電容型隔直裝置對電網設備及線路保護的影響分析

楊 鑫，馮正偉，汪銘峰，金春山

(1.國網浙江省電力公司檢修分公司，浙江 金華 321000;2.國網杭州供電公司，浙江 杭州 310009)

電容型隔直裝置對電網設備及線路保護的影響分析

楊 鑫1，馮正偉1，汪銘峰2，金春山1

(1.國網浙江省電力公司檢修分公司，浙江 金華 321000;2.國網杭州供電公司，浙江 杭州 310009)

特高壓直流輸電單極運行時會造成換流站附近的變壓器產生直流偏磁，對變壓器的正常運行造成很大影響。結合四川溪洛渡—浙江金華±800 kV特高壓直流輸電工程，分析了溪浙特高壓直流輸電系統單極運行時產生的直流偏磁對浙江電網的影響，并對變壓器中性點加裝電容型直流偏磁抑制裝置后對浙江電網、設備以及線路保護的影響進行了研究。

特高壓直流;直流偏磁;線路保護;隔直裝置

在特高壓直流輸電線路投入運行后的交直流混聯輸電過程中，當直流輸電單極大地運行時，大地極電流一部分通過變壓器中性點流入交流系統，對交流輸電系統產生不同程度的影響。尤其是變壓器中性點疊加直流分量后產生直流偏磁，造成磁通飽和，勵磁電流嚴重畸變，給變壓器帶來鐵芯過熱、振動加劇、噪聲增大等問題，影響了變壓器及交流系統的安全穩定運行［1-2］。因此，在交直流混合運行的電網中，交流變壓器中性點大多都加裝了直流偏磁抑制裝置。

本文以溪浙特高壓直流工程受端浙江金華換流站金絲接地極附近500 kV變電站加裝的變壓器中性點電容型直流隔直裝置為例，通過建立電網等值仿真模型，結合仿真和測試數據分析了電容型隔直裝置對交流系統電網、設備以及線路保護帶來的影響，并對電容型隔直裝置對變壓器直流偏磁的抑制效果進行了驗證。

1 直流偏磁的抑制措施

目前，國內外抑制變壓器直流偏磁大致有3種解決方案。

a. 反向直流注入法。在變電站外串入或并入直流電壓源，根據實時測量的地中流入的直流電流值，動態調整電壓源設置，提供反向的直流電流［3］。

b. 電容隔直法。利用電容器具有通交流阻直流的特點，將電容器串接到變壓器中性點與接地極之間，可以有效抑制直流流入變壓器，從而減小直流偏磁發生的概率［4-5］。

c. 電阻隔直法。在變壓器中性線串聯一個小電阻削弱直流，通過選取合理的電阻值，將直流偏磁的產生的影響限制在變壓器可承受的合理范圍內［6］。

2 電容型隔直裝置

通過對3種直流偏磁抑制方案的比選分析，結合實測數據和仿真計算的結果，浙江電網500 kV變壓器中性點直流偏磁抑制裝置選型全部采用電容型隔直裝置。

2.1 電容型隔直裝置原理及結構

電容型隔直裝置采用在變壓器中性點接入電容器的方法抑制變壓器中性點直流電流。利用與電容器并聯的狀態轉換開關實現隔直裝置直接接地運行狀態和電容接地運行狀態的轉換。

圖1為電容型隔直裝置原理結構，當變壓器中性點檢測到越限的直流電流時，將狀態轉換開關斷開;當變壓器中性點直流電流消失時，延時將狀態轉換開關閉合。在電容接地運行狀態下，當交流系統發生三相不平衡故障時，將有可能在電容器兩端產生高電壓。裝置通過大功率晶閘管實現過電壓快速旁路保護，并驅動狀態轉換開關閉合實現中性點金屬性接地［7］。

圖1 電容型隔直裝置原理結構

2.2 電容型隔直裝置的運行方式

電容型隔直裝置的運行方式有2種，即直接接地運行和電容接地運行。

a. 直接接地運行方式。裝置處于直接接地運行狀態時，裝置的測控單元監測到的中性點直流電流大于裝置設定的狀態轉換電流門限時，在自動運行模式下，裝置自動進入電容接地運行狀態。

b. 電容接地運行方式。在電容接地運行狀態下，裝置內部設置了2個電壓門限，即安全返回直接接地運行的低電壓門限、過電壓保護返回直接接地運行的高電壓門限;當電容器兩端電壓小于“電壓低門檻值”，且延時超過“電壓低門檻延時”時，大容量旁路開關動作，隔直裝置轉為直接接地狀態。

3 電容型隔直裝置的影響

3.1 試驗方案

根據浙溪工程直流偏磁的實測結果，同時考慮到工程設計，選擇如圖2所示的金華換流站及其周邊150 km內的500 kV雙龍變、500 kV丹溪變、220 kV溫泉變、220 kV瀅鄉變及5個站間的線路作為研究對象，同時選擇在萬象站、寧德站、鳳儀站、回浦站、吳寧站、夏金站、蘭溪站等7座500 kV變電站做邊界等值，建立浙江電網及保護的等值仿真模型，仿真加裝隔直裝置后對電網設備以及保護裝置動作行為的影響，并結合溪浙工程直流偏磁抑制工作的試驗結果、測試數據進行了分析和研究。

圖2 金華換流站周邊500 kV電網網絡拓撲圖

3.2 電容型隔直裝置對電網的影響

a. 隔直電容投入運行期間，若系統發生不對稱短路故障，隔直裝置會根據檢查到的短路電流，采取以下措施將電容退出運行，從而不會改變短接故障期間的電網序網結構，電網零序阻抗參數不受影響。

b. 當短路電流上升到800 A時，快速觸發旁路晶閘管，通過閉合旁路開關將電容旁路，主變中性點恢復到原有接地方式。

c. 如旁路開關拒動，短路電流上升到2 500 A時，保護間隙擊穿，將電容旁路，主變中性點恢復到原有接地方式。

d. 如保護間隙故障無法擊穿，短路電流上升到3 500 A時，旁路晶閘管擊穿，將電容旁路，主變中性點恢復到原有接地方式。

e. 正常情況下，隔直裝置自身的旁路開關一直處于閉合狀態，即隔直裝置的電容被短接，變壓器維持原有接地方式運行。隔直裝置投入運行期間，若系統發生不對稱短路故障，主變中性點流過的電流尚未上升到正常運行時的短路電流時，電容已退出運行，所以，不會因為中性點串接電容而引起主變中性點短路水平上升。

f. 隔直裝置容抗數值 (約1 Ω)遠遠小于變壓器短路阻抗。當出現直流單級大地運行方式時，隔直裝置的電容與中性點小電抗串聯運行，不會發生諧振。當系統發生不對稱故障時，主變中性點流過的短路電流尚未達到額定值時，隔直裝置的電容已退出運行，也不會與中性點小電抗產生諧振。

3.3 電容型隔直裝置對設備的影響

a. 單一隔直設備退出運行后，實測各站點變壓器中性點直流，最大時直流可達到70 A左右。而丹溪、雙龍隔直裝置同時退出后，丹溪變最大直流電流為64.73 A，雙龍變最大直流電流為37.85 A。具體數據如表1所示。

表1 單一隔直裝置退出后中性點直流情況

b. 由于其它站點的限制措施不變，個別站點的隔直裝置退出并不會對整個電網造成太大影響。根據變壓器廠家提供的分析報告，在隔直裝置運行期間，發生極端情況，即:變壓器發生近區短路，此時隔直裝置退出運行，200 ms內的直流偏磁電流對變壓器運行影響不大。因此由于短路故障導致某個站點隔直裝置的短時退出不會影響變壓器的正常運行。

3.4 加裝隔直裝置后直流偏磁對線路保護的影響

通過分析電路網絡結構，以及直流接入點與各站點的地理位置，選擇距接入點最近的500 kV丹溪變的1臺變壓器，以及與其相連線路中較短的雙溪5461線路進行分析。研究在丹溪3臺變壓器加裝電容型隔直裝置后，直流偏磁后對線路保護的影響。

3.4.1 無直流偏磁情況下故障網絡中直流含量情況

丹溪變的變壓器未加直流偏磁情況下，通過在0.4 s設置雙溪5461線雙龍母線側發生兩相接地故障后，流過故障點故障相的工頻電流量和直流電流量如圖3所示。

圖3 無直流偏磁時故障線路工頻分量和直流分量

3.4.2 對線路分相差動保護的影響

在丹溪變、雙龍變的變壓器中性線均加裝了直流隔離裝置后，仿真分析雙溪5461線路中流過170 A的直流量時，在雙龍側發生區外A相接地短路故障后，雙溪5461線的差動保護動作情況。此時故障后，如圖4所示線路中直流分量含量約為工頻分量的3%，故障前后線路中所含直流含量均很小。此時A相保護制動電流均很大，但動作電流很小，保護可靠閉鎖。保護動作電流如圖5所示，圖中電流均為二次值，線路電流互感器變比為4000/1。

圖4 直流偏磁時故障線路工頻分量和直流分量

圖5 區外故障時A相差動保護的動作電流和制動電流

若此時故障發生在雙龍側發生區內A相接地短路故障后，如圖6所示，A相保護動作電流很大，遠大于保護制動電流，保護可靠動作。

圖6 區內故障時A相差動保護的動作電流和制動電流

3.4.3 對線路距離保護的影響

a. 直流偏磁下線路區內金屬性故障。在仿真系統雙溪5461線每相加入117 A直流，設置故障點為雙溪線距丹溪變20 km(40%)處，仿真后得出雙溪5461線丹溪變側的接地、相間距離保護的測量阻抗及距離保護動作情況如表2所示。

表2 直流偏磁情況下線路區內金屬性接地故障阻抗值 Ω

b. 直流偏磁下線路區外金屬性故障。在仿真系統雙溪5461線每相加入117 A直流，設置故障點為雙溪5461線的末端雙龍變母線發生故障時，仿真后得出雙溪5461線丹溪側的接地、相間距離保護的測量阻抗及距離保護動作情況如表3所示。

c. 直流偏磁下線路非金屬性接地故障。在仿真系統雙溪5461線每相加入117 A直流，設置故障點為雙溪5461線的區內外發生非金屬性單相接地故障，即存在過渡電阻。由于過渡電阻的存在會對距離保護產生影響，且過渡電阻值的大小對距離保護產生的影響大小也不同。通過分別仿真過渡電阻10 Ω和100 Ω時，加入直流電流后，距離保護的動作情況。得出當過渡電阻為10 Ω且有直流存在時，區內故障時距離保護可靠動作;當過渡電阻為100 Ω且有直流存在時，區內故障時距離保護拒動。過渡電阻為100 Ω時，接地、相間距離保護的測量阻抗及距離保護動作情況如表4所示。

表3 直流偏磁情況下線路區外金屬性接地故障阻抗值 Ω

表4 直流偏磁情況下線路區內非金屬性接地故障阻抗值 Ω

通過以上的仿真分析可知:變壓器中性點安裝電容型隔直裝置后，當線路保護區內外發生接地故障，在變壓器的中性點上會產生過電壓，此時隔直裝置動作短接隔離電容。

a. 線路差動保護的差動電流、制動電流與系統無直流偏磁電流時的數值未發現明顯變化，差動保護無不正確動作行為。

b. 在金屬性故障時，距離保護的測量阻抗與系統無直流偏磁電流時的數值相比未發現明顯變化，無不正確動作行為。只有經較大過渡電阻接地時，無論有無直流存在，區內故障時距離保護會拒動。

4 結論

便于長距離輸電的特高壓直流輸電技術，近年來被廣泛應用并得到了迅速的發展［8-9］。但直流輸電產生的直流偏磁對交流電網變壓器帶來的影響卻不容忽視，因此在大多數的直流輸電工程中，其相應的交流電網變壓器中性點都加裝了直流偏磁抑制裝置。

通對溪浙特高壓直流輸電工程中浙江電網內的交流變壓器加裝的電容型隔直裝置進行分析，得出了加裝電容型隔直裝置后對電網的影響，同時通過測試和研究特高壓直流帶線路保護的影響以及加裝隔直裝置后直流對線路保護的影響，為今后浙江電網特高壓直流輸電對線路保護的影響提供了數據依據，并為以后進一步的分析研究奠定了基礎。

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Influence Analysis of Power Equipment and Line Protection for Capacitive Type Blocking DC Device

YANG Xin1，FENG Zheng-wei1，WANG Ming-feng2，JIN Chun-shan1
(1.The Maintenance Branch of State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd.，Jinhua，Zhejiang 321000，China;2.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou，Zhejiang 310009，China)

The DC magnetic bias produced by UHVDC can cause a great impact on normal operation of AC transformer.This paper takes Sichuan Xiluodu-Zhejiang Jinhua ±800kV UHVDC transmission system as the research object，the influence of DC magnetic bias to Zhejiang Power Grid is analyzed，and the influence of capacitive type blocking DC device to Zhejiang Power Grid，electrical equipment and line protection are discussed.

UHVDC;DC magnetic bias;Line protection;Blocking DC device

TM773

A

1004-7913(2015)08-0027-05

楊 鑫 (1982—)，男，學士，工程師，主要研究方向為電網安全運行維護。

2015-05-27)