上圍子直流接地極對周邊直流偏磁的影響

拾　楊，楊茹珊，夏良宇，王沐雪，唐紅濤，黃　浩

(1. 國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0　引　言

當(dāng)直流輸電系統(tǒng)在以單極運行方式下時，大地成為直流輸電系統(tǒng)回路的一部分，通過接地極向大地散流[1-3]。由于接地極周邊不同位置的變電站存在電位差，且變電站及電廠主變高壓側(cè)一般中性點直接接地[4-5]。所以，直流電流會由變壓器的中性點流入，流入中性點的直流電流會導(dǎo)致變壓器鐵芯磁化，從而使變壓器的磁化曲線產(chǎn)生偏移，使鐵芯飽和，引起直流偏磁。從而產(chǎn)生大量諧波，變壓器損耗增加、溫升增加、局部過熱，變壓器噪聲增大、振動加劇，無功損耗增大、系統(tǒng)電壓下降，繼電保護系統(tǒng)不正常運行等問題[6-7]。

精確計算接地極周邊的偏磁電流情況，以及對電力系統(tǒng)帶來的影響，是直流輸電工程中不可缺少的一環(huán)。本文以上圍子接地極為例對其周邊的電力系統(tǒng)進行偏磁電流計算，研究變壓器主變的直流偏磁情況，為接地極周邊的直流偏磁分布提供了一種參考依據(jù)。

1　上圍子接地極周邊電力系統(tǒng)分布

上圍子接地極周邊電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文選取極址周圍130 km范圍內(nèi)的變電站、電廠及與其有直接電氣聯(lián)系的變電站及電廠。該范圍內(nèi)一共有24座500 kV的變電站及電廠，84座220 kV的變電站及電廠，以及27條為500 kV線路，118為220 kV線路。

圖1　上圍子接地極周邊電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分布圖

利用四極法及MT法對上圍子接地極周邊的土壤電阻率進行測量，從而得到上圍子極址大地電性分層及各層等效電阻率，如表1所示。

2　仿真計算原理

圖2所示為直流接地極入地電流通過大地散流后流進周邊交流電網(wǎng)的示意圖。極址的入地直流電流會抬升接地極附近的變電站及電廠所在地區(qū)的地表電位。同時，受變電站地理位置不同以及大地土壤電阻率差異，各變電站及電廠地表電位抬升的幅值各不相同，各站出現(xiàn)電位差，從而導(dǎo)致直流電流由大地流入(流出)交流電網(wǎng)。

表1　上圍子極址大地電性分層

圖2　直流接地極電流進入交流電網(wǎng)示意圖

為計算流入(流出)各電壓器中性點的偏磁電流，可以依據(jù)極址周邊的地理接線方式及各電力參數(shù)得到電力系統(tǒng)直流等值網(wǎng)絡(luò)模型。

計算原理如下：以m個變電站及n條線路為例，為簡化計算，本文將變壓器等值直流電阻和變電站的接地電阻簡化為一條支路，將輸電線路作為另一條支路，簡化之后的計算模型中含有2m個節(jié)點以及m+n條支路，由此可得節(jié)點電壓方程

I=YU

(1)

式中，Y為節(jié)點導(dǎo)納矩陣(2m×m)；U為節(jié)點電壓列向量(2m×1)；I為注入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的列向量(2m×1)。

從等值網(wǎng)絡(luò)模型中可看出，式(1)中含有m個接地節(jié)點和m個非接地節(jié)點，所以用a和b分別表示接地節(jié)點和非接地節(jié)點，同時由于接地節(jié)點注入電流為Ia，非接地節(jié)點的注入電流為0，所以

(2)

式中，Ya為矩陣(m×2m)；Yb為矩陣(2m×2m)。分列可得：

YaU=Ia

(3)

YbU=0

(4)

由式(4)得：

(5)

式中，Yba為(2m×m)向量；Ybb為(2m×2m)向量。

將式(5)展開得：

(6)

各站地表電位由大地電流場計算得到，即已知Ua，由式(6)計算可得Ub。

聯(lián)立式(3)和(6)，計算可得流入各站的偏磁直流為：

(7)

3　上圍子接地極周邊偏磁電流仿真計算

當(dāng)強大的直流電流通過接地極散流時，電流通過大地土壤流向遠方，由于土壤電性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得在大地表面產(chǎn)生電位差異，但在無窮遠處，電位幾乎為零。所以，為了更加真實的反映接地極對廣域范圍內(nèi)的電力設(shè)施產(chǎn)生的影響，本文采用有限元軟件對該極址區(qū)域1 000 km范圍內(nèi)進行三維土壤建模，由于各站到極址的距離遠大于極環(huán)半徑，故可以等效為點電源注入，注入電流為5 000 A。各站的地表電位由各站點的地理坐標(biāo)確定。

以兩個變電站為例，圖3所示為交流電網(wǎng)中兩個變電站中性點接地主變之間流通的直流網(wǎng)絡(luò)模型。其中包含接地電阻、主變電阻和線路電阻。其計算參數(shù)以各站實際值為準(zhǔn)。

圖3　接地主變之間的直流網(wǎng)絡(luò)模型

極址廣域范圍內(nèi)的變電站及電廠220 kV主變?yōu)榉亲择钭儔浩鳎?00 kV為自耦變壓器。其中非自耦變壓器高壓繞組與低壓繞組間沒有直流通路，故計算偏磁電流時只需要考慮與輸電線路連接的高壓繞組，其計算模型如圖4(a)所示。而自耦變壓器的高壓繞組為公共繞組和串聯(lián)繞組組成，其中中壓繞組為公共繞組，其計算模型如圖4(b)所示。故計算時需考慮接地極周邊各站主變變壓器的類型，從而精確計算偏磁電流。

圖4　變壓器直流模型

接地極周邊直流網(wǎng)絡(luò)模型中輸電線路的模型為線路直流電阻值，在高壓輸電線路中一般采取分裂導(dǎo)線，因此在搭建直流電路時一相直流電阻值為單根導(dǎo)線電阻值除以分裂數(shù)，如果含有多回線路并聯(lián)，再除以線路回數(shù)，從而得到線路的直流電阻值。

本文參照2017年上圍子周邊電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分布圖建立上圍子接地極周邊電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，對上圍子接地極采用單極大地運行方式時接地極周邊變電站直流電流分布進行仿真計算，其部分結(jié)果如表2所示。

表2　上圍子周邊變壓器中性點直流電流分布

注：加粗為偏磁電流超標(biāo)。

由表2的數(shù)據(jù)可知：

(1)從仿真值與實測值的對比結(jié)果來看，直流偏磁變化基本一致，且變壓器發(fā)生直流偏磁的主變主要集中于距離接地極較近的區(qū)域。

(2)實測值與仿真電流正負基本保持一致，表明偏磁電流流向與實測相吻合。仿真結(jié)果與實測值大體上比較接近，能基本反映流入(流出)各站的偏磁電流大小。

(3)隨著各站與接地極距離的增加，電流的變化趨勢是逐漸由正變?yōu)橛姓胸摰交救珵樨摚@主要是由于距離接地極較近的變電站電位高，電流從大地流入地電力系統(tǒng)，距離接地極較遠的變電站電位低，電流從系統(tǒng)流向大地，而處在中間位置的變電站電流方向有可能為正，也有可能為負，受地電位升的變化比較敏感。

4　結(jié)束語

本文通過對上圍子接地極周邊變電站及電廠主變直流偏磁電流進行仿真計算，得到以下結(jié)論：

(1)在對接地極周邊主變進行偏磁電流計算時，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、變電站相對位置、變壓器類型、輸電線路參數(shù)、土壤電阻率等都需要考慮，以保證其計算的精確度；

(2)變電站及電廠距離接地極越近，主變發(fā)生直流偏磁超標(biāo)越多，所以接地極周邊不宜建立變電站；

(3)各站受地表電位的影響，電流的變化趨勢逐漸由正(流入)變?yōu)橛姓胸摰交救珵樨?流出)；

(4)本文計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，能為接地極周邊變壓器直流偏磁評估提供有效指導(dǎo)。

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