共用接地極運行對周圍變壓器偏磁影響研究

劉從法，劉翰柱，肖應華，蔡文杰，魏德軍

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610056；2.中國南方電網(wǎng)有限公司超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明 650200)

0 引言

在直流輸電系統(tǒng)中，接地極必不可少。當直流電流串入變壓器后，超限的電流會使變壓器發(fā)生直流偏磁[1-4]。導致變壓器勵磁電流中存在直流分量，造成磁化曲線異常。導致變壓器溫度升高、損耗增加以及噪聲增大等問題，嚴重時甚至損壞變壓器，影響電力系統(tǒng)安全運行[5-13]。

本文論述±800 kV烏東德直流工程昆北換流站和±500 kV云貴互聯(lián)工程祿勸換流站的共用接地極與周邊的±800 kV云廣直流工程楚雄換流站接地極同時運行時，對共用接地極周圍電力變壓器進行偏磁研究。在實測土壤模型的條件下，對周圍變壓器偏磁電流分布情況進行計算分析。同時，結(jié)合變壓器直流偏磁耐受電流和評估標準，來分析變壓器是否發(fā)生偏磁，根據(jù)偏磁情況提出相應的治理方案和措施。

1 直流偏磁影響機理及治理標準

1.1 直流偏磁原理

接地極電流經(jīng)過深層土壤進行擴散后，通過接地的中性點流入變壓器，并經(jīng)輸電線路、終端變壓器等構(gòu)成回路，直流接地極入地電流串入交流系統(tǒng)示意如圖1所示。

分析直流偏磁電流，需確立計算模型。根據(jù)獲取的地表電位，交流系統(tǒng)的線路長度、導線型號、變壓器接地電阻等參數(shù)，來計算得到變壓器直流電流。然后再結(jié)合交流系統(tǒng)的電阻網(wǎng)絡，建立直流接地極入地電流分布的場路耦合模型。

1.2 變壓器直流偏磁的主要影響因素

影響直流偏磁的因素主要有變壓器的相對位置、交流網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、大地土壤電阻率以及變壓器類型等[14-15]。

1.3 變壓器的直流偏磁耐受電流取值

關(guān)于變壓器直流偏磁電流的評估標準，目前尚無非常權(quán)威的數(shù)據(jù)，實際工程中取值各異。

依據(jù)文獻 [16-17]規(guī)定，變壓器每相繞組的允許直流電流為：單相為0.3%Ie，三相五柱式為0.5%Ie，三相三柱式為0.7%Ie。

而《南方電網(wǎng)公司反事故措施(2018版)》(南方電網(wǎng)生技〔2018〕24號)第2.1.7條規(guī)定：110 kV及以上變壓器配置直流偏磁抑制裝置要求，500 kV變壓器運行中實測中性點直流偏磁電流每相10 A， 110 kV和220 kV變壓器運行中實測中性點直流偏磁電流每臺10 A。

綜上，本工程共用接地極按照《南方電網(wǎng)公司反事故措施(2018版)》治理標準執(zhí)行。見表1所列。

表1 直流偏磁電流治理標準

2 實測土壤電阻率模型下的直流偏磁分析

2.1 共用接地極土壤電阻率

相對接地極本體尺寸而言，接地極與周圍變壓器的距離相對較遠，屬于大范圍的電場分布問題。因此，在計算評估接地極入地電流對周圍變壓器影響時，采用深層土壤電阻率進行分析計算[18-20]。

本文共用接地極土壤分層采用表2所示的實測土壤電阻率模型。

表2 共用接地極土壤電阻率模型

2.2 共用接地極簡述

本共用接地極為兩個不同電壓等級直流工程共用，其系統(tǒng)條件為額定電流±800 kV的昆北換流站5 000 A，過負荷電流為5 318 A；±500 kV的祿勸換流站3 000 A，過負荷電流為3 786 A；共用接地極雙極不平衡電流為45 A。

根據(jù)系統(tǒng)條件、土壤電阻率以及接地極區(qū)域地形條件等，共用接地極采用雙環(huán)跑道型布置，內(nèi)、外環(huán)直線段為480 m，內(nèi)環(huán)半徑為120 m、外環(huán)半徑170 m。電流通過電纜以及饋電元件連接后導入大地。

2.3 地表電位分布、電場分布及電流密度計算

1)在入地電流取5 333 A(含昆北換流站2 h最大過負荷電流5 318 A及祿勸換流站不平衡電流15 A)的情況下，根據(jù)表2，計算得到接地極半徑方向的地表電位分布、電場分布及電流密度如圖2～圖4所示。

圖2 接地極2～50 km地表電位分布曲線 (入地電流5 333 A)

圖4 接地極2～50 km電流密度分布曲線 (入地電流5 333 A)

2)在入地電流取5 015 A(含昆北換流站額定電流5 000 A及祿勸換流站不平衡電流15 A)的情況下，根據(jù)表2，計算得到接地極半徑方向的地表電位分布、電場分布及電流密度如 圖5～圖7所示。

圖3 接地極2～29 km電場分布曲線 (入地電流5 333 A)

圖5 接地極2～50 km地表電位分布曲線 (入地電流5 015 A)

圖6 接地極2～29 km電場分布曲線 (入地電流5 015 A)

圖7 接地極2～50 km電流密度曲線 (入地電流5 015 A)

評估直流接地極對周圍變電站直流偏磁的影響時，計算時應考慮的交流電網(wǎng)范圍至少應包括地表電位升大于3 V的區(qū)域[15-16]。由共用接地極地表電位分布計算結(jié)果，在最大過負荷電流5 333 A下，距離共用接地極24 km處的地表電位降為3 V。將該接地極周圍云南省境內(nèi)的全部中性點有效接地(即110 kV及以上)變電站、電廠納入計算范圍之中，有220 kV倘甸變、220 kV尋板橋、110 kV德卡變和220 kV清水海變電站共4個站。3 V范圍以內(nèi)及與其在電氣上相關(guān)聯(lián)的變電站網(wǎng)絡模型示意圖如圖8所示，其計算結(jié)果見表3所列。

圖8 3 V范圍內(nèi)變電站網(wǎng)絡模型示意圖

表3 3 V范圍(24 km)變電站網(wǎng)絡計算結(jié)果

2.4 直流偏磁電流計算

通過建立共用接地極對周圍交流電網(wǎng)影響計算模型，計算得到各變電站總?cè)氲仉娏饕姳?所列。對比圖8可以看出，距離接地極較近處的中性點入地電流相對較高，較遠處的入地電流相對較低，但入地電流大小與距離并不直接成正比，還取決于該方向上的線路參數(shù)。

由以上計算結(jié)果可以看出，110 kV德卡變實際運行時中性點不接地，可不予考慮直流偏磁問題；220 kV尋甸板橋站、220 kV清水海站和220 kV倘甸站變壓器中性點入地電流低于評估 標準。

3 共用接地極疊加單一接地極運行工況偏磁分析研究

因在該共用接地極附近約18 km處有±800kV云廣直流工程楚雄換流站接地極,該接地極入地直流額定電流為3 125 A，不平衡電流為31.25 A，若單獨考慮本接地極的偏磁影響是不夠的。因此，仍需研究多個接地極同時運行工況對周圍變電的影響。

1)運行方式一

共用接地極的入地直流為額定電流5 015 A(含昆北換流站額定電流5 000 A及祿勸換流站不平衡電流15 A)，疊加的楚雄換流站接地極入地直流為額定電流3 125 A，在這種情況下，極址周圍變電站的變壓器中性點直流電流分布計算結(jié)果如表4、圖9所示。

圖9 運行方式一接地極周圍電網(wǎng)直流分布

表4 運行方式一云南直流偏磁計算結(jié)果匯總表

由以上計算結(jié)果可以看出，220 kV倘甸變(變壓器中性點入地電流10.09 A)超過評估標準，建議裝設1套隔直裝置。

2)運行方式二

共用接地極的入地直流取5 333 A(含昆北換流站2 h最大過負荷電流5 318 A及祿勸換流站不平衡電流15 A)，疊加的楚雄換流站接地極的入地直流為不平衡電流31.25 A，在這種情況下，極址周圍變電站的變壓器中性點直流電流分布計算結(jié)果如圖10、表5所示。

表5 運行方式二云南直流偏磁計算結(jié)果匯總

圖10 運行方式二接地極周圍電網(wǎng)直流分布

由以上計算結(jié)果可以看出，各變電站中性點入地電流均低于評估標準。

根據(jù)直流偏磁風險評估原則，考慮最嚴重情況，即共用接地極疊加楚雄換流站接地極同時以單極大地運行方式時，除220 kV倘甸變外，共用接地極周圍所有變壓器的直流偏磁電流并沒有超限。

但由于接地極對周圍變壓器的直流偏磁影響與大地參數(shù)等諸多因素有關(guān)，最終需根據(jù)直流偏磁電流實測情況并結(jié)合變壓器發(fā)熱、噪聲等綜合考慮。

4 直流偏磁治理方案和抑制措施

直流偏磁的治理方案有多種，目前主要采用電容隔直法、串阻限流法以及反向電流注入法等，目前前兩者在工程應用中相對成熟。結(jié)合國內(nèi)接地極工程對直流偏磁的治理經(jīng)驗，一般優(yōu)先采用隔直方案進行偏磁治理。

根據(jù)上述計算，在實測土壤電阻率模型下，有 1個站超標。因此，對該變電站采取加裝隔直裝置的方式進行直流偏磁治理。

5 結(jié)論

通過對共用接地極周圍中性點有效接地的變電站、輸電線路進行建模，對變壓器直流偏磁電流分布、電位分布以及電場分布進行了計算分析，主要結(jié)論如下：

1)在實測土壤電阻率模型下，選取深層土壤電阻率，通過計算分析，共用接地極在疊加單一接地極的工況下對周圍變壓器的影響較小，僅1個220 kV倘甸變接近直流偏磁治理標準。

2)不同的接地極運行工況下，直流偏磁的影響結(jié)果不同，變壓器偏磁影響與中性點入地電流有關(guān)。

3)采用的實測土壤模型計算結(jié)果為工程建設提供了依據(jù)，但考慮到實測土壤模型與實際土壤的差異，直流偏磁分析應根據(jù)電流分布、電位分布和電場分布的實際值并結(jié)合變壓器發(fā)熱、噪音等綜合考慮，加裝隔直裝置以接地極投運后的實測值為準。