可以有效避免變壓器中性點(diǎn)發(fā)生過電壓事故；

（3）反向補(bǔ)償直流法是向變壓器中性點(diǎn)注入一個(gè)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(duì)繼電保護(hù)無影響，但需要建造輔助接地極，電流源容量大，造價(jià)高，同時(shí)輔助接地極的入地電流也可能造成二次污染。

（4）電位補(bǔ)償法是在在中性點(diǎn)和地網(wǎng)之間串接由可變雙向直流電流源和小電阻組成的電位補(bǔ)償原件，補(bǔ)償?shù)刂须娏饕鸬慕涣麟娋W(wǎng)各處的電位差異，從而抑制變壓器中性點(diǎn)直流電流，該方法作為一種有源裝置較前二種方法可靠性低且造價(jià)高，需要配備較復(fù)雜的旁路保護(hù)裝置，但不需要另建新的輔助接地極及不會(huì)對(duì)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(yīng)用比較成熟，別的方法和措施理論上可行，實(shí)際應(yīng)用不多。

5 應(yīng)用實(shí)例

800 kV復(fù)奉直流輸電工程（四川復(fù)龍—上海奉賢）于2010年5月進(jìn)行了投產(chǎn)前試運(yùn)行，陸續(xù)開展了輸送容量為600MW、800MW、1600MW的單極大地回線運(yùn)行方式以及雙極嚴(yán)重不平衡運(yùn)行方式（3200+320MW）的調(diào)試工作，在此期間，嘉興電廠4臺(tái)600MW機(jī)組的500kV主變壓器（72萬kVA）運(yùn)行聲音大幅提高，其中當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為滿負(fù)荷時(shí)，主變?cè)肼晫?shí)測(cè)最大約為90db（正常約為70～75db），中性點(diǎn)直流電流實(shí)測(cè)最大值約為18.2A（正常約為1A左右），4臺(tái)機(jī)組出力被迫限制在450MW以下。

通過分析了解，復(fù)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(jié)構(gòu)，主變中性點(diǎn)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(diǎn)流入主變本體，造成主變偏磁飽和，聲音強(qiáng)度增大，主變內(nèi)部振動(dòng)加劇，復(fù)奉直流的單極大地回路運(yùn)行導(dǎo)致了其主變發(fā)生了直流偏磁現(xiàn)象。表1為2011年5月24日14時(shí)在4臺(tái)機(jī)組負(fù)荷均降為450MW時(shí)實(shí)測(cè)主變?cè)肼曋担蓸訒r(shí)間均為10s，通過頻譜分析，發(fā)現(xiàn)噪聲主要以300～350Hz等低頻段為主，與現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)的主變聲音沉悶相吻合，6號(hào)主變中性點(diǎn)實(shí)測(cè)的直流電流約為14A，中性點(diǎn)直流量大小與現(xiàn)場(chǎng)的主變?cè)肼暤拇笮〕司€性關(guān)系。

表1 嘉興電廠500kV主變發(fā)生直流偏磁時(shí)噪聲頻譜和中性點(diǎn)直流

為了消除直流偏磁產(chǎn)生的影響，對(duì)幾種抑制方案進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，其中電容隔直裝置、小電阻限流、電位補(bǔ)償法均需要在變壓器中性點(diǎn)與地網(wǎng)之間串入設(shè)備，且都需要旁路保護(hù)，而中性點(diǎn)注入反向電流則需要在廠址外建造獨(dú)立的輔助接地極。從安全可靠性來看，前三種方法對(duì)旁路保護(hù)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(jī)組出力的嚴(yán)重局面，同時(shí)鑒于目前國內(nèi)外的研究和具體的使用情況，確定了在該廠主變中性點(diǎn)加裝電容隔直裝置。

2011年9 月利用機(jī)組調(diào)停機(jī)會(huì)陸續(xù)對(duì)4臺(tái)主變加裝了電容隔直裝置，在之后的直流單極大地運(yùn)行方式中，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)4臺(tái)主變的最大噪聲分別為72db、70 db、75 db、73db，中性點(diǎn)最大電流值分別為0.5A、0.1A、0.2A、0.1A，變壓器參數(shù)運(yùn)行正常，有效消除了直流偏磁對(duì)該電廠主變的影響，滿足了系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的出力要求。

6 結(jié)語

（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(fù)雜，地中直流電流的路徑和實(shí)際的地中電流密度目前國內(nèi)外均無法準(zhǔn)確測(cè)算，故而針對(duì)變壓器直流偏磁的仿真計(jì)算實(shí)際意義并不大，只能在實(shí)際發(fā)生了直流偏磁現(xiàn)象后再采取相應(yīng)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(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡量避免采用直流單極大地回線方式；

（3）建議對(duì)中性點(diǎn)直接接地的變壓器通過加裝直流CT來實(shí)時(shí)掌握通過的直流量大小，若變壓器發(fā)生了直流偏磁現(xiàn)象，可以根據(jù)變壓器的性質(zhì)選擇安裝中性點(diǎn)電容隔直裝置或者小電阻限流裝置，對(duì)于發(fā)電廠主變壓器推薦使用帶自動(dòng)旁路的電容隔直裝置，而對(duì)于變電站變壓器則最好根據(jù)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不建議采用反向補(bǔ)償直流方案。

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[1]蔣偉，吳廣寧.特高壓直流輸電的地中電流對(duì)變壓器的影響及其計(jì)算[J].高壓電器，2008.12：534-536

[2]李長益.直流單極運(yùn)行對(duì)交流變壓器的影響[J].華東電力，2006.1：036～038.

[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(shí)用技術(shù)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(diǎn)電流分布的影響因素[J].高電壓技術(shù)，2008.4：643～646.