抑制变压器直流偏磁风险的新构思

抑制变压器直流偏磁风险的新构思

郝桂芹

广州市电力工程设计院有限公司

摘要：变压器直流偏磁的抑制措施是治理直流输电对交流电网不利影响的重要手段。本文从分析现有的常规抑制方法出发，从均衡地表电位的角度提出抑制变压器直流偏磁风险的新构思。采用分布式接地极可以在一定的程度上均衡地表电位从而缓解直流偏磁危害。

关键词：直流输电；直流偏磁；抑制措施；分布式接地极；均衡地表电位

1  前言

在我国直流输电工业蓬勃发展的今天，直流输电在非正常工况下的高幅值入地电流给交流电网内变压器带来了严重的直流偏磁危害，造成变压器谐波、振动、噪声和过热等问题，对变压器本体、继电保护设备和无功电容器造成严重的影响[1-2]。

入地直流电流引发变压器直流偏磁危害，故目前研究偏重于直流分布机理模型与仿真分析，研究结论认为过高的大地电阻率和庞大的交流电网是变压器直流偏磁危害的成因[3]。采用抑制是治理变压器直流偏磁危害的最有效途径。目前以变压器中性点串联电阻[4]/电容[5]方法、变电站接地网注入直流电流[6]等方法最为常见。这些治理方法在取得良好应用效果的同时，也存在对交流电网内其他变电站的不利影响：如某一站点采用抑制措施后，与之有线路连接的变电站可能会出现变压器中性点直流电流增大的现象[7]。尽管如此，交流电网总体的直流电流分布在采用抑制措施后仍显现总体下降趋势。

目前抑制措施仍然存在一定的局限性：变压器中性点串联抑制设备是单体方法，一台变压器需要对应一套设备，变压器中性点串联设备的制造和维护的成本巨大。同样地，电流注入法是电位补偿方法，虽然一个变电站对应一套电流注入设备，但是其制造和维护的投资也是十分巨大的。

本文先对直流偏磁的常规抑制手段作补充分析，进而从直流极和变压器直流磁动势的角度探讨抑制变压器直流偏磁风险的新构思。

2  常规抑制措施的补充

除去变压器中性点电阻/电容法、电流注入法外，其他的常规抑制方法主要有：变压器经小地网接地[9]

2.1 变压器经小地网接地

变压器经小地网接地方法的原理图如图3所示。图3中，变压器T中性点直接连接到小地网G1，G1经由开关S1和S2连接到变电站的主接地网G2。正常工况下S1和S2闭合，当变压器直流偏磁时，开关S1和S2断开，此时变压器经由G1接地，相当于增大了接地电阻，从而起到限制变压器绕组直流电流的作用。变压器经小地网接地方法不是一种安全的方法：如果G1和G2断开连接，在电力系统发生不对称短路故障的时候，无论是站外故障还是站内故障，变压器T提供的短路电流分量将全部入地，此时小地网上很可能产生超标的电位升高、跨步电势和接触电势，所以本方法不具有现场应用的价值。

图1变压器经小地网接地方法

2.2小结

上述介绍常规抑制构思存在明显的技术经济缺陷，不能取得良好的现场应用效果。这反映了常规手段进行了深度的挖掘，已经难以进得技术方面的新突破。

3  新式抑制方案

新式抑制方案：均衡地表电位。

3.1 均衡地表电位

均衡地表电位方法：分布式接地极。

分布式接地极[10]是一种新式直流接地极，分布式接地极由数个3.1.1 接地极优化选址

接地极优化选址就是在接地极的设计阶段按当前的交流电网网络参数和地理位置，选取一个合理的接地极极址，使交流电网内变压器的直流偏磁风险最低。在具体变压器铁芯参数未知的情况下，一般可以按绕组直流电流最小来作为接地极优化选址的目标函数。

接地极优化选址的求解过程可分为如下步骤：

步骤一：搜集计算参数，包括交流电网的网络信息和地理位置信息。

步骤二：建立变压器绕组直流电流分布的计算模型。

步骤三：以接地极选址范围作为约束条件，再以变压器绕组直流电流最小作为目标函数，采用优化方法求解接地极的最优极址。

接地极优化选址的最大优势在于其充分利用了现有的接地极选址方案，在实际中有较高的操作可行性。但是接地极优化选址的缺点同样突出：新建变电站有可能在优化选址的位置附近，这就在一定程度上影响优化选址的效果，所以优化选址的适用性并不强。

3.1.2 分布式接地极

位于不同地点的子接地极构成，子极再经由馈流线路按照一定的顺序连接起来，从而形成一个覆盖广大区域的散流系统。分布式接地极的方案示意图见图4。图4中，分布式接地极由四个子极D1–D4组成，连接D1–D2的馈流线路为L12，相应地有其他的馈线L23，L34。两个直流输电工程HVDC1和HVDC2分别经由线路L1和L2接入到D2和D3。

图2分布式接地极示意图

由于分布式接地极不再使用单一的直流极极址，而是灵活地把子极分布于不同的地区，这有利于均衡大范围地区的地表电位。分布式接地极最大的特点是灵活，特别适用于多回直流输电同时接入的情况。直流输电工程的换流站只需要就近接入子极即可，且分布式接地极的接地性能更优，可以承受更高幅值的直流入地电流，新建子极接入时不影响现有的电网运行。下面以最近我国某特高压直流输电工程为例，说明分布式接地极与传统接地极造成变压器直流偏磁风险方面的差异。仿真对象为我国东部沿海某省级电网，直流输电入地电流为5000A。电网和直流极的地理信息接线图见图5，图5(a)为500kV系统与接地极的地理信息接线图，图5(b)为220kV和110kV系统与接地极的地理信息接线图。

仿真时对大地电阻率如表1所示，5000A的直流电流从接地极注入，计算交流电网内变压器绕组上的直流电流分布，结果见表2。分布式接地极的四个子极位于图6所示的P1-P4，P1与P2的距离为33.25km，P2与P3的距离为19.5km。原极址位于矩形区域的中间。考虑三种情况：(a) 接地极位于原极址；(b) 接地极优化选址；(c) 分布式接地极。

(a) 500kV系统与接地极相对位置

(b)220kV和110kV系统

(b) the 220kV and 110kV network

图3电网地理信息示意图

图4分布式接地极示意图

表1水平五层土壤参数

Tab1oil

表2使用分布式接地极前后各站中性点电流对比

由表2可见，使用分布式接地极后，不仅使得超限变压器的中性点电流得到大幅降低，而且在系统范围内改善降低了变压器直流偏磁的风险，改善直流工程单极大地运行时系统内变压器的运行状况。接地极在矩形区域的P2点时，单一接地极取得最佳的限制直流分布危害效果，自耦变直流电流下降53.89%，其他变压器的直流电流下降42.07%。而采用分布式接地极后，自耦变直流电流下降49.74%，其他变压器的直流电流下降31.65%。

分布式接地极的效果虽然不及单一直流极的优化选址，但其适用明显优于单一直流极的优化选址。新建变电站受分布式接地极的影响的情况较单一直流极的优化选址要少。分布式接地极还解决了多回直流输电同时单极大地运行时的传统接地极技术瓶颈，使用分布式接地极后，多回直流输电工程同时单极大地运行情况下，有50%的概率会出现不同直流输电工程入地电流在馈线上相互抵消，即使是不同直流输电工程入地电流同极性，分布式接地极由于其出色的接地性能，可以克服高幅值入地电流带来的接地极温升和跨步电势的问题[11]。

分布式接地极目前最大的问题在于其设计和建设。由于目前分布式接地极还是处于构思阶段，还不具备系统的设计能力，子极位置勘探选取址[12]、接地设计、子极连接方式和换流站接入方式[10]等问题均有待解决。在建设方面，馈流系统需要架设架空线路，这加大了建设成本。目前也有待开展针对分布式接地极的技术经济性的研讨。

3.2小结

均衡地表电位法具有一定的技术先进性和可行性。

4  结论

(1) 除了现有的常规抑制方法外，变压器中性点经由小地网接地等方法存在明显的不足，无法在实际中应用。

(2) 探讨从均衡地表电位的角度出发提出抑制变压器直流偏磁风险的新构思。采用分布式接地极可以在一定的程度上均衡地表电位从而缓解直流偏磁危害

参考文献

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[12]中华人民共和国国家发展和改革委员会. DL-T-5224-2005-高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定[S], 北京: 中国电力出版社, 2005: 1-100.