變壓器直流偏磁仿真及抑制措施研究

王洪濤，王耿耿，曹 娜，袁智強

(1.青海省綠色發電集團股份有限公司，西寧 810000；2.上海電力設計院有限公司，上海 200025)

我國能源與電力負荷分布不均衡，西部欠發達地區資源豐富但負荷較小，而東部沿海地區負荷密集但資源較為匱乏，隨著我國“西電東送”戰略的實施，高壓直流輸電因輸送距離遠、輸電功率大、輸送損耗小等優勢得到了廣泛應用[1-2]。高壓直流輸電正常情況下采用雙極運行方式，但在系統調試、檢修或發生故障的情況下，會工作于單極大地回路運行方式。單極大地運行時會有較大直流電流注入大地，在地下形成直流電場，從而在各變電站間產生電位差，因站間回路直流電阻較小，會產生較大的直流電流，從而造成變壓器偏磁，威脅變壓器的正常運行[3-6]。隨著近幾年超高壓和特高壓直流輸電工程的大規模建設，單極大地回路運行時導致直流接地極附近變壓器大規模直流偏磁時有發生，對電網的安全穩定運行產生了較大影響。為了保障電網的安全、可靠運行，對直流偏磁現象及其抑制措施開展研究具有重要的意義。

1 直流偏磁對變壓器的影響

1.1 變壓器發生直流偏磁的原理

在正常情況下，變壓器的磁路工作在對稱的線性區域，正弦磁通建立的勵磁電流基本也是正弦形式，其原理如圖1所示[7-8]。

圖1 變壓器正常運行時的勵磁電流

當有直流電流流經變壓器繞組時，將導致變壓器電流工作點上移，變壓器電流工作點進入勵磁曲線飽和區，正弦磁通建立的勵磁電流正半周會發生嚴重的畸變，而負半周仍基本為正弦形式，其原理如圖2所示[7-8]。在此狀態下，變壓器會發生直流偏磁現象，過大的直流電流可能引起變壓器磁飽和，產生振動加劇、噪聲增大、諧波增大、局部過熱等問題，影響變壓器的安全運行。

圖2 直流偏磁狀態下變壓器的勵磁電流

1.2 變壓器直流偏磁限制要求

變壓器本身具有一定的抗偏磁能力，主要與變壓器的鐵心結構、形式、材質等有關，變壓器實際運行時應避免工作在較為嚴重的直流偏磁狀態下，防止對變壓器造成損害。國內外有關研究機構都對于變壓器的抗偏磁能力進行了研究，主要研究成果如表1所示[9-11]。

目前中國電科院、上海電科院等幾個科研院所在此領域展開了較多研究，提出限制流入變壓器中性點電流的3種主要方法：(1)通過整流裝置向變壓器中性點注入反向直流，抵消偏磁電流；(2)在變壓器中性點裝設電容，阻斷直流電流；(3)在變壓器中性點裝設電阻，限制直流電流的大小[12]。電流型直流抑制裝置控制困難、占地較大、維護費用高；電容型直流抑制裝置對電容的制造工藝要求高、造價昂貴。此外，華東地區一些500 kV變電站已陸續安裝中性點小電抗以抑制短路電流，在這些變電站中采用電容型抑制裝置可能引發高頻諧振，威脅系統安全；而電阻型直流抑制裝置簡單、實用、可靠，因此目前電阻型直流抑制裝置在治理變壓器直流偏磁問題中得到了廣泛的應用。

表1 不同機構提出的變壓器直流偏磁限制要求

2 直流偏磁仿真建模研究

直流偏磁問題既與變電站的地電位及地下電流場的分布情況有關，同時也與變電站內變壓器及站間輸電線路的直流電阻有關，是電場與電路相結合的問題，研究過程較為復雜。本文中采用加拿大SES公司開發的CDEGS軟件對變壓器直流偏磁現象及抑制措施進行仿真建模研究。

2.1 仿真建模過程

采用CDEGS軟件對直流偏磁現象進行仿真建模的流程圖如圖3所示。

(1)地理信息轉換：CDEGS 軟件采用的是標準的平面直角坐標，通過“高斯—克呂格”變換將各變電站及直流接地極的經緯度坐標轉換為平面坐標。

(2)變電站接地網及主體建模：根據各變電站土壤電阻率和接地電阻，繪制變電站等效接地網。根據變電站主變參數和接地情況對變電站主體進行等效建模。

(3)直流接地極建模：根據直流接地極的形狀、材料、埋深，適當簡化后對直流接地極進行建模。

(4)電網拓撲建模：將所要研究的變電站站點通過站間線路連接，從而構成電網的基本拓撲結構。

(5)土壤模型確定：在有關地中直流的仿真計算中，水平分層土壤電阻率通常的取值范圍如表2所示[13]。根據研究區域內土壤電阻率的實測結果，結合表2對區域內土壤模型進行簡化設置。

表2 土壤分層的電阻率和厚度

(6)直流偏磁電流計算：完成電網拓撲結構的建立和土壤模型的設置后，運行仿真軟件，查看仿真結果詳細報告，獲取各變電站主變中性點偏磁電流。

2.2 計算案例

基于某直流接地極周邊電網結構，根據仿真建模流程，搭建仿真案例進行計算研究。仿真案例網架中包含5座500 kV變電站和1座220 kV變電站，輸電線路包含500 kV線路和220 kV線路。網架拓撲結構如圖4所示。

計算輸入條件具體如下。

(1)土壤模型參數：仿真案例采用水平四層土壤模型，土壤模型參數如表3所示。

(2)變電站接地模型：各變電站接地網采用水平接地網格進行等效，各站接地電阻如表4所示。

(3)變電站主變參數：各變電站主變數量、容量和主變繞組的等效直流電阻如表5所示。

(4)站間輸電線路參數：站間輸電線路的等效直流電阻如表6所示。

(5)直流接地極注入電流：接地極激勵電流取4 000 A。

2.2.1采取直流偏磁抑制措施前仿真結果

根據這些輸入條件，各變電站直流偏磁電流的計算結果如表7所示。根據各機構提出的變壓器可耐受偏磁電流指標，在本案例中選取三相變壓器最嚴格的限制值，以0.45%額定電流值作為各變電站主變抗偏磁能力限值，500 kV主變可耐受偏磁電流宜控制在5.0 A以下，220 kV主變可耐受偏磁電流宜控制在2.8 A以下。從表7可以看出，仿真案例中4號站和5號站單臺500 kV變壓器的偏磁電流分別為7.4 A和5.4 A，6號站單臺220 kV變壓器的偏磁電流為4.1 A，直流接地極滿容量單極大地運行時注入大地的直流電流對于4號站、5號站、6號站變壓器的正常運行具有威脅，應采取直流偏磁抑制措施。

圖4 仿真案例網架結構示意圖

層數電阻率/(Ω·m)厚度/m1、淺沉積層103502、深沉積層或鹽土層30010 0003、基巖層10 00050 0004、地幔至地心層100數百公里以上

表4 各變電站接地電阻 Ω

表5 各變電站主變繞組的等效直流電阻

表6 站間輸電線路的等效直流電阻 Ω

表7 采取直流偏磁抑制措施前各變電站主變偏磁電流計算結果 A

2.2.2直流偏磁抑制方案研究

電阻型直流抑制裝置簡單、實用、可靠，因此本案例中采用主變中性點串聯小電阻的方法抑制偏磁電流。在變電站配置電阻型直流抑制裝置，可能會引起周邊變電站直流偏磁電流增加，此外小電阻阻值不宜取過大以免對站內保護造成較大影響，因此需通過仿真計算指導小電阻阻值的選取。

對于仿真案例中直流偏磁電流超標的4號站、5號站和6號站，首先研究各站加裝不同阻值的小電阻對直流偏磁電流的抑制效果，仿真結果如圖5所示。由圖5可以看出，串聯小電阻可有效減少變壓器偏磁電流，隨著小電阻值的增大，偏磁抑制效果逐漸趨于飽和。仿真案例中，4號站和5號站加裝1 Ω小電阻后，單臺500 kV變壓器偏磁電流可降到5 A以下；6號站加裝1 Ω小電阻后，單臺220 kV變壓器偏磁電流可降到2.8 A以下。

圖5 加裝小電阻阻值與偏磁電流的關系曲線

此外，研究了4號站、5號站和6號站加裝小電阻后對附近其他變電站偏磁電流的影響。以加裝1 Ω小電阻為例，4號站、5號站和6號站加裝1 Ω小電阻后對周邊變電站偏磁電流的影響分別如表8～表10所示。4號站加裝1 Ω小電阻后，2號站和3號站的主變偏磁電流增大，而1號站、5號站和6號站的主變偏磁電流有所下降；5號站加裝1 Ω小電阻后，1號站、3號站和6號站的主變偏磁電流增大，而2號站和4號站的主變偏磁電流有所下降；6號站加裝1 Ω小電阻后，1號站、3號站和5號站的主變偏磁電流增大，4號站主變偏磁電流基本不變，而2號站主變偏磁電流有所下降。安裝電阻型直流抑制裝置會對周邊變電站偏磁電流有所影響，可能會引起周邊部分站點偏磁電流增大，配置電阻型直流抑制裝置時應統籌考慮網架中所有站點，避免引起周邊變電站偏磁電流超標。

表8 4號站加裝小電阻對周邊變電站主變偏磁電流的影響

表9 5號站加裝小電阻對周邊變電站主變偏磁電流的影響

表10 6號站加裝小電阻對周邊變電站主變偏磁電流的影響

為使仿真案例中各變電站主變偏磁電流均在抗偏磁能力限制范圍內，考慮在偏磁電流超標的變電站中安裝電阻型直流抑制裝置。通過表8可以看出，4號站加裝1 Ω小電阻后，5號站單臺500 kV變壓器的偏磁電流也可降低到5 A以下，因此考慮在4號站和6號站加裝小電阻抑制直流偏磁電流。通過仿真計算可得，在4號站主變中性點串聯1 Ω小電阻、6號站主變中性點串聯1 Ω小電阻后，各變電站500 kV變壓器直流偏磁電流均小于5 A，220 kV變壓器直流偏磁電流均小于2.8 A，能夠適應直流接地極單極大地運行情況。采取直法偏磁抑制措施后各變電站主變偏磁電流計算結果如表11所示。

表11 采取直流偏磁抑制措施后各變電站主變偏磁電流計算結果

注：4號站、6號站主變中性點均串聯1 Ω小電阻。

3 結語

(1)直流系統單極大地運行時，直流接地極中有激勵電流注入大地，會在周邊變電站間產生地電位差，從而在站間回路中產生直流電流，引起變壓器偏磁，威脅變壓器的正常運行，需采取措施抑制直流偏磁。

(2)電阻型直流抑制裝置簡單、實用、可靠，對于直流偏磁電流超標的變電站，在主變中性點串聯小電阻可有效抑制變壓器偏磁。

(3)安裝電阻型直流抑制裝置會對周邊變電站偏磁電流有所影響，可能會引起周邊部分站點偏磁電流增大，配置電阻型直流抑制裝置時應統籌考慮網架中所有站點，避免引起周邊變電站偏磁電流超標。