主變中性點(diǎn)隔直裝置在工程中的設(shè)計及應(yīng)用

靖 峰,韓 源,楊麗薇,張 堃

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

?

主變中性點(diǎn)隔直裝置在工程中的設(shè)計及應(yīng)用

靖 峰,韓 源,楊麗薇,張 堃

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

高壓直流輸電單極運(yùn)行方式會在影響范圍內(nèi)的主變勵磁電流中流入直流分量，從而導(dǎo)致主變出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，具體表現(xiàn)在變壓器損耗增加、噪音增大、出口電壓畸變及溫度升高等方面，嚴(yán)重影響到變壓器安全運(yùn)行。通過在主變中性點(diǎn)接入隔直裝置，可有效隔離流入變壓器中性點(diǎn)的直流電流，確保主變的安全可靠運(yùn)行。

直流輸電；單極運(yùn)行；直流偏磁；隔直裝置

0 前 言

天中±800 kV特高壓直流工程起點(diǎn)為新疆哈密南部能源基地，落點(diǎn)為河南省鄭州市，是連接西部邊疆與中原地區(qū)的“電力絲綢之路”，其投產(chǎn)后入地直流電流達(dá)5 kA，將對沿線周邊的變壓器設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的直流偏磁影響[1-4]。

HZZ匯集站項目位于新疆地區(qū)哈密市，為新疆哈密千萬千瓦風(fēng)電基地配套送出工程的一部分，是新疆風(fēng)火打捆配套電源工程。匯集站內(nèi)規(guī)劃安裝3臺容量為240 MVA的220 kV/110 kV/35 kV三繞組變壓器，站內(nèi)220 kV及110 kV側(cè)均采用雙母線接線，本項目所發(fā)電能通過天中直流±800 kV線路送出。

該項目位于距天山換流站接地級站址距離約20.6 km，按照2015年底哈密地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真計算，在最不利的系統(tǒng)接地運(yùn)行方式下，當(dāng)天中直流單極滿負(fù)荷運(yùn)行時，HZZ項目變壓器220 kV側(cè)中性點(diǎn)流入的直流電流最大為43.5 A，存在較大直流偏磁風(fēng)險[5-7]。

1 直流偏磁現(xiàn)象的產(chǎn)生及其對變壓器運(yùn)行的影響

1.1 直流偏磁現(xiàn)象的產(chǎn)生

直流輸電系統(tǒng)單極運(yùn)行(通過大地回線運(yùn)行)是指當(dāng)雙極直流輸電系統(tǒng)中的一極停運(yùn)，另一極利用大地或海水作為直流電流返回電路的運(yùn)行方式。當(dāng)直流線路采用單極大地回路方式運(yùn)行時，會在接地極站址周邊大地中產(chǎn)生強(qiáng)大的電流場，導(dǎo)致其周邊不同位置的變電站處于不同電位。直流輸電系統(tǒng)經(jīng)接地極入地的部分電流將從地電位較高的變電站中直接接地的變壓器中性點(diǎn)流入其繞組，并經(jīng)過其交流架空線路送出，通過地電位較低的變電站中直接接地的變壓器中性點(diǎn)流出，形成完整的直流回路。即直流輸電系統(tǒng)中的直流電流在上述交流阻抗回路中形成通路，并與大地回線形成并聯(lián)運(yùn)行回路，詳見圖1。

圖1 直流入地系統(tǒng)回路示意圖

由于上述直流電流I1的引入，導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，變壓器直流偏磁為一種非正常運(yùn)行狀態(tài)，對變壓器的可靠運(yùn)行帶來較大隱患。

1.2 直流偏磁對變壓器運(yùn)行的影響

變壓器安全運(yùn)行能夠承受的直流電流大小目前沒有統(tǒng)一規(guī)定，通常由變壓器制造廠提供。國網(wǎng)公司對油浸式變壓器進(jìn)行狀態(tài)評價時，為確保設(shè)備的正常運(yùn)行，通常要求變壓器中性點(diǎn)直流電流應(yīng)小于3 A[8]。

變壓器繞組中流過的直流電流超過其耐受能力時，由于直流磁通造成變壓器鐵芯嚴(yán)重飽和，將產(chǎn)生大量諧波，增加變壓器損耗，導(dǎo)致局部過熱、破壞絕緣、損壞變壓器或降低使用壽命，其危害主要有以下幾個方面[9-13]：

(1) 運(yùn)行噪聲增大；

(2) 導(dǎo)致系統(tǒng)電壓畸變，具體與變壓器的繞組接法和磁路結(jié)構(gòu)有關(guān)；

(3) 增加變壓器損耗；

(4) 變壓器溫度升高，由于直流偏磁引起的渦流損耗導(dǎo)致的鐵芯支撐板溫度升高。

2 直流偏磁問題的解決及隔直裝置工程設(shè)計

2.1 直流偏磁問題的解決措施

直流偏磁對變壓器的安全可靠運(yùn)行和使用壽命有著嚴(yán)重的影響，當(dāng)直流電流超過變壓器正常耐受的限值時，必須采取措施予以抑制。目前可行的限制變壓器直流偏磁的方法有：小電阻限流法、電容隔直法、中性點(diǎn)注入反向電流法以及電位補(bǔ)償法，其中電容隔直法原理較為簡單，安裝后不需修改保護(hù)及安全自動裝置定值。而電容隔直法又分為在交流線路中串聯(lián)電容器和在主變中性點(diǎn)裝設(shè)電容器2種方法，這2種方法均可以將主變中性點(diǎn)上的直流電流抑制到0，但是后者造價更低，且可配合簡單的電流旁路保護(hù)裝置來保護(hù)電容，因此主變中性點(diǎn)裝設(shè)電容器是抑制并消除流過主變中性點(diǎn)直流電流的最優(yōu)方法。

2.2 中性點(diǎn)隔直裝置工程設(shè)計

運(yùn)行經(jīng)驗表明，不同的限流技術(shù)在同一地區(qū)運(yùn)行過程中可能會產(chǎn)生互相干擾和影響，同一區(qū)域限制直流偏磁措施應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃。目前在哈密地區(qū)已有的改造項目均采用電容隔直法，取得了較好的效果，本項目在設(shè)計中也考慮采用電容隔直法。

中性點(diǎn)隔直裝置接線見圖2。

圖2 隔直裝置原理圖

2.2.1 裝置運(yùn)行方式分析

通過在主變中性點(diǎn)成套裝置隔離開關(guān)接地側(cè)的中性點(diǎn)上，串接電容器的方法來隔離直流電流流入變壓器，其運(yùn)行方式如下：

(1) 當(dāng)裝置檢測到變壓器中性點(diǎn)直流電流小于設(shè)定值時，旁路開關(guān)QF為常閉工作狀態(tài)，變壓器中性點(diǎn)通過旁路開關(guān)QF接地，變壓器中性點(diǎn)處于直接接地運(yùn)行工況；

(2) 當(dāng)裝置檢測變壓器中性點(diǎn)直流電流大于設(shè)定值時，旁路開關(guān)QF打開，隔直電容C串聯(lián)至接地回路中運(yùn)行，起到隔離直流電流的功能，變壓器中性點(diǎn)處于經(jīng)隔直電容接地運(yùn)行工況；

(3) 當(dāng)裝置監(jiān)測隔直電容C上的電壓降低到設(shè)定值以下時，旁路開關(guān)QF合閘，隔直電容C退出運(yùn)行，變壓器中性點(diǎn)處于直接接地運(yùn)行工況。

需要特別注意的是，在變壓器中性點(diǎn)處于經(jīng)隔直電容接地運(yùn)行工況下，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地不對稱短路時，短路電流流經(jīng)隔直電容C，使得隔直電容上的電壓迅速上升，電容器兩端出現(xiàn)極高的過電壓，此時將觸發(fā)氧化鋅(ZnO)導(dǎo)通，限制電容C兩端的電壓，對電容C起到保護(hù)作用。監(jiān)測元件可精確監(jiān)測電流過零點(diǎn)，并在短路電流過零點(diǎn)時將與ZnO并聯(lián)的旁路開關(guān)QF合閘，合閘時間僅1～5 ms，將短路電流分流到斷路器QF里，對氧化鋅(ZnO)提供保護(hù)，將系統(tǒng)切換至變壓器中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行工況。

上述成套裝置通過接入交流回路的變壓器中性點(diǎn)時，可有效阻斷流過變壓器中性點(diǎn)的直流分量，同時對交流系統(tǒng)不產(chǎn)生影響。

HZZ項目變壓器中性點(diǎn)隔直裝置主要參數(shù),見表1。

表1 HZZ項目變壓器中性點(diǎn)隔直裝置主要參數(shù)表

2.2.2 裝置主要元件參數(shù)選擇

(1) 電容器的容抗值與被限制的直流電流大小無關(guān)，為避免產(chǎn)生鐵磁諧振或其他過電壓，主變中性點(diǎn)所裝設(shè)的電容器容抗值應(yīng)盡可能小[14]。通常變壓器中性點(diǎn)允許串聯(lián)電容容抗為：Xc=(0.1～1)Ω，此時電容容量C為：

在這種情況下，交流電流和直流電流均在電容器上產(chǎn)生電壓，因此電容器的額定電壓值應(yīng)大于直流電壓值。

同時，電容器應(yīng)能承受系統(tǒng)發(fā)生單相短路時氧化鋅的殘壓值。目前單片氧化鋅最小殘壓為350 V、單片氧化鋅電流500 A、殘壓比為2.15，2片氧化鋅串聯(lián)后殘壓700 V。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗取電容器最低額定電壓值為400 V，則有：

因此電容器額定電壓UC≮400 V可滿足裝置要求。

(2) 由于短路沖擊電流為2.69倍的短路周期分量有效值(2.69為沖擊系數(shù))，因此當(dāng)要求氧化鋅(ZnO)需承受50 kA的短路電流時，短路沖擊電流為50×2.69=135 kA。每路閥片電流較小，同時為每路電流及能量均勻分配，需要2片以上串聯(lián)組合才能達(dá)到均流、均能的目的。

氧化鋅(ZnO)通流能力為1 kA，選擇氧化鋅(ZnO)的并聯(lián)路數(shù)為135 kA /1 kA =135路,考慮冗余1.1倍，設(shè)計選取150路氧化鋅(ZnO)并聯(lián)，則50 kA短路沖擊電流下，每路氧化鋅(ZnO)的通流為：135/150=0.9 kA。

根據(jù)氧化鋅10 mA直流參考電壓不小于516.6 V的要求，選擇10 mA直流參考電壓為320 V的閥片進(jìn)行每路2片串聯(lián)，則有：

U10 mA=2×320=640 V>516 V

因此氧化鋅(ZnO)長期運(yùn)行安全。

(3) 旁路開關(guān)QF在恒流源的情況下合閘，必須要使短路電流過零點(diǎn)合閘，否則開關(guān)可能會燒毀，至少會發(fā)生冷焊、拒分等現(xiàn)象。因此需要對開關(guān)精確預(yù)測電流過零點(diǎn)，并在過零點(diǎn)合閘，且合閘無反彈[15]。

2.3 隔直裝置臺數(shù)選擇

根據(jù)調(diào)度要求，變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式的安排，應(yīng)盡量保持變電站零序阻抗基本不變。當(dāng)雙母線運(yùn)行的變電站有3臺及以上變壓器時，應(yīng)按2臺變壓器中性點(diǎn)直接接地方式運(yùn)行，并把它們分別接于不同母線上，當(dāng)其中一臺中性點(diǎn)直接接地變壓器停運(yùn)時，另一臺中性點(diǎn)不接地變壓器直接接地[16]。

可以看出，在各種運(yùn)行工況下，最多2臺主變中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行，為確保2臺直接接地運(yùn)行的變壓器在各種可能的運(yùn)行工況下均能受到中性點(diǎn)隔直裝置的保護(hù)，在工程設(shè)計時考慮最多能同時保護(hù)2臺主變中性點(diǎn)即可，因此相鄰兩臺主變壓器可以通過運(yùn)行切換合用1臺主變中性點(diǎn)隔直裝置，通過合理的切換方案設(shè)計，節(jié)約1臺中性點(diǎn)隔直裝置。同時，由于電容器具有“通交流、隔直流”的特點(diǎn)，相鄰兩臺主變壓器合用1臺隔直裝置不會對隔直裝置的使用產(chǎn)生影響。合用隔直裝置接線方式詳見圖3。

圖3 HZZ項目共用中性點(diǎn)隔直裝置連接方案圖

3 結(jié) 語

本文以HZZ匯集站為例，通過工程中遇到的具體問題，分析直流偏磁對變壓器的影響以及解決方案，得出以下結(jié)論：

(1) 直流偏磁現(xiàn)象會嚴(yán)重影響到變壓器安全運(yùn)行，工程設(shè)計中應(yīng)予以充分重視，對直流線路沿線項目均需進(jìn)行直流偏磁風(fēng)險評估，并根據(jù)評估結(jié)果采取治理措施。

(2) 主變中性點(diǎn)隔直裝置設(shè)計應(yīng)充分考慮項目規(guī)模、當(dāng)?shù)仄胖卫砬闆r及仿真計算獲取的直流電流值。

(3) 結(jié)合電網(wǎng)對項目中性點(diǎn)運(yùn)行方式的要求合理設(shè)置隔直裝置數(shù)量。

[1] 于永軍,楊琪,侯志遠(yuǎn),文習(xí)山,祁曉笑,王亮.天中直流工程入地電流對新疆哈密地區(qū)交流電網(wǎng)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014,(08)：284-289.

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

[3] 李長云,李慶民,李貞,姚金霞,劉民.電能質(zhì)量約束下變壓器承受直流偏磁能力的分析[J].高電壓技術(shù)，2010，36(12)：3112-3118.

[4] 李曉萍,文習(xí)山,藍(lán)磊,張宇,樊亞東,劉宗喜,郭磊.單相變壓器直流偏磁試驗與仿真[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(09)：33-40.

[5] 國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院,中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,天中直流風(fēng)電配套送出工程投運(yùn)2015年哈密地區(qū)直流偏磁風(fēng)險評估報告[R].西安：西北勘測設(shè)計研究院有限公司，2015.

[6] 崔明德.±800kV直流輸電接地極設(shè)計及影響分析[D].北京：華北電力大學(xué)，2007.

[7] 王華偉,林少伯,王祖力,王明新,黃勇,雷霄,王慶,李新年,王亮,孫栩.溪浙特高壓直流隔直裝置存在的問題分析及改進(jìn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015,39(06)：1600-1604.

[8] 油浸式變壓器(電抗器)狀態(tài)評價導(dǎo)則：QGDW169-2008[S].2008.

[9] 朱岸明,王森,胡攀峰,劉超,丁彬.德寶直流輸電對750kV寶雞主變壓器運(yùn)行影響研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010,26(12):67-70.

[10] 曹林,曾嶸,趙杰,何金良,張波.高壓直流輸電系統(tǒng)接地極電流對電力變壓器運(yùn)行影響的研究[J].高壓電器，2006,42(05):346-354.

[11] 韓燕明,黃曾述.地電流對電力變壓器影響研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010,26(01):24-30.

[12] 水利電力部西北電力設(shè)計院.電力工程電氣設(shè)計手冊：電氣一次部分[M].北京：中國電力出版社，1989.

[13] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.導(dǎo)體和電氣選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定：DL/T 5222-2005[S].北京：中國電力出版社，2005.

[14] 朱藝穎,蔣衛(wèi)平,曾昭華,印永華.抑制變壓器中性點(diǎn)直流電流的措施研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2005,25(13): 1-7.

[15] 張澤強(qiáng),劉勇,王亮.±800kV天中線直流輸電對哈密地區(qū)變壓器影響分析及治理措施研究[J].電工技術(shù)：理論與實踐，2015(7):10-12.

[16] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.220kV～750kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程：DL/T 559-2007[S].北京：中國電力出版社，2008.

Design and Application of Neutral DC Blocking Device of Main Transformer

JING Feng, HAN Yuan, YANG Liwei, ZHANG Kun

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)

The monopole operation of the HV DC transmission may allow the DC component to flow into the excitation current of the main transformer which is covered by the monopole operation. Accordingly, it results in occurrence of the DC bias in the main transformer. This DC bias is displayed in terms of the consumption increase of the main transformer, the noise increase, the outlet voltage aberrance and the temperature increase, etc. They seriously impact the safety operation of the main transformer. By application of the DC blocking device at neutral point of the main transformer, the DC current flowing into the transformer neutral point can be effectively blocked so as to assure the safe and reliable operation of the main transformer. Key words: DC power transmission; monopole operation; DC bias; DC blocking device

1006—2610(2016)05—0069—04

2016-01-29

靖峰(1982- )，男，湖北省武漢市人，高級工程師，主要從事電氣一次設(shè)計工作.

TV734.3;TM614

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.017