變壓器直流偏磁抑制引起的過電壓問題探討

陳名英

（中國水利水電第八工程局，湖南長沙 410001）

0 引言

直流偏磁主要為直流電流通過變壓器中性點(diǎn)而導(dǎo)致變壓器磁通曲線發(fā)生偏移的現(xiàn)象，通常情況下，電力系統(tǒng)在太陽磁暴發(fā)生后引起地磁感應(yīng)電流，使交流系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生直流電流，此外，直流線路在采用單級—大地回路并引發(fā)其觸發(fā)角或雙極不平衡、造成換相失敗情況下，主變中性點(diǎn)會流過直流電流，引發(fā)直流偏磁。直流偏磁會增大變壓器設(shè)備的損耗，導(dǎo)致溫升及局部過熱，加劇振動和噪聲，增大系統(tǒng)諧波和無功需求[1]，降低電壓，甚至引發(fā)繼電保護(hù)誤動作，十分不利于系統(tǒng)安全。為此，必須在分析主變壓器中性點(diǎn)接地方式、絕緣水平并選擇其直流偏磁抑制措施的基礎(chǔ)上，校核主變壓器中性點(diǎn)對過電壓的實(shí)際耐受程度。

1 主變壓器中性點(diǎn)的接地方式及絕緣水平

當(dāng)前110～1000 kV 的主變壓器系統(tǒng)所采用的接地方式均十分有效，主要分為兩種：220 kV 主變壓器系統(tǒng)所采用的半主變接地+半主變不接地的絕緣方式，而500 kV 系統(tǒng)則采用直接接地+小電抗接地的方式，不同主變系統(tǒng)接地方式不同，絕緣水平也存在差異（表1）。

根據(jù)表1 對220 kV 和500 kV 主變中性點(diǎn)絕緣水平的分析并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，500 kV 主變中性點(diǎn)所能承受的短時(shí)工頻耐受電壓峰值為其額定值的倍，表明其直接接地方式下所能承受的短時(shí)工頻耐受電壓峰值為120 kV，小電抗接地方式下所能承受的短時(shí)工頻耐受電壓峰值為198 kV。220 kV 主變中性點(diǎn)所能承受短時(shí)工頻耐受電壓峰值也為其額定短時(shí)工頻耐受電壓值的倍，說明其直接接地方式下所能承受的短時(shí)工頻耐受電壓峰值120 kV，而不接地方式下所能承受的短時(shí)工頻耐受電壓峰值282 kV。

2 直流偏磁抑制措施

結(jié)合相關(guān)規(guī)范及具體工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)在避免影響系統(tǒng)可靠性、運(yùn)行性能和可操作性以及其余裝置正常運(yùn)行過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行直流偏磁抑制措施的選擇。

2.1 反向注入電流法

其技術(shù)原理主要為，將一個幅值比流入電流略小，且與流入電流方向正好相反的直流電流注入變壓器中性點(diǎn)，以抵消流過中性點(diǎn)的地網(wǎng)接地直流電流，并同時(shí)消除變壓器可能遭受的直流偏磁的不利影響。這種直流偏磁抑制措施靈活性及抑制效果良好，并對原系統(tǒng)不會產(chǎn)生較大影響，但是需要加裝的裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜，安裝及運(yùn)行維護(hù)過程復(fù)雜，成本高。在反向注入電流法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的電位補(bǔ)償法無需另外設(shè)置輔助接地極網(wǎng)，電流源容量也比反向注入電流法小，運(yùn)行成本低，但是其所必需設(shè)置的補(bǔ)償裝置接入處理會對周圍近距離變電站產(chǎn)生不利擾動。

反向注入電流法作用原理如圖1 所示，借助1 臺直流發(fā)生裝置將可變直流電流I 注入變壓器中性點(diǎn)，所注入的直流電流經(jīng)分流后I′部分流入地網(wǎng)，所對應(yīng)的地網(wǎng)電位值為I′R，即KIR，其中K 為分流系數(shù)，R 為地網(wǎng)接地電阻，在地網(wǎng)接地電阻R 保持不變的情況下，可主要通過調(diào)整I 進(jìn)行地網(wǎng)電位值控制。

圖1 反向注入電流法作用原理

2.2 中性點(diǎn)串聯(lián)電容法

將電容器串聯(lián)安裝在變壓器中性點(diǎn)可以起到一定程度的直流電流阻隔作用，降低并消除其對變壓器的不利影響。為確保電容器接地的可靠性，應(yīng)盡可能減小電容器阻抗。這種抑制措施同時(shí)要求在旁路增設(shè)保護(hù)裝置，以避免故障發(fā)生后電容器由于交流系統(tǒng)接地零序電流流過后而對電容器和變壓器造成瞬間破壞。這種抑制措施在變壓器中心點(diǎn)處安裝的電容器數(shù)量要求少，且在變壓器直流偏磁抑制方面應(yīng)用較為廣泛。

2.3 中性點(diǎn)串聯(lián)電阻法

直流線路和大地回線所共同構(gòu)成的變壓器中性點(diǎn)接地電位差以及中性點(diǎn)線路等效電阻、繞組及接地電阻等是影響變壓器中性點(diǎn)所流經(jīng)直流電流大小的主要決定和影響因素，通過控制以上因素值，便可取得較好的變壓器直流偏磁抑制效果。該措施同樣需要增設(shè)旁路保護(hù)裝置，并應(yīng)增大限流電阻阻值，以取得較好的限流效果。由于這種措施會影響接地阻抗的連續(xù)性，并使繼電保護(hù)整定過程更加復(fù)雜，故在實(shí)踐中較少采用。

3 主變中性點(diǎn)短路過電壓

為提升過電壓處理效率，應(yīng)選擇最嚴(yán)重的主變中性點(diǎn)過電壓運(yùn)行方式，進(jìn)行直流偏磁抑制故障類型的選取，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，單相接地短路是最典型、占比最大的故障類型，故針對變壓器出線口發(fā)生單相永久接地故障展開分析。

3.1 220 kV 主變中性點(diǎn)短路過電壓

選擇兩臺額定電壓220 kV、36.75 kV，額定電流394 A、1178 A，空載損耗114.2 kW，短路電壓13.37%、6.76%，短路損耗575.8 kW、143.8 kW 的主變變電站，1#主變直接接地，2#主變不接地。采用PSCAD 電力仿真軟件[2]進(jìn)行直流偏磁及短路故障綜合情況下主變中性點(diǎn)接入不同電阻和電容后過電壓最大值的計(jì)算，仿真計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 220 kV 主變中性點(diǎn)短路過電壓峰值仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上結(jié)果可以看出，電容隔直法直流偏磁抑制措施實(shí)施后，對于直接接地和不接地方式，主變中性點(diǎn)過電壓均位于耐壓限度范圍內(nèi)，并具有較大裕度。

3.2 500 kV 主變中性點(diǎn)短路過電壓

選取3 臺額定電壓分別為525 kV、230 kV、15.8 kV，額定容量分別為750 MVA、750 MVA 和240 MVA，短路電壓為11.27%、25.97%和40.04%，短路損耗為300.4 kW、1330.1 kW、1218.8 kW 的主變變電站，并分別采取以下3 種接地方式：①3臺主變直接接地；②1#和2#主變直接接地，3#主變小電抗接地；③1#主變直接接地，2#和3#主變小電抗接地。直流偏磁電流為10 A，主變接地電阻為0.2 Ω，小電抗為15 Ω，結(jié)合相關(guān)規(guī)范與實(shí)踐，電阻限流法下電阻值應(yīng)控制在10 Ω 以內(nèi)，電容隔直法下電容值應(yīng)控制在4000 μF 內(nèi)。

通過PSCAD 電力仿真軟件進(jìn)行直流偏磁及短路故障綜合情況下接地主變中性點(diǎn)接入不同電阻和電容后過電壓最大值的計(jì)算，結(jié)果具體見表3。

表3 500 kV 主變中性點(diǎn)短路過電壓峰值仿真結(jié)果

根據(jù)上表計(jì)算結(jié)果，在3 種不同的接地方式下，方式②的3#主變及方式③的2#、3#主變均實(shí)行小電抗接地方式，且所采用的實(shí)際接地方式中，將10 Ω 電阻抑制直流偏磁加到直接接地主變系統(tǒng)后，中性點(diǎn)最大過電壓均比120 kV 短時(shí)工頻耐受電壓峰值大。通過分析3 種接地方式下主變接入不同電阻后中性點(diǎn)過電壓取值變動曲線發(fā)現(xiàn)，主變中性點(diǎn)最大過電壓和電阻均以線性方式增大，為使中性點(diǎn)最大過電壓不超出120 kV 的短時(shí)工頻耐受電壓峰值，3 種接地方式的電阻值應(yīng)控制在10 Ω、9.2 Ω和8.5 Ω 以內(nèi)。

4 主變中性點(diǎn)雷電過電壓

以采用典型多波阻抗模型的變電站桿塔塔型為研究對象，500 kV 進(jìn)線1#桿塔為SDJS-27 塔型，左右擋距分別為50 m 和340 m，接地電阻8 Ω；2#桿塔為SZS3-42 塔型，左右擋距分別為340 m 和670 m，接地電阻16 Ω。采用2.6/50 μs 的斜角雷電流波形，反擊取250 kA 發(fā)生概率0.14%的雷電流，繞擊取37.2 kA 的最大桿塔繞擊電流。變電站遭遇雷電波侵入后，在投運(yùn)設(shè)備及線路較多的情況下會發(fā)現(xiàn)較為明顯的分流，導(dǎo)致過電壓幅值下降。

根據(jù)運(yùn)行實(shí)際，且在電暈效應(yīng)的作用下，雷電波沿線路傳播速度及對變電站變壓器設(shè)備的危害等均會快速衰減。若取變電站出線第二級，即2#桿塔為雷擊點(diǎn)時(shí)過電壓不會受到抑制，故以2#桿塔為雷擊點(diǎn)展開分析。具體而言，采用改進(jìn)多波阻抗模型進(jìn)行主變進(jìn)線段繞擊波侵入后繞擊電流最大值的計(jì)算，并通過EMTP 軟件進(jìn)行主變中性點(diǎn)過電壓的仿真計(jì)算[3]。仿真結(jié)果見表4。

表4 500 kV 主變中性點(diǎn)雷電過電壓峰值仿真結(jié)果

通過表4 可以看出，雷電波侵入后主變中性點(diǎn)電壓升高幅度不明顯，且對500 kV 主變中性點(diǎn)絕緣不構(gòu)成威脅。由于220 kV主變雷電波侵入水平比500 kV 變電站低，故其主變中性點(diǎn)絕緣水平比500 kV 變電站高，所以，220 kV 主變中性點(diǎn)絕緣能承受雷電波侵入電壓的影響，故不再量化計(jì)算。

5 結(jié)束語

綜上所述，直流接地的500 kV 主變中性點(diǎn)采用電容隔直法抑制直流偏磁后，單相永久性接地故障所導(dǎo)致的過電壓位于耐壓限度范圍內(nèi)，而采用電阻限流法抑制直流偏磁后，為將過電壓控制在耐壓限度范圍內(nèi)，3 臺主變直接接地，1#和2#主變直接接地、3#主變小電抗接地，1#主變直接接地、2#和3#主變小電抗接地等3 種接地方式下，最大電阻值應(yīng)分別控制在10 Ω、9.2 Ω 及8.5 Ω 以內(nèi)。小電抗接地的500 kV 主變中性點(diǎn)采用電容隔直法或電阻限流法抑制直流偏磁后，單相永久性接地故障所造成的中性點(diǎn)過電壓均位于耐壓限度范圍內(nèi)。充分表明，電容隔直法和電阻限流法在抑制變壓器直流偏磁所引起的過電壓問題方面效果良好。