直流輸電系統利用大地回線自動轉為金屬回線抑制直流偏磁策略研究

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(1.國家電網公司運行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

隨著中國西部大開發和電力能源戰略的推進，集中于四川金沙江、雅礱江流域的多條特高壓直流輸電工程已逐漸投運[1-3]。錦蘇、復奉、賓金三條特高壓直流從四川向華東輸送電能達到2 160 MW，成為“西電東送”重要的電力通道。

在直流輸電工程中，雙極運行方式是最常見的運行方式，在該運行方式下，雙極電流保持一致，從而將接地極電流控制在一個較小的范圍之內。然而，如果此時一極因某種原因退出運行，大量的注入電流則會通過接地極注入大地。在該方式下，接地極附近的主變壓器極有可能因直流電流的注入而產生直流偏磁。該問題已經得到了學者的深入關注。

文獻[4]在分析變壓器直流偏磁原理的基礎上，應用PSCAD電磁暫態仿真軟件分析了直流偏磁對變壓器勵磁電流的影響。也有學者利用試驗的方法對500 kV單相變壓器空載及模擬帶部分負載下的直流偏磁進行研究[5]。

在直流偏磁抑制策略方面，有學者對中性點串聯電阻/電容法、電流注入法的工作原理、實施方式、性能效果進行了分析[6]。結果表明，利用上述3種方法均可導致電網直流電流總量下降，但是交流電網局部的直流偏磁危害卻有可能加劇。

首先對直流偏磁的原理進行了分析，并對現有常見的抑制策略進行了綜述。其次，基于從源頭上抑制風險的思路，提出了一種利用換流站操作抑制直流偏磁的策略。利用該策略，當直流輸電系統因保護動作導致雙極閉鎖時，自動地由大地回線模式裝換為金屬回線方式，從而起到減小直流接地點的入地電流，緩解直流偏磁的目的。

1 直流偏磁產生的原因

國內外研究和實際測量發現，地磁暴或直流系統接地極流過較大電流是導致中性點接地變壓器中流過直流電流的主要原因。

太陽耀斑和地磁場相互作用產生極光電噴，使地磁場產生暫態波動，當足夠嚴重時，就稱為地磁暴。

大地是一個導電的球體，在發生地磁暴時，地磁場的暫態波動使大地的一部分處于這個隨時間變化的磁場中，引起感應地表電位(ESP)，在土壤電阻率高的地帶，地磁暴較嚴重時，其數值可達1.2～6 V/km 。從有關資料上看到因地磁暴產生的變壓器中性點直流電流最大可達300 A。

直流輸電系統換流站的接地極附近有直流電位，該電位由注入電流的大小和該處的土壤電阻率決定。當直流系統采用大地返回方式運行時，注入電流就是直流輸送電流，而土壤電阻率越高，電位也越高，影響范圍也就越廣。直流接地極的高電位也作用在交流變電站的接地點上，在中性點接地的變壓器中流過直流電流，相當于分流了部分直流輸送電流，這是交流變壓器中性點直流電流的另一個來源。直流電流在交直流系統中的流向如圖1所示。

圖1 直流電流在交直流系統中流向示意圖

單極大地回線運行方式是直流輸電系統不同運行方式中的一種。它是利用單根金屬導線和大地構成直流側的單極回路，大地相當于直流輸電線路的一根導線，流經它的電流為直流輸電工程的運行電流。從理論分析和系統運行情況可知，這種運行方式將在中性點接地變壓器上產生直流分量，從而引起變壓器發生直流偏磁。

2 直流偏磁對系統的影響

發生直流偏磁時，變壓器勵磁電流產生的大量諧波，引起變壓器的一系列問題。

(1)無功損耗增大

由于直流偏磁引起變壓器飽和，勵磁電流大大增加，使變壓器消耗無功增加，它或使系統無功補償裝置過載，或使系統電壓下降。

(2)振動、噪聲加大

畸變的勵磁電流導致變壓器鐵心的磁致伸縮力增加，加劇鐵心的振動，輻射更強的空載噪聲；嚴重的變壓器直流偏磁將使變壓器工作在半周高度飽和狀態下，飽和鐵心成為更高磁阻路徑，鐵心要求更多安培匝數產生相同數量的磁通，為了維持系統正常的正弦電壓水平，會產生大量的漏磁通，漏磁與變壓器繞組電流作用產生的電動力使繞組振動產生噪聲，并使繞組易變形老化。

國外的文獻中未見到變壓器因直流偏磁引起振動而損壞的實例，據中國的一些變壓器制造廠商稱，變壓器中性點流過直流造成的偏磁的確會引起噪聲，但中性點十幾安直流尚不至于造成變壓器損壞。江蘇省對其所屬電網的幾種變壓器的分析結果證實了上述說法。

(3)變壓器損耗增大

諧波中的高頻成分在鐵心中產生更多的渦流損耗；由于直流的入侵和諧波的集膚效應增加了銅損耗，直流電流越大、諧波頻率越高，銅耗越大；增加的漏磁進入箱體各個部件中，增大有功損耗，并使變壓器局部過熱。發熱使設備產生溫升，從而惡化設備絕緣條件，縮短設備的壽命。

(4)影響二次保護

變壓器發生直流偏磁時，勵磁電流諧波增加，隨之變壓器各側的電流和電壓諧波均有增加，間接地會影響繼電器、自動控制裝置的正常工作，影響繼電保護裝置的正常工作，造成拒動或誤動。

3 直流偏磁抑制措施簡介

目前國內外抑制流入變壓器中性點直流電流的方法有多種，主要是有以下幾種。

1)在變壓器中性點裝設電阻，可限制直流電流的大小，但無法全部消除；

2)在輸電線上裝設串聯電容補償，阻斷直流的通路，但造價較高；

3)在變壓器中性點注入與流入中性點的直流電流大小相等方向相反的電流，可在一定程度上減小直流電流；

4)在變壓器中性點裝設電容，徹底阻斷直流電流；

5)采用第3根導線替代大地回線；

6)在直流系統發生單極閉鎖后迅速雙極閉鎖，以防止大量直流電流入地。

2004年6月，中國電力科學研究院開始對抑制直流偏磁問題進行了深入的研究及裝置研發。隨后清華大學、華東電力試驗研究院等單位也相繼開展了相關研究。目前在廣東、上海、遼寧、江蘇、浙江等地區已經采取了相應的治理措施。

廣東地區已經裝設了11臺電容型隔直裝置，其中500 kV變壓器裝設了7臺，220 kV變壓器裝設了4臺，還有1臺正在實施。電容型隔直裝置能夠徹底消除直流偏磁電流。

上海地區已經裝設了5臺電阻型隔直裝置，以220 kV 變電站居多，能夠將直流電流限制在3 A以下。

4 大地回線自動轉為金屬回線治理直流偏磁措施研究

4.1 措施原理

直流輸電工程在單極大地回線或雙極不平衡運行方式下，直流電流依靠大地形成通流回路，如果在接地極周圍的土壤電阻率較大則會使周圍交流變電站接地網產生不同的直流電位差，進而在中性點接地的變壓器中形成直流電流，此直流電流有可能引起變壓器的磁路飽和，引起發熱、振動以及諧波超標、聲響異常等一系列不良后果。通過直流系統采用雙極平衡運行方式或單極金屬回線運行方式，可以消除由于直流輸電工程入地電流引起的直流偏磁現象。

在直流輸電工程的運行中，雙極運行方式是最常采用的運行方式，但如果此時一極由于某種原因退出運行，則可將健全極及時轉為金屬回線運行方式，消除直流系統產生的入地電流，從而徹底解決接地極附近變壓器的直流偏磁問題。

4.2 措施步驟

直流系統由大地回線轉為金屬回線需考慮站間通訊正常及異常兩種狀態。在極I因故障而閉鎖時，直流系統自動將極II由大地回線轉為金屬回線的步驟如下。

(1)控制系統自動核實直流系統兩端設備具備由大地回線運行轉為金屬回線運行條件，例如MRTB開關在運行狀態。

(2)控制系統核實停運極是否滿足轉為金屬回線運行的條件，如該極是否處于極隔離狀態。若不滿足條件，則下發轉金屬回線運行指令后由控制系統自動轉為極隔離，或下發轉金屬回線運行指令前人為將該極隔離。

(2)執行大地回線轉金屬回線運行指令，分、合兩站相關接地刀閘及隔離刀閘，最后合上大地回線轉換開關(GRTS)，形成大地回線和金屬回線并聯運行狀態。

(3)最后執行大地回線轉金屬回線運行指令分開金屬回線轉換開關(MRTB)，大地回線電流轉移至金屬回線，直流系統形成金屬回線運行方式。

圖2為直流系統雙極平衡運行示意圖，停運極I并利用自動裝置將極II轉為金屬回線運行后直流系統運行狀態圖見圖3。

4.3 措施風險評估

直流輸電工程采用手動方式由大地回線運行方式轉為金屬回線運行方式需要比較久的時間，包括運行人員檢查直流設備的時間及上級調度給運行人員下令的時間。若采用自動轉換方式，則上述時間均可省略，但這種條件下要求控制系統對直流系統是否具備轉換條件進行必要及充分的判斷。

比較直流系統由大地回線轉為金屬回線運行的手動和自動兩種方式，在轉換過程中存在的相同風險如下。

(1)在轉換過程中控制系統接收到刀閘位置信號與設備的實際狀態不一致，導致轉換中斷，保持大地回線運行。

(2)轉換過程中由于設備缺陷，例如MRTB開關的并聯支路、GRTS開關的并聯支路，導致轉換過程失敗，甚至正常運行極閉鎖。

而如果采用自動方式將直流系統由大地回線運行轉為金屬回線運行，還需考慮下列風險。

(1)雙極正常運行的直流系統，當一極由于保護閉鎖后其功率將自動轉至正常運行極，正常運行極可能出現過負荷運行現象，實際直流電流超過額定電流；此時進行轉換的話，運行電流超過設備的轉換能力，不增加約束條件即進行轉換，可能導致設備損壞。

圖2 直流系統雙極平衡運行

圖3 直流系統單極金屬回線運行

(2)雙極正常運行的直流系統，一極由于直流線路故障導致該極閉鎖，閉鎖后無法判斷直流線路故障是否清除，此時進行大地/金屬轉換，可能由于直流線路故障仍然存在而導致正常運行極閉鎖。

(3)換流站均裝設有緊急停運按鈕，運行人員可以在緊急情況下將直流系統快速停運。若直流系統一極由于運行人員按緊急停運按鈕閉鎖，說明站內出現比較嚴重故障，運行人員需要進行故障處理，此時再進行設備操作風險很大。

(4)金屬回線轉換開關(MRTB)在檢修狀態，采用與其并聯的刀閘作為大地回線運行的通路，由于該刀閘不具備開斷直流電流能力，不能進行大地金屬回線轉換。

(5)現有超高壓及特高壓直流工程中，一個極的換流器保護或極保護動作時要求閉鎖該極的同時進行極隔離，以下列舉了相關的一些保護。

極母線差動保護

極差動保護

中性母線差動保護

極過流保護

換流器連線差動保護

直流諧波保護

閥短路保護

換相失敗保護

直流濾波器差動保護

極控制保護設備監視跳閘 如VBE跳閘

輔助設備保護跳閘 水冷系統

非電量保護，如換流變壓器非電量保護等

在進行極隔離時均有可能會發生NBS重合的問題，且導致NBS重合的保護具有動作不確定性，而NBS重合產生的后果是去合站內接地開關NBGS，在規定的時間內NBGS不拉開就轉入金屬回線運行也會引起正常運行極閉鎖的風險。

(6)直流系統兩站站間通訊異常時，需要兩站配合才能完成大地/金屬回線轉換，因此在站間通訊異常時，此時進行大地/金屬轉換存在導致正常運行極閉鎖功能。

綜合上述自動方式下直流系統由大地回線轉為金屬回線的風險評估，與手動方式大地/金屬回線轉換功能相比，采用自動方式需要在控制系統設計時進行更加周密的考慮。

5 結束語

對直流偏磁產生原因、直流偏磁影響及其抑制措施進行了綜述，并提出了一種基于換流站自動操作的直流偏磁抑制策略。根據該策略，當直流輸電系統因保護動作導致單極閉鎖時，自動地由大地回線模式裝換為金屬回線方式，避免大量直流電流入地。得到了以下結論。

(1)當直流系統采用大地返回方式運行時，注入電流就是直流輸送電流，而土壤電阻率越高，直流接地極則會出現高電位。直流接地極的高電位也作用在交流變電站的接地點上，在中性點接地的變壓器中流過直流電流，相當于分流了部分直流輸送電流，這是交流變壓器中性點直流電流的一個主要來源。

(2)發生直流偏磁時，變壓器勵磁電流產生的大量諧波，引起變壓器的一系列問題。如無功損耗增大；振動、噪聲加大變壓器損耗增大；影響二次保護等。

(3)目前國內外抑制流入變壓器中性點直流電流的方法有多種，主要包括在變壓器中性點裝設電阻，限制直流電流的大小；在輸電線上裝設串聯電容補償，阻斷直流的通路；在變壓器中性點注入與流入中性點的直流電流大小相等方向相反的電流；在變壓器中性點裝設電容，徹底阻斷直流電流；采用第3根導線替代大地回線等。

(4)所提出的基于換流站操作的直流偏磁抑制策略，可當直流輸電系統因保護動作導致單極閉鎖時，自動地由大地回線模式轉換為金屬回線方式。由此可以極大地減小接地極流過大電流的實現，有效抑制直流偏磁。分析表明，與大地/金屬回線手動轉換方式相比，自動轉換方式存在更多的潛在風險，需要在功能設計時考慮周全。在充分考慮大地/金屬回線自動轉換方式的潛在風險并采取相應的對策后，大地/金屬回線自動轉換功能的實現在技術上是可行的。

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