一種無源電容隔直裝置在電廠直流偏磁治理中的應用

胡振中 HU Zhen-zhong；高佳 GAO Jia

（國家電投集團江西電力有限公司景德鎮(zhèn)發(fā)電廠，景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

雅中～江西±800kV特高壓直流輸電工程起于四川省鹽源縣雅中換流站，途經四川、云南、貴州、湖南、江西5省，落點撫州東鄉(xiāng)鄱陽湖換流站，線路長度1702km，額定功率雙極8000MW，額定電流：5000A，最大過負荷電流：6000A。直流工程單極大地運行工況下，巨大的直流入地電流通過直流接地極入地，引起周邊中性點接地的大型變壓器出現(xiàn)直流偏磁的情況。

2021年5 月-6月，景德鎮(zhèn)電廠參與雅中特高壓直流工程兩輪直流偏磁測試，測試結果顯示：2021年5月14日第一輪測試在接地極入地電流1500A時，#2主變中性點直流電流18.2A，變壓器運行中噪音由72分貝增大至96分貝，變壓器運行振動明顯加大，#1主變中性點直流電流0.6A，變壓器運行噪音、振動基本無變化；當周邊廠站完成變壓器直流偏磁治理后，2021年6月16日第二輪直流偏磁測試在接地極入地電流1500A時，#2主變中性點直流電流38.2A、噪音98分貝，#1主變中性點直流電流19.2A、噪音91分貝，兩臺變壓器直流偏磁各項參數(shù)測試結果均嚴重超標。若雅中直流在滿負荷時單級運行，則入地電流將達到6000A，此時通過主變中性點的直流電流將會產生非常嚴重的直流偏磁現(xiàn)象，變壓器損壞的風險極大。

1 直流偏磁產生的原因和危害

1.1 直流偏磁產生的原因

當發(fā)生直流輸電線路存在一端接地或兩級不平衡運行方式時，一個超強的電流場會在接地極的周邊產生。不同區(qū)域，大地土壤層的電阻率會有明顯區(qū)別，由于處于不同位置，導致接地極周邊中性點接地變壓器地電位也將不同。入地電流會從地電位相對高的變壓器中性點流入變壓器三相繞組，然后通過后續(xù)線路及設備，流入地電位相對低的變壓器三相繞組，最后通過中性點流入大地，這樣一個完整的直流回路就形成了，如圖1所示。

1.2 直流偏磁的危害

當變壓器三相繞組中流過直流電流時，勵磁電流增長迅速，造成變壓器鐵芯磁通飽和。還會引起繞組、夾件、鐵芯等部件渦流損耗變大，變壓器內部油溫賀繞組溫升增加，造成局部過熱甚至破壞絕緣的情況發(fā)生，如果直流持續(xù)時間較長，會造成電力系統(tǒng)電壓降低或畸變，保護裝置誤動作的事件發(fā)生。直流電流流過變壓器線圈時，勵磁電流會明顯增大，導致變壓器運行噪音增大，并且有了諧波成分會使變壓器噪音頻率發(fā)生變化，極有可能與變壓器繞組、鐵芯、冷卻器或油箱等結構部件產生共振，導致變壓器振動增大，噪音增大。因此，直流偏磁嚴重影響變壓器的使用壽命和安全穩(wěn)定運行。

2 直流偏磁問題解決方案

我們處理直流偏磁的問題，最常用的主要有三種解決思路，有串接電阻、串接電容器和反向注入電流。

2.1 串接電阻法 在變壓器中性點與地網之間串接一個較小的電阻，流過中性點的直流電流可以通過這個電阻進行限制。這種方案不需要電源，結構簡單、成本低。這種方法最大的問題是沒能對直流偏磁現(xiàn)象進行徹底治理，只是對電流大小進行一定程度的限制。并且對串接電阻的選擇必須進行精確計算：如果串接的電阻阻值超過一定值時，會導致該變壓器中性點不能有效接地，也會對系統(tǒng)的零序參數(shù)造成影響，不利于繼保設備的穩(wěn)定性。系統(tǒng)運行方式和相關參數(shù)變化時，為更好地限制直流電流大小，需要人為調整限流電阻的阻值，靈活度不高。

2.2 反向電流注入法 我們知道改變變壓器中性點的電位，可以有效限制直流電流向變壓器中性點流入，這樣就可以通過在變壓器中性點并聯(lián)一個直流電源，這個電源電流要能實現(xiàn)在線調控。這個方法的優(yōu)點是：變壓器及其中性點系統(tǒng)沒有增加任何設備，本身系統(tǒng)沒有任何改變，不會對原系統(tǒng)和相關繼保設備定值整定產生不利影響。但是缺點也很明顯，此方法要在變壓器或廠站附近建設輔助接地極用于直流電流注入，施工工程量巨大，且由于增加了一套大容量的直流電源，設備維護工作量和成本都很大。同樣，注入電流的方法也不能完全消除直流偏磁的影響。

2.3 串接電容法 電容具有阻斷直流通交流的特性，電容型隔直裝置就是利用這一特點設計的。將一組串聯(lián)的電容器，接入變壓器中性點與地網之間，就能有效阻隔直流，這種方案原理簡單、效果良好，成為了目前抑制直流偏磁最常用、最可靠的方案。

①傳統(tǒng)有源電容隔直裝置都并聯(lián)了一個旁路裝置，用于起到及時限制電容器過電壓和過電流，保護電容器的目的。傳統(tǒng)有源電容型直流偏磁抑制裝置受電容器制作水平的限制，電容器性能的好壞與制造成本和體積大小有密切聯(lián)系，綜合考慮，容抗一般在1.2～0.1Ω范圍之間。當主變出現(xiàn)不對稱短路故障時，主變中性點故障電流可達10kA甚至更高，那么在電容接地情況下，在電容器上產生的電壓將大大超過電容器的耐壓水平。為了保證電容器的安全運行，增加了由可控硅、二極管原件等組成的過電壓、過電流保護回路等旁路模塊，隔直電容的投入和退出是通過與電容器并聯(lián)的轉換開關來來實現(xiàn)的。為了更好地實現(xiàn)整套裝置的控制，便于運行人員及管理者對設備的監(jiān)控，配置了繁瑣的電流測量和信號控制設備。綜合上述原因，有源電容型直流偏磁抑制裝置的結構、控制、運行流程均很繁雜，可靠性不高，維護成本偏高，檢修維護技術難度較大。傳統(tǒng)有源電容隔直裝置原理如圖2所示。

②一種無源電容隔直裝置采用專用隔直電容器，在體積基本不變的情況下，電容器的額定電壓1200VDC（耐壓1800VDC），電容量增大了10倍以上。為了留有一定裕度，整套隔直裝置的電容值達到130000uf以上，容抗小于0.025Ω。當故障電流為10kA時，在電容器組上產生的電壓為250V。故障電流20kA時，在電容器組上產生的故障電壓為500V，遠小于電容器的耐壓值1200V。也就是說電容器的容量增加至足夠大后，在不采用外部保護回路的情況下，已經完全可以耐受主變中性點最大故障電流的沖擊。無源電容隔直裝置可以完全擺脫外部保護回路獨立運行，取消了旁路回路和控制單元，沒有了繁瑣的旁路回路和控制單元，可靠性大大增強，可以實現(xiàn)免維護運行。無源電容隔直裝置原理如圖3所示。

③兩種電容隔直裝置的比較。

1）傳統(tǒng)有源電容型直流偏磁抑制裝置受當時電容器制作水平的限制，容抗一般在1.2～0.1Ω范圍之間。當主變出現(xiàn)不對稱短路故障時，主變中性點故障電流可達10kA甚至更高，那么在電容接地情況下，在電容器上產生的電壓將大大超過電容器的耐壓水平。為了保證電容器的安全運行，增加了由可控硅、二極管原件等組成的過電壓、過電流保護回路等旁路模塊，隔直電容的投入和退出是通過與電容器并聯(lián)的轉換開關來實現(xiàn)的；為了更好地實現(xiàn)整套裝置的控制，配置了電流測量和信號控制設備。因此，有源電容型直流偏磁抑制裝置的結構、控制、運行流程均很繁雜，可靠性不高，維護成本偏高，檢修維護技術難度較大。

2）無源電容型直流偏磁抑制裝置原理更簡單，沒有與電容器并聯(lián)的快速開關，不需要繁雜的保護回路及控制回路，取消的部分均是故障率高，維護成本高，技術難度大的地方，大大降低了日常運維成本。

為了特殊情況下保護點設備安全運行，電容器組兩端安裝了石墨球間隙放電保護，球隙距大小為1mm左右，放電電壓3000～5000V。電容器組兩端裝設了放電電阻器，以達到消除電容器組直流電壓產生的影響。

裝置采用超低容抗電容器永久接入方案，隔直電容器組采用9組電容并聯(lián)，工頻阻抗小于0.025Ω，可以完全耐受50kA以上的短路電流沖擊。由于系統(tǒng)故障時不需要快速旁路系統(tǒng)來保護電容器組，具有本質安全的可靠性。

通過對上述直流偏磁治理方法的比較，并結合直流偏磁測試的實際結果和運維成本，景德鎮(zhèn)電廠兩臺主變都選用無源電容型隔直裝置來治理直流偏磁問題。

3 無源電容隔直裝置參數(shù)選擇

根據GB/T 1904.23-2019《電力變壓器第23部分：直流偏磁抑制裝置》的規(guī)定要求，變壓器中性點所裝設電容式隔直裝置電容在系統(tǒng)額定頻率50Hz下，容抗值一般≯1.2Ω。對市場上的隔直裝置及電網公司已安裝的隔直裝置調研發(fā)現(xiàn)，電容型隔直裝置一般采用33000uF及66000uF兩種容值規(guī)格，通過計算公式容抗：Xc（Ω）=1/2πfC得知，兩種容值對應的容抗分別為0.1Ω和0.05Ω。經咨詢調度保護處和設計院，中性點處增加電阻3Ω以下時對中性點接地電流及保護定值等影響較小，可基本忽略。但由于66000uF電容型隔直裝置與33000uF裝置相比較，容值增加一倍，裝置整體價格增加約25%，裝置體積約增加20%。電容值越大，整體裝置的尺寸和投資費用均會增加，因此綜合比較可得，景德鎮(zhèn)電廠兩臺主變選用電容值不低于33000μF的電容式隔直裝置。

4 直流偏磁治理效果驗證

景德鎮(zhèn)電廠完成兩臺主變隔直裝置接入后，于2021年6月19日參與雅中特高壓直流工程第三輪直流偏磁測試，此次測試完成了雅中直流江西側額定入地電流下的直流偏磁測試，入地電流最高為5000A。在5000A入地電流下，景德鎮(zhèn)電廠兩臺主變運行狀況良好，對變壓器中性點直流電流幾乎無任何影響，變壓器噪聲、振動、繞組溫升等各項參數(shù)均正常。#1、#2主變通過加裝無源電容隔直裝置，達到了直流偏磁治理的良好效果。景德鎮(zhèn)電廠兩臺主變直流偏磁治理前、后測試數(shù)據分別見表1、表2。

表1 直流偏磁治理前數(shù)據

表2 直流偏磁治理后數(shù)據

5 總結

雅中特高壓直流輸電工程投產運行后，中性點直流偏磁問題對周邊區(qū)域變壓器的影響會日益突出，受影響的變壓器必須及時進行直流偏磁治理。本文通過對比幾種抑制直流偏磁方案的優(yōu)缺點，景德鎮(zhèn)電廠最終采用無源電容隔直裝置，該裝置在隔離效果、成本、安全性、穩(wěn)定性等達到了最優(yōu)效果。通過多次試驗測試，在變壓器中性點處安裝無源電容隔直裝置，能有效解決直流偏磁對主變的不利影響，提高了電廠及周邊系統(tǒng)的安全可靠性。