特高壓直流輸電對交流電網變壓器的影響

摘 要：本文以糯扎渡-鶴山±800 kV特高壓直流輸電系統為研究對象，分析了特高壓直流輸電系統采用單極大地方式運行時直流偏磁產生的原因及對交流變壓器本身和電網的影響，對流過變壓器繞組直流電流大小的相關問題進行了討論，并結合目前江門電網的情況提出幾點抑制流入變壓器中性點地中直流的措施。

關鍵詞：特高壓直流 直流偏磁 交流變壓器 抑制措施

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0134-03

近年來我國尤其是沿海經濟發達地區用電需求增長很大，但是我國能源豐富地區大都在西部，這種能源和負荷分布不平衡的局面促使我國實行“西電東送”工程，因此，大力開發西南水電，采用特高壓直流將電能輸送到沿海經濟發達地區勢在必行[1，2]。隨著世界上首個±800 kV特高壓直流輸電工程（云南楚雄至廣東穗東）的正式投產，第二條云廣線（糯扎渡至鶴山）于2012年4月15日也順利開工，該工程是南方電網公司“西電東送”重點項目，起于云南糯扎渡換流站，止于廣東江門換流站。糯扎渡至鶴山直流輸電工程額定容量5000 MW，采用雙12脈動閥組串聯接線方式，送電距離約1451 km。受端江門換流站位于廣東省江門鶴山龍口鎮，與500 kV鶴山變電站合建，本期500 kV交流出線4回，分別以2回500 kV線路接入江門變和順德變，預留交流主變及500 kV和220 kV出線。

但目前龍政、江城、葛南、穗東等高壓直流輸電系統的運行情況表明，高壓直流輸電系統的運行方式對交流電網和中性點直接接地變壓器都有一定的影響，特高壓直流輸電工程尤為嚴重。多個特高壓直流輸電系統投運后，這些影響將進一步加大，因此結合江門電網的實際情況研究分析高壓直流輸電系統對中性點直接接地變壓器的影響并采取相關抑制措施具有重要意義。

1 地中電流對交流系統變壓器的影響

地中電流對交流系統變壓器的影響主要體現在對交流電網中220 kV及其以上變電站的影響[3]。自2004年鵝城換流站投產后，三廣直流雙級功率不平衡或采取單極-大地回線方式運行時，會對接地極周邊中性點接地的交流變壓器產生不良的影響，特別對500 kV的變壓器，主要表現在噪聲增大，流過中性點的直流增大等。江門市有220 kV變電站共25座、500 kV變電站3座分別是五邑站，江門站和圭峰站。

1.1 直流偏磁產生的原因

特高壓直流輸電不同于常規的高壓直流輸電，其運行方式相當復雜，一個雙極特高壓直流輸電系統的可能運行方式可達20多種[4]。當單極或雙極不對稱以大地為回路運行時，巨大的直流電流以大地構成回路如圖1所示（例如在糯扎渡至鶴山直流輸電工程中直流接地極的設計額定電流是3.125 kA），這個強大的直流電流會在接地極址土壤中形成恒定電流場E，必然對接地極本身及其對附近的交流系統產生影響。離接地極址越近，直流電場越大，反之越小。位于該電場中的兩個變電站1和2，如果變壓器中性點接地，則直流電場使得兩個變電站的接地點G1和G2間形成直流電壓。在該電壓的作用下，兩個變壓器的中性線、交流三相線路l以及G1和G2間的大地（或海水）環路中形成直流電流Id`。該直流電流的大小取決于變電站和直流極址間的距離，變電站接地電阻，變壓器及交流線路的直流電阻以及土壤電阻率等因素。

變壓器每相繞組中不含直流分量時工作在磁環曲線的線性段，如圖2中（a）的OA段，磁鏈ψ與勵磁電流If成正比，勵磁電流為正弦波，如圖2中（b）所示。當直流電流較大時將引起變壓器鐵心單向磁飽和，使該方向的勵磁電流進入磁化曲線的飽和區，此時勵磁電流的正半周出現尖頂，而負半周繼續保持為正弦波，勵磁電流波形發生畸變，產生直流偏磁。

1.2 直流偏磁對變壓器的危害

直流偏磁對變壓器的影響表現在一下幾個方面。

（1）變壓器損耗增加，溫升增大，引發局部過熱。變壓器繞組、鐵心、郵箱和夾件等結構件的渦流損耗增加，引起變壓器頂層油溫升和繞組溫升增加。當直流持續時間較長時，必然導致局部過熱。研究表明：一臺370 MVA、735 kV的單項自耦變壓器中注入75 A的直流電流，持續1 h后，拉板上頂部與頂油溫差可達到52 K。

（2）噪聲增大。直流偏磁使變壓器鐵心磁通飽和，諧波分量增加，導致磁滯伸縮加劇，噪聲增大[5]。對于單相變壓器，當直流電流達到額定勵磁電流時，噪音增大10 dB，若達到4倍的額定勵磁電流，噪音增大20 dB；變壓器直流偏磁會產生諧波，使變壓器噪音頻率發生變化，可能會因某一頻率與變壓器結構部件發生共振使噪音增大[6]。有記錄證明直流偏磁可造成變壓器噪聲高達91.4 dB。

（3）振動加劇。直流偏磁使變壓器勵磁電流畸變，引起漏磁通增加，導致繞組電動力增加，在一定程度上使變壓器振動加劇[5，7]。如江蘇武南變電站，當變壓器中性點直流電流為12.8 A時，郵箱壁振動高達194 mm。

1.3 直流偏磁對電網的危害

1.3.1 諧波源

變壓器正常工作時，其勵磁電流是對稱的尖頂波，勵磁電流中只含奇次諧波，感應電壓是正弦波。直流偏磁作用時，單方向極度飽和的變壓器勵磁電流中出現了偶次諧波，感應電壓含有諧波分量，變壓器成了交流系統中的諧波源。

諧波的產生將對系統造成影響如下[8]。

（1）系統電壓波形畸變。

（2）導致繼電保護誤動。

（3）導致濾波器過載。

（4）合空載長線時，產生持續過電壓。

（5）單相重合閘過程中潛供電流增加。

（6）斷路器恢復電壓增高。

1.3.2 電網電壓下降

直流偏磁引起變壓器磁路飽和，勵磁電流增加，變壓器消耗無功增加，使系統無功補償裝置過載導致系統電壓下降。

2 流過變壓器繞組直流電流大小的相關問題

假設變電站1和2分別位于接地極地電流場，如圖3所示以流經兩臺接地變壓器繞組直流電流的大小決定于：（l）兩臺接地變壓器所處位置的電位j1、j2；（2）兩個變電站的接地電阻Rg1、Rg2；（3）兩臺接地變壓器的每相繞組直流電阻Rt1、Rt2；（4）連接兩臺變壓器每相線路的直流電阻R1。

由歐姆定律可知流過變壓器每相繞組的直流電流可表示為：

（1）

在實際工程中，由于大地土壤電阻率分布并非各向均勻，使得計算各變電所電位變得很復雜；再加上電力系統接線是一個網絡，不是單一支路，因而計算電流應使用網絡的概念，需要收集大量的系統資料，如系統接線圖、變電所變壓器型式及相關參數、接地電阻、線路參數等。

假設電力系統由m個母線節點，n座廠站，k條點對點直流輸電線路，l臺接地變壓器組成，假定無窮遠處直流電位為零，則系統在k條直流線路同時單極大地運行時應滿足以下矩陣方程式[9]：

= （2）

式（2）中，Gaa為交流電網的（m+n）×（m+n）階直流電導矩陣；Gad為交流電網與直流網互電導組成的（m+n）×2k階電導矩陣；Gdd為直流接地極特性組成的2k×2k階電導矩陣；Ua為交流電網母線及交流接地極（m+n）維直流電壓向量；Ud為直流接地極母線2k維直流電壓向量；Id為直流單極大地回路運行時注入接地極的2k維大地電流向量。

給定G，I后，由式（2）通過矩陣運算可求得交流母線的直流電壓

（3）

則變壓器中性點的直流分量Il為：

（4）

式中，Gl為變壓器繞組的電導；UW1為變壓器母線直流電壓；UN1為變壓器中性點與接地極連接處的直流電壓。

流過個變壓器繞組的直流電流大小，不僅與接地極的距離相關，同時與極致土壤導電性能、電力系統網絡接線及其參數（如變電站接地電阻、導線型號及長度、變壓器容量及臺數等）有關。在一個變電站里單臺運行的變壓器比多臺投運的變壓器更容易受到影響；靠近接地極變電站和與接地極成徑向布置的變電站較其他方向布置的變電站容易流過更多的地電流。由于糯扎渡至鶴山800 kV特高壓直流輸電工程正在建設當中，我們對接地極極致的具體地理位置并不是非常明確。所以計算流過電力系統各變壓器繞組的直流電流工作有待下一步進行。

3 抑制變壓器中性點直流的措施

對于變壓器的直流偏磁問題，國內外研究人員得出的直流限值不盡相同，但一般認為當每相的直流限值小于0.7%的每相交流額定有效值時，則直流偏磁的影響可以接受[10]。對此問題的研究應先計算出變壓器允許通過的直流電流并和變壓器實際通過的最大的直流電流進行比較，如限值小于實際通過的直流電流，應采取限流措施以減小直流偏磁的影響。具體解決方法如下。

（1）為避免直流電流對變壓器的影響，建設接地極時與變電站保持合適距離，采用具有良好導電特性且耐受電腐蝕強的接地極材料并深層設計，這是根本解決方法。

（2）對于尚未訂貨的變壓器，可以將計算及實測得到的流過變壓器繞組的直流電流值及持續時間寫進設備招標技術規范書，要求廠家滿足技術要求；或者要求制造廠考慮直流偏磁所引起的問題，通過改進制造工藝來提高變壓器抗直流偏磁的問題。

（3）對110 kV變壓器，可以調整變電所接地位置，讓受影響變電站不接地。

（4）對投運的變壓器，可在受影響的變壓器的中性點加裝電阻或電容器隔直裝置，減少或隔斷直流。

（5）在實際工作中加強對主變中性點電流的監測，如果中性點直流分量已經達到危及變壓器安全的程度，應該根據具體情況選擇合適的抑制措施，確保發電廠主變壓器的安全運行。

4 結語

隨著“西電東送”工程規模的不斷擴大，越來越多的高壓直流輸電工程將落戶廣東并投入運行，其中特高壓直流輸電在我國“西電東送”工程中扮演重要的角色，因此變壓器受直流電影響的范圍將越來越廣泛，程度也越來越嚴重。為減少直流電流對交流變壓器的影響，對于正在規劃的江門換流站，我們首先要從直流接地極的選址、設計和選材方面入手；對于已投入運行的接地極，若要在該地區附近籌建交流變電站，應該從變電站的選址、變壓器的設計方面入手。一方面變電站的選址要與三—廣直流的接地極保持相當的距離；另一方面要求變壓器制造廠家完善變壓器的參數，使變壓器滿足直流偏磁方面的技術要求，將接地極對變壓器的影響減至最少。

參考文獻

[1]蘇宏田，齊旭，吳云.我國特高壓直流輸電市場需求研究[J].電網技術，2005，29（24）：1-4.

[2]趙畹君.高壓直流輸電工程程技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

[3]續建國.直流輸電與交流電網變壓器偏磁問題研究[D].西南交通大學，2011.

[4]韓民曉，文俊，許永海.高壓直流輸電原理與運行[M].北京：機械工業出版社，2009.

[5]馬志強.變壓器直流偏磁的原理性仿真[J].廣東電力，2004，17（2）：5-9.

[6]Chen Wenge，Kang Zhanying，Ding Bingjun.Preparation and Arc Breakdown Behavior of Nanocrystalline W-Cu Electrical Contact Materials[J].Journal of Material Science Technology，2005，21（6）：875-878.

[7]蒯狄正，萬達，鄒云.直流偏磁對變壓器的影響[J].中國電力，2004，37（8）：41-43.

[8]邵家海，吳翎.超高壓直流輸電對運行變壓器的影響及變壓器直流抑制措施[J].東北電力技術.2005（10）：19-22.

[9]馬志強，黎小林，鐘定珠.直流輸電大地電流對交流系統影響的網絡分析算法[J].廣東電力，2005，18（12）：4-8.

[10]朱藝穎，蔣衛平，曾昭華，等.抑制變壓器中性點直流電流的措施研究[J].中國電機工程學報，2005，25（13）：1-7.