換流變編組方式對電網偏磁電流的影響分析

印力群+楊靜

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.127

摘 要：高壓直流輸電由于其輸送距離遠、輸送容量大以及建設成本低等優點，在電力系統中得到了廣泛應用。近年來，隨著±800 kV直流輸電工程的建設，接地極入地電流引起的換流變和交流變壓器中性點的偏磁電流都較大，對整個電網的安全穩定運行造成一定的威脅?！?00 kV換流站換流變臺數更多，24臺換流變的編組方式會對偏磁電流的大小形成影響。該文通過分析高壓直流輸電換流站變壓器編組方式對電網偏磁電流的影響程度，獲得降低變壓器繞組直流偏磁電流的方法或措施，降低高壓直流輸電換流站變壓器和交流電網變壓器直流偏磁風險。

關鍵詞：高壓直流輸電 偏磁電流 編組方式 換流變

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0127-03

我國地域廣闊且資源分布不均，形成了遠距離電力輸送的格局，即能源儲備和能源需求的逆向分布。由于交流輸電長距離、大容量輸送電力存在著弊端，高壓直流輸電在我國逐步形成并具有明顯優勢[1-2]。自1989年首條±500 kV葛-上高壓直流輸電投運以來，高壓治理輸電在我國得到了快速發展，特別是近幾年，我國已全面開啟了特高壓直流輸電工程建設項目，已完成5個±800 kV特高壓直流輸電工程的建設。由于±800 kV直流輸電方式下接地極的最大入地電流可達5 000 A，造成直流接地極附近的地電位分布不均，進而會在交流電網接地變壓器間形成直流電流路徑，造成變壓器直流偏磁[3]。針對現已建成的溪-浙±800 kV直流輸電系統，通過在低端對換流站以及交流電網中的變壓器進行直流偏磁實測時發現，不論是單極大地運行還是雙極不平衡運行，換流站和交流電網中變壓器直流偏磁電流都較大，當直流接地極的入地電流為500 A時，變壓器中性點的偏磁電流高達25.1 A[4]。

與以往的±500 kV直流輸電相比較，±800 kV直流輸電系統不僅電壓等級高，且輸送容量也較大，為此需要24臺換流變形成雙十二脈動串聯接線方式完成電能傳輸，較以往的±500 kV直流輸電的變壓器數目多了1倍。24臺換流變可以形成多種編組方式，每一種的編組方式下直流偏磁的路徑不同，為此，不同編組方式下變壓器直流偏磁電流就會不同，但不同編組方式下的偏磁電流差異有多大以及哪種編組方式下的直流偏磁最為嚴重均需要我們去研究，為變壓器直流偏磁電流治理提供參考依據。文章重點分析多種編組方式下偏磁電流的影響機理，并給出相應的偏磁電流減小方法建議。

1 ±800 kV換流站接線方式

±800 kV是我國近幾年才開始建設的高壓直流輸電，是世界上電壓等級最高的輸電工程。與以往的高壓直流輸電相比，其最大特點就是電壓等級高、輸送容量大。以往的直流輸電工程采用單12脈沖接線，需6臺單相變壓器，即雙極運行下共需12臺換流變壓器。而±800 kV直流輸電由于其傳輸容量大，因此就要求變壓器容量大、直流耐壓水平高。然而，一味要求增大換流變容量并不現實，因為太大容量的換流變會受到制造廠家制造容量、運輸條件等客觀因素的限制，同時目前的技術水平也不能保證太大的耐壓能力，所以，±800 kV的換流站雙12脈動采用了串聯接線的方式進行，采用24臺換流變壓器方可滿足耐壓和容量要求。具體接線示意圖如圖1所示。

圖1中只給出換流站交流母線、換流變壓器以及12脈動換流閥，沒有列出與該文研究無關的配套設施。

2 換流站編組方式

±800 kV高壓直流輸電換流站通常的接線方式為雙極雙12脈動，兩種接線方式分別為YY和YD并能夠為換流閥提供相應的電壓保證換流閥正常運行。通過雙極雙12脈動下24臺換流變可組合成多種運行方式。而不同運行方式下對變壓器直流偏磁的影響程度會不同。

表1給出了±800 kV換流站的8種運行方式。

由表1可看出，8種運行方式下輸送容量不同且入地電流相差較大，特別是完整單極大地和1/2單極大地下，入地電流為高壓直流輸電線路的額定電流，如此大的入地電流必然會造成接地極附近大地電位部分不均，會產生電位差進而流經變壓器繞組，造成變壓器直流偏磁現象。而雙極不對稱運行方式下，其入地電流大小與所接入的換流變壓器臺數相關，24臺換流變下入地不平衡電流最大，接近線路的額定電流。

3 不同編組運行下的偏磁電流計算

由表1可知，8種運行方式中有3種方式的入地電流較大，為此，接下來主要分析這3種運行方式下的偏磁電流，結合這3種運行方式下的變壓器臺數，建立變壓器的偏磁電流的電路等效模型，具體如圖2所示。其中：U0、U1、U2…Un為不同接地點的地電位；Rg0、Rg1、Rg2…Rgn為不同接地點的接地電阻；Rx、Rt1、Rt2…Rtn為變壓器繞組的三相并聯直流電阻；Rl1、Rl2…Rln為換流站各饋線線路直流電阻。

從圖2可以看出，不同編組方式下的偏磁電流所流通的路徑也不同，但總體相差不大，主要區別就是在換流變的并聯電阻上。為了進一步對比不同編組的偏磁電流，電路模型中將換流站母線與大地相連作為，通過戴維南定理將所連的饋線等效為一個電阻和電壓源，進而獲得等效模型，其等效電路如圖3所示。

由于換流變壓器采用的是單相雙繞組接線方式，記單臺變壓器繞組直流電阻為。取和為接地極處的電位值，即可計算完整單極大地、1/2單極大地以及雙極不對稱編組方式下的偏磁電流，計算公式具體見表2。由于雙極不平衡入地電流受變壓器臺數的影響，其入地電流值取值范圍較大，為此在進行偏磁電流計算時需取比例系數α，且0<α<1。

比較各編組運行方式可得出如下公式：

（1）

（2）

通過表（2）可得出完整單極大地運行方式下換流站的偏磁電流最大，1/2單極大地運行方式下單相換流變偏磁電流最大，這兩種方式下均會造成嚴重的變壓器半波飽和，進而對電網產生不利影響。為此，完整單極和1/2單極大地運行下需考慮合理的治理方案，降低對交流電網的風險。

4 結論

文章提出±800 kV換流站換流變編組運行方式對偏磁電流的影響，建立了換流站偏磁電流分析模型，得出主要結論有以下兩個方面。

（1）±800 kV換流站完整單極編組方式下偏磁電流最大。

（2）±800 kV換流站1/2單極大地編組方式下單相環流變的偏磁電流最大，影響程度更深，需考慮合理的治理方案。

參考文獻

[1] 劉振亞.中國電力與能源[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2] 劉振亞.特高壓交直流電網[M].北京：中國電力出版社，2013.

[3] 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.

[4] 華東電力設計院，浙江省電力設計院.溪浙直流工程受端電網偏磁測試與治理工作匯報[R].上海：華東電力設計院，2014.