直流輸電地中電流對電網設備影響的分析與處理分析

李星辰 廖毅

摘 要：直流電流在用電歷史中最先受到使用，也廣泛應用于遠距離輸電等許多用途中。但直流輸電運行在單極大地回線方式或雙極不對稱方式時容易產生地中直流電流對交流電網設備產生的影響，本文通過對直流輸電對交流電網設備的影響進行探究，例如直流偏磁產生的變壓器振動、噪聲、升溫等，也容易引起交流電地網的腐蝕。提出解決直流輸電影響交流電網設備的方法，如反向接入電流法、串聯電阻法、串接電容法三種抑制方法。

關鍵詞：直流輸電；電流；交流電網設備

直流輸電主要是將發(fā)電廠發(fā)出的交流電，通過整流器變換為直流電輸送至受電端，再通過使用逆變器將直流電換成交流電輸送至交流電網的一種輸電方式。直流輸電與交流輸電相比亦有許多優(yōu)點，包括：成本低、線路搭桿所需人力物力少，搭桿方便快捷、輸電功率小、能量損耗小、電壓分布平穩(wěn)、可在不同頻率或相同頻率交流電壓間實現非同步聯系、輸送過程中受通信干擾較小、功率與電流調節(jié)容易、輸送距離與輸送功率不受電力系統同步穩(wěn)定性限制等等。

一、直流輸電對電網設備的影響

盡管直流輸電的優(yōu)點有許多，也應用于許多不同用途，但其影響也不容忽視。直流輸電在輸電系統中對交流電與交流電網都產生了不同程度的影響。由于接地變壓器阻值小，且存在直流電勢差，因此，直流電通過變壓器時變壓器會產生直流偏磁現象，造成交流電的各種影響與地網設備的影響。

1、直流偏磁導致變壓器升溫

通常而言，變壓器對于自身溫度具有一定限制，直流偏磁所導致的變壓器繞組熱點溫度增加直接導致變壓器的壽命減少，不僅造成一定經濟損失，也造成用電設備更換時用電不方便。好在變壓器通常是在低于額定負荷狀態(tài)下運行，直流偏磁所造成的升溫也不嚴重，沒有影響到變壓器的正常運行。但由于直流偏磁為變壓器帶來的升溫影響不應就此被忽視，一旦直流偏磁現象超負荷，超出變壓器額定負荷，依舊會帶去不良后果與影響，因此，直流偏磁引起的變壓器升溫依舊需要得到控制與解決。

2、直流偏磁導致變壓器噪聲現象

直流偏磁導致的變壓器非正常狀態(tài)下產生噪聲是對有安放變壓器的周邊居民的嚴重影響，由于直流偏磁的影響導致變壓器硅鋼片的尺寸受到改變，引起的磁致收縮。在直流偏磁影響下，鋼片的振幅不斷增大，發(fā)出的噪音也不斷強烈。噪音的不斷加強對于人體而言是有一定危害的，從更為嚴重的層面分析，不受控制的直流偏磁在對變壓器的影響過程中不斷增加振幅，會導致變壓器的受損與周邊居民的居住安全。

3、直流偏磁導致變壓器振動現象

直流偏磁對變壓器還會造成振動現象，由于偏磁影響，變壓器在振動過程中內部零件可能產生松動，導致變壓器的運行危害。變壓器內部的任意損害都能導致變壓器本身的運行產生問題，影響變壓器正常使用。因此，直流輸電對于變壓器的影響巨大，即使只是導致變壓器內部零件的松動，也會直接影響整個變壓器的正常使用。

二、抑制直流輸電對交流設備的影響措施

1、反向注入電流法

為了減少直流偏磁對變壓器造成的損傷，通過在變壓器中性點上串聯一個直流電壓源的方式，提供反向直流電源。這種串聯一個直流電壓源的方式可以幫助保護變壓器，其優(yōu)點在于可以針對不同的直流電壓值合理的設置電壓源，在超出電壓源設置范圍時提供反向電流，且操作方便亦十分靈活，在保護變壓器方面不受較多限制。但串聯直流電壓源也存在一點的缺點，其設置并不能保證完全的抵消直流電流的流入，還是會存在部分電流對變壓器造成的影響，且串聯直流電壓源需要外接地級，是獨立的建造工程，且工程量大，耗費人力物力；再者，外接地級工程需要養(yǎng)護，此項養(yǎng)護的成本高，費用也較高，可能造成收益與支出不符現象。

2、串聯電阻法

由于直流偏磁對變壓器造成影響的原因一部分是直流電流大，因此，可以通過在中性點和地網間串聯一個電阻，以電阻的作用消減直流電流。串聯電阻的方法與原理都較為簡單，相較其他方法而言，串聯電阻的方式具有的經濟效益較高。但其也同樣存在缺陷，主要體現在一下幾點：一是無法抵消全部直流電流從中性點流入，只能達到減少電流的目的；二是在地網中串聯一個電阻對于電阻值的判斷較難達到精度，地網中的自然條件因素如礦物質含量、水分含量、土壤條件等都會影響電阻值的計算，因此，串聯電阻的阻值無法精確條件下可能導致電阻無法發(fā)揮實際效果；三是電阻阻值的計算受到變壓器數量的影響，當更換變壓器或加設變壓器時，連接地網與中性點的電阻值就受到了改變，需要重新計算阻值，而變壓器的更換，維修，加設都較常發(fā)生，電阻值的計算又都較為繁瑣，因此，串聯電阻的方法勢必會受到許多阻礙與重復串聯現象。

3、串接電容法

電容具有阻隔直流電，而交流電可以不受阻礙通過的作用，因此在地網與中性點間可以通過串聯電容的方法達到減少直流電通過的作用，并且不影響交流電的正常通過。但電容器在極端天地情況如打雷時，或通過強力電流時容易產生暫態(tài)電壓，會導致電容器的損壞，因此為了保護電容器的正常使用，一般選擇在電容器兩端通過再串聯一個電流旁路裝置進行電容器的保護，達到限制暫態(tài)電壓的目的，這種保護裝置可以減少電容器的損壞，且成本較低，避免經濟損失，減少了大電容裝置的安裝空間，也保證變壓器不受直流電的過度影響與變壓器穩(wěn)定使用。

目前使用得最多的抑制直流電流產生直流偏磁影響變壓器的方法是電容法，因此，以下對電容法的使用進行具體解釋說明。

通過電容器與保護裝置的設計，對流過兩容器兩端的電流進行限定，在設定的允許范圍下，流過低于設定的電壓值與電流值時，保護裝置是不產生反應與保護作用的，此時的電容器可以達到阻直通交的作用，而在電流值超過限定標準時，保護裝置會立即進入運行模式，將不正常電流通過旁路引向大地，保證非正常電流不會通過電容器造成電容器的損壞。并且在保護裝置運行的同時，內部預先設計的計時器同時進入計時模式，在設定的時間內計時結束后檢測非正常電流的點流量是否已經減小，若已經達到標準，則保護裝置結束運行，電容器正常運行，若未達到正常標準點流量，則進入再次計時，直至電流量減少至適宜啟動電容器范圍。以這種方式對電容器進行保護對于整個變壓器裝置而言是最為節(jié)省成本的，且不需要耗費人力物力新建工程，對于重復使用率而言也能夠做到不需反復計算精確度等繁瑣的事宜。因此，對于直流輸電對用電設備的影響進行分析與預防措施的使用及判斷后，選擇串接電容法作為主要抑制手段最佳。

結束語

直流輸電對于遠距離輸電而言好處頗多，但也應對其在輸電過程中產生的不足進行預防與控制，防止直流輸電過程產生的直流偏磁對變壓器的影響，破壞用電設備的正常使用。對于抑制直流輸電造成的影響的具體措施有反向注入電流法、串聯電阻法、串接電容法三類，其中，對以上三種手段進行優(yōu)缺點的分析，最終認為串接電容法是抑制直流輸電對變壓器造成影響最好的方式，并提出串接電容法的具體運行方式與技術手段，希望該技術能夠為抑制直流輸電產生的不良影響能夠起到良好效果，并能夠得到繼續(xù)研究與深入創(chuàng)新。

參考文獻：

[1]馮駿.復雜運行工況下變壓器直流偏磁的抑制[J].電氣應用，2018，37（06）：88-93.

作者簡介：

李星辰（1985-），男，湖北潛江人。工程師，工程碩士，目前從事輸電可靠性、技術標準等工作。

廖毅（1987-），男，湖南長沙人。工程師，工程碩士，目前從事直流輸電運行維護工作。