特高壓直流對500 kV變壓器直流偏磁的影響分析

張 曼， 許文超， 牛 濤， 朱鑫要

(1. 中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

特高壓直流對500 kV變壓器直流偏磁的影響分析

張 曼1， 許文超1， 牛 濤1， 朱鑫要2

(1. 中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

直流系統單極運行時會在周邊變壓器中引起直流偏磁，以江蘇蘇北電網±800 kV晉北—南京、±800 kV錫盟—泰州、±800 kV隴彬—徐州特高壓直流工程為例，研究其對500 kV變電站直流偏磁的綜合影響。兼顧各接地極附近土壤情況，采用綜合水平多層土壤模型，建立了蘇北電網直流系統模型，對單條或多條直流線路同時單極運行時附近變電站的偏磁電流進行仿真分析。結果表明：土壤電阻率越大，距離接地極同一位置處地電位越高；多條直流線路同時單極運行時主變偏磁電流數值等于各單條直流線路單極運行時的代數和；相鄰變電站的抑制措施應綜合考慮。

蘇北電網；特高壓直流；直流偏磁；抑制措施

0 引言

特高壓直流輸電具有大容量、遠距離、低損耗的優勢，在我國電力系統中的應用越來越多。直流系統在調試、檢修或發生故障時，會出現單極-大地回路的運行方式，直流接地極中將產生巨大的直流入地電流，在接地極周邊形成直流電場，使得附近的變電站主變中性點接地系統中有直流電流通過，引起直流偏磁[1]。直流偏磁會導致主變出現噪聲增大、振動加劇、局部過熱等現象，降低主變效率，縮短主變壽命；主變在飽和區域工作將產生大量諧波，造成交流電網的諧波畸變增大，受影響變電站低壓側可能因諧波放大導致諧波過流，從而造成電容器鼓肚、爆炸等事故[2-4]。

江蘇位于東部沿海，經濟發達，負荷較大，有多個接地極落點江蘇。蘇北電網已建成±800 kV晉北—南京和±800 kV錫盟—泰州特高壓直流工程，根據國家電網公司特高壓直流發展規劃，未來還將建成±800 kV隴彬—徐州特高壓直流工程[5-8]。因此，研究蘇北電網3條特高壓直流輸電對周邊變電站直流偏磁的綜合影響具有重要意義。

目前國內外針對直流偏磁已開展了多項研究：國外的研究以地磁感應電流引起的直流偏磁為主；國內的研究以直流輸電單極運行引起的直流偏磁為主，集中在直流偏磁的產生機理、引起的勵磁電流諧波含量、治理原則及措施等幾個方面，研究對象包括±800 kV錦—蘇、±800 kV天—中、±800 kV溪—浙等特高壓直流工程[9-13]。以往的文獻中沒有針對江蘇蘇北電網3條特高壓直流工程的研究，且大部分文獻以單個直流接地極為例進行研究，采用單一的土壤模型，對多個直流接地極綜合作用下直流偏磁大小的研究不多。因此文中結合江蘇蘇北3條特高壓直流工程，根據實際情況采用綜合水平多層土壤模型，建立了蘇北電網直流系統模型；研究了蘇北電網單條或多條直流輸電線路同時單極運行時，對周邊變壓器直流偏磁的綜合影響。

1 蘇北直流工程概況

根據規劃，未來江蘇蘇北電網將建成±800 kV晉北—南京、±800 kV錫盟—泰州和±800 kV隴彬—徐州3條特高壓直流工程，其接地極分別位于宿遷、泰州和徐州。基本參數如表1所示。

表1 3條直流工程基本參數Table1 Basic parameters of 3 DC engineering

直流輸電接地極的形狀對靠近接地極處的地電位有一定影響，對遠處的地電位影響不大。表1中3條直流工程的接地極均為雙圓環結構，埋深為3～3.5 m。

土壤模型是影響直流接地極附近地電位分布的重要因素之一。由于表1中3個接地極在地理位置上相距較遠，均在150 km以上，采用一種土壤模型難以準確模擬各接地極附近的土壤情況[14-16]。因此文中兼顧了各接地極附近的實際土壤情況，采用綜合水平多層土壤模型，該模型含有3個土壤塊，分別對應3個接地極附近的土壤，其結構如圖1所示，參數如表2所示。

圖1 綜合水平多層土壤模型Fig.1 Comprehensive horizontal multilayer soil model

Ω·m

2 直流系統建模

2.1 交流輸電系統中的直流分布

接地極直流電流入地后，在大地和交流電網中形成一個巨大的直流分布系統，包括地下電流場和地上電阻網絡兩個部分。地下電流場電位分布與大地土壤電阻率、直流接地極入地電流大小及方向有關；地上電阻網絡由電廠及變電站接地電阻、變壓器直流電阻和輸電線路直流電阻構成。交流輸電系統中直流電流的分布如圖2所示，其中實線表示直流電流通路。

圖2 交流輸電系統中直流分布Fig.2 DC current distribution in AC power system

由圖2可知，接地極直流電流入地后，通過土壤的傳遞，在電廠升壓變高壓側、220 kV及以上變電站主變高-中壓側、部分110 kV變電站主變高壓側、交流輸電線路(含串聯電容補償的除外)等支路中存在直流電流通路。

2.2 變電站接地網模型

接地網是變電站安全運行的重要保障，接地電阻的大小是衡量變電站接地網性能的主要指標之一。當有大電流入地時，接地電阻的大小直接決定了接地網電位的高低。在實際電力系統中，生產運行部門對降低接地網接地電阻、接觸電壓及跨步電壓的要求越來越高[17，18]。GB/T 50065—2011交流電氣裝置的接地設計規范[19]中規定接地網的接地電阻應滿足：

(1)

式中：R為接地網的最大接地電阻，單位為Ω；Ig為經接地網入地的最大接地故障不對稱電流有效值，單位為A。

在不同的土壤模型中，同樣結構的接地網接地電阻大小不同，對于水平雙層土壤結構，水平接地網的接地電阻計算如下：

(2)

式中：S為接地網總面積，單位為m2；ρ1,ρ2分別為上、下層土壤電阻率，單位為Ω·m；K為系數，可通過查曲線獲得[20]。

2.3 主變直流模型

目前江蘇電網500 kV變電站主變大部分采用自耦變壓器，直流電流僅在高、中壓側之間流通，在考慮主變直流模型時，可以將三相等效為單相，等效電路如圖3所示。其中：A為高壓側；a為中壓側；R1為高壓側繞組直流電阻；R2為公共繞組直流電阻。

圖3 500 kV自耦變壓器直流電阻等效電路Fig.3 DC resistance equivalent circuit of 500 kV auto-transformer

對于一個有2臺自耦變壓器并聯運行的500 kV變電站，其等效模型如圖4所示。其中：R1，R2分別為2回500 kV出線的直流電阻；R3，R4分別為2回220 kV出線的直流電阻；Rg為變電站接地網直流電阻；R11，R12，R21，R22分別為2臺500 kV主變的直流電阻。對于有多臺自耦變壓器并聯或者分列運行的特高壓變電站及500 kV變電站，其等效電路與此類似。

2.4 輸電網絡直流模型

圖4 2臺自耦變壓器并聯運行的變電站等效電路Fig.4 DC resistance equivalent circuit of a substation with two transformers operated in parallel

電力系統采用三相交流輸電，對于輸電線路直流電阻而言，三相之間為并聯關系；220 kV及以上電壓等級輸電線路一般采用分裂導線，各分裂導線之間為并聯關系；若輸電線路是雙回或者多回，則多回路之間為并聯關系，因此輸電線路直流電阻可以等效為多回路并聯模型。

假設兩個變電站之間有n2回輸電線路，導線分裂數目為n1，每根導線每千米的直流電阻為rΩ，則這兩個變電站之間的線路的直流電阻為：

(3)

常見的3種截面的導線直流電阻如表3所示。

表3 導線直流電阻Table 3 DC resistance of transmission line

3 計算及分析

3.1 地電位分布特性

以額定電流作為直流線路單極運行時接地極的入地電流，3個接地極附近的地電位分布特性如圖5所示，其他入地電流情況和地電位大小，可按比例折算。由圖5可知，接地極極環上方地表電位最高，離開接地極后地表電位逐漸下降，且下降速度逐漸變慢；距離接地極不同位置處地電位結果如表4所示，可知距離接地極20 km以外，地電位下降已達到90%以上。比較3種土壤模型下地電位的分布特性可知，土壤電阻率越大，距離接地極同一位置處地電位越高；土壤電阻率越小，地電位衰減越快。

圖5 地電位分布曲線Fig.5 Earth surface potential curves

表4 地電位衰減百分比Table 4 Decreasing percentage of earth surface potential

%

位置距離/km151020塔河接地極54.277.586.093.0嵩侖村接地極79.792.795.196.9豐縣接地極81.096.798.499.1

3.2 變壓器中性點偏磁電流

直流線路在調試、檢修或發生故障時將單極運行，考慮如下4種運行方式。方式1：僅晉北直流單極運行；方式2：僅錫盟直流單極運行；方式3：僅隴彬直流單極運行；方式4：3條直流線路同時單極運行。一般情況下，方式4出現的概率較小。

根據電路疊加原理，多條直流線路同時單極運行時在大地某處產生的地電位應該等于各個直流線路單獨單極運行時的地電位代數和，對應方式主變偏磁電流也應滿足疊加關系。以500 kV XW等4個變電站為觀察對象，其與3個接地極的位置關系如圖6所示，計算結果如表5所示，表中電流值的正、負表示方向，正方向表示電流入地。

圖6 接地極與相關變電站位置Fig.6 Location of grounding electrodes and substations

A

表5中，疊加表示方式1、2、3的代數和，方式4與疊加結果的差值很小，誤差不超過0.1%，驗證了前述疊加原理。對于其他任意兩種直流線路同時單極運行的情況，根據表中結果進行代數疊加即可。由表可知，隴彬直流對表中幾個變電站的直流偏磁影響較小，這是由于隴彬直流豐縣接地極附近土壤電阻率較小，且距離這幾個變電站較遠，均在150 km以上，因此產生的偏磁電流較小。

4 抑制措施

DL/T 437—2012高壓直流接地極技術導則[21]中規定，變壓器每相繞組允許直流電流暫定為：單相變壓器為額定電流的0.3%；三相五柱變壓器為額定電流的0.5%；三相三柱變壓器為額定電流的0.7%。

對于常用500 kV三單相變壓器或三相五柱變壓器，其三相繞組總允許直流電流限值計算如表6所示，表中的計算結果為每相繞組允許直流電流的3倍。

表6 常用500 kV主變直流偏磁限值Table 6 Limits of DC magnetic bias currents of commonly used 500 kV transformers

根據表5計算結果，XW變電站在方式2及方式4兩種情況下偏磁電流均超過18 A，需要加裝抑制裝置。根據以往的研究，抑制偏磁電流的方法有反向注入電流法、電容隔直法、電阻抑制法[22，23]，文中采用電阻抑制法，考慮在XW主變加裝1 Ω小電阻，加裝之后偏磁電流計算結果如表7所示。可知，XW主變加裝1 Ω小電阻后，偏磁電流明顯下降，減小了約87%，但其他幾個變電站的偏磁電流有所增大，最大增大了約13%。

因此，在采用小電阻抑制偏磁電流時要考慮對周邊變電站的影響，如果造成周邊變電站偏磁電流增大過大，超過了變壓器的承受能力，則也需要加裝小電阻進行抑制。

表7 加小電阻后偏磁電流計算結果Table 7 Results of DC magnetic bias currents with series-resistance in XW substation A

5 結論

文中結合江蘇蘇北3條特高壓直流工程，兼顧各接地極附近的實際土壤情況，采用綜合水平多層土壤模型，建立了蘇北電網直流系統模型，主要結論如下：

(1) 地電位分布與土壤電阻率密切相關，土壤電阻率越大，距離接地極同一位置處地電位越高。對于多直流接地極且各接地極相距較遠的系統，可采用土壤分塊模型，兼顧各接地極附近土壤情況。

(2) 多條直流線路同時單極運行時在某主變中性點產生的偏磁電流等于各直流線路分別單極運行時的代數和。

(3) 采用小電阻抑制直流偏磁時，有可能造成周邊變電站偏磁電流增大，如果因此超過了變壓器的承受能力，需綜合考慮抑制措施。

(4) 針對蘇北3條直流工程投運后對XW等變電站偏磁電流的影響，文中的計算結果提供了很好的參考，但考慮到土壤模型與實際土壤的誤差及計算軟件的缺陷等，主變偏磁電流實際值應以投運后的實測值為準，對于尚未投運的變電站，建議預留直流偏磁抑制裝置的安裝場地。

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張 曼

張 曼(1991—)，女，河南周口人，碩士，工程師，從事電網規劃設計、電力系統電磁暫態仿真分析、柔性交流輸電技術工作(E-mail：zhangman@jspdi.com.cn)；

許文超(1979—)，女，江蘇鹽城人，碩士，高級工程師，從事電力系統規劃設計、輸變電工程設計、電力系統電磁暫態仿真工作(E-mail：xuwenchao@jspdi.com.cn)；

牛 濤(1984—)，男，陜西咸陽人，碩士，工程師，從事輸變電工程設計、電力系統電磁暫態仿真、微電網方面的研究工作(E-mail：niutao@jspdi.com.cn)；

朱鑫要(1987—)，男，河南開封人，博士，工程師，從事電力系統穩定控制及規劃研究。

(編輯方 晶)

InfluenceofHVDCSystemson500kVTransformerDCMagneticBias

ZHANG Man1， XU Wenchao1， NIU Tao1， ZHU Xinyao2

(1. China Energy Engineering Group Co. Ltd. Jiangsu Electric Power Design Institute Co., Nanjing 211102，China;2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 211103, China)

DC magnetic bias current will be caused in transformers when HVDC systems operating in mono-pole situation. The combined influence on DC magnetic bias of 500 kV transformers is researched, taking ±800 kV Jinbei-Nanjing, Ximeng-Taizhou and Longbin-Xuzhou in northern Jiangsu for example. A comprehensive horizontal multilayer soil model is adopted, considering different soil conditions adjacent to different ground electrodes, based on which the DC system model of northern Jiangsu is built. The DC magnetic bias currents in substations nearby are analyzed when one or more in three HVDC power transmission lines are operated in monopole operation mode. Simulation results show that the greater the soil resistivity, the higher the earth surface potential; when multi HVDC lines are operated in monopole mode simultaneously, the value of DC current is equal to algebraic sum of the DC current of each HVDC line solely operated in monopole mode; the restraining measures of adjacent transformers should be considered comprehensively.

Northern Jiangsu power grid; HVDC; DC magnetic bias current; restrain measures

TM721

A

2096-3203(2017)06-0078-06

2017-07-13；

2017-08-07

國家自然科學青年基金資助項目(51607092)