變壓器中性點(diǎn)直流電流影響及抑制措施

陳賢

摘 要：高壓直流輸電單極大地回路運(yùn)行產(chǎn)生的地電流流過(guò)變壓器中性點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致變壓器直流偏磁，引起變壓器局部過(guò)熱、振動(dòng)加劇、噪聲增大等不良反應(yīng)。本文主要針對(duì)變壓器中性點(diǎn)中直流電流的影響作出研究與分析，并介紹了幾種抑制措施。

關(guān)鍵詞：變壓器；中性點(diǎn)；直流電流；影響；措施

隨著我國(guó)電力行業(yè)的迅速發(fā)展，大容量、長(zhǎng)距離的高壓直流輸電成為解決現(xiàn)代電力需求矛盾的主要辦法。在直流電雙極不平衡方式或者單級(jí)大地回路方式運(yùn)行時(shí)，在大地中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電流過(guò)大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，尤其是會(huì)出現(xiàn)變壓器直流偏磁，這會(huì)大大增加變壓器的功率消耗，對(duì)變壓器正常運(yùn)行也有著巨大的影響，從而導(dǎo)致保護(hù)措施誤判現(xiàn)象，這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)諧波升高，會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備出現(xiàn)一些運(yùn)行不正?，F(xiàn)象。從而直接影響到變電站、發(fā)電廠的安全運(yùn)行[1]。因此，由直流電流引起的變壓器直流偏磁成為電力系統(tǒng)急需研究解決的問(wèn)題。

1 變壓器中性點(diǎn)直流電流的形成與影響

在我國(guó)高壓直流輸電的幾乎都是雙極中性點(diǎn)單端接地方式的系統(tǒng)。雖然正常運(yùn)行時(shí)兩極電流相等，地回路中的電流為零，但是只要是運(yùn)行過(guò)程中兩極的電流不相等（采用單極運(yùn)行、雙極電壓對(duì)稱(chēng)電流不對(duì)稱(chēng)或者雙極電流電壓均不對(duì)稱(chēng)方式運(yùn)行），接地極都會(huì)有電流流過(guò)，在直流輸電線路和大地間形成回路。在我國(guó)，110kV及以上電壓等級(jí)系統(tǒng)中性點(diǎn)采取直接接地。如果出于不同地點(diǎn)的變電站的中性點(diǎn)電位被不同程度的抬高，則直流電流將通過(guò)大地和交流線路，由一個(gè)變壓器中性點(diǎn)流入，在另一個(gè)變壓器中性點(diǎn)流出[2]。其中流經(jīng)兩臺(tái)中性點(diǎn)接地的變壓器的直流電流分量，這主要在于變壓器所在的電位，還電站的電阻等多種因素，當(dāng)直流電流不斷增大，流過(guò)了變壓器達(dá)到一定程度的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)鐵芯磁飽和的現(xiàn)象，這會(huì)對(duì)電流流動(dòng)的時(shí)候出現(xiàn)畸變，這是導(dǎo)致變壓器發(fā)生偏磁原因之一。大陸有很多直流輸電接地極額定電流超過(guò)3KA，這會(huì)影響周邊附近一些變壓器的正常工作。

變壓器中性點(diǎn)流入直流電流時(shí)，這會(huì)產(chǎn)生如圖1所示情況，直流偏磁的勵(lì)磁特性曲線具體情況。圖1（a）的曲線主要是鐵芯磁通曲線，圖1（b）為變壓器磁化曲線，圖1（c）為勵(lì)磁電流曲線。從圖中可以看出，直流分量是繞道而行的，并不是直接通過(guò)電阻進(jìn)行的，勵(lì)磁電流波形將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變，且畸變程度會(huì)隨著鐵芯飽和程度的加深而愈發(fā)嚴(yán)重[3，4]。

2 變壓器中性點(diǎn)直流電流的解決措施

國(guó)內(nèi)外都做了很多關(guān)于抑制變壓器中性點(diǎn)電流的研究。為了抑制地中電流從變壓器中性點(diǎn)流入而對(duì)壓器造成危害，提出了在變壓器中性點(diǎn)與地網(wǎng)之間增加防范措施，其思路大致有三種：一是在變壓器中性點(diǎn)串入電容，利用電容的隔直特性使得直流無(wú)法流入；二是在變壓器中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)反方向的一些直流電流，這種電流會(huì)對(duì)弱地中的一些電腦變壓器產(chǎn)生一定的偏磁現(xiàn)象，三是能夠在變壓器中串聯(lián)一些阻值比較小的電阻，把中性點(diǎn)流入的直流限制到工程上可以接受的程度。目前國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)中有些變電站的變壓器中性點(diǎn)上已裝上了反方向注入電流裝置和電容隔直裝置。

2.1 主變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)電容隔直裝置

電容隔直裝置的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。本裝置主要由電容器、機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)和快速旁路回路三者并聯(lián)組成，接于變壓器中性點(diǎn)和地之間。在沒(méi)有直流電流流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)時(shí)，機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)為合上位置。當(dāng)檢測(cè)到流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的直流電流超過(guò)限值時(shí)，機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)，將電容器串入變壓器中性點(diǎn)與地網(wǎng)之間，利用電容“隔直通交”的特點(diǎn)，有效隔斷流過(guò)變壓器中性線的直流電流。一旦檢測(cè)到流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的交流電流超過(guò)限值或者電容器組兩端電壓超限時(shí)，裝置控制器即判斷為交流電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)短路故障，晶閘管立即觸發(fā)導(dǎo)通，同時(shí)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)為合上位置，保證變壓器中性點(diǎn)可靠接地。電容隔直裝置的優(yōu)點(diǎn)是為無(wú)源方式，安全性較高，隔直效率高，對(duì)系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響很小，與直流注入法比較，運(yùn)行維護(hù)方便。

2.2 反方向注入電流法

反方向注入電流法是指在變壓器中產(chǎn)生反方向的直流電流，以抵消或削弱地中直流流入變壓器產(chǎn)生的偏磁，反向直流電源一般放置在變電站里的主要接地網(wǎng)和遠(yuǎn)方接地極內(nèi)，主要檢測(cè)流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的電流值及方向，從而得出具體數(shù)據(jù)與資料，控制直流電源的輸出和和它相像的反向直流電，使流經(jīng)電壓器中性點(diǎn)的電流值得到減小。反向直流電源中限制流電抗器的主要作用是讓交流電網(wǎng)側(cè)的差異與不對(duì)稱(chēng)的短路電流流經(jīng)該裝置時(shí)下降，主要以遠(yuǎn)方地極提供裝置輸出的直流電作為返回的方式。反向直流電源還有很強(qiáng)的監(jiān)控功能，安裝過(guò)程和運(yùn)轉(zhuǎn)非常方便簡(jiǎn)單。但在使用反向直流電源的裝置時(shí)還要考慮到一系列問(wèn)題，比如說(shuō)交流電壓對(duì)直流電源的影響以及直流電源需要使用什么補(bǔ)償效率等等問(wèn)題。反向直流電源裝置示意如圖3所示[6]。

2.3 中性點(diǎn)串聯(lián)電阻

中性點(diǎn)串聯(lián)電阻即在變壓器中性點(diǎn)和地之間串入一定阻值的電阻，這可以讓一些中性點(diǎn)處的電流減小，最后減小到工程項(xiàng)目中可以完全接受的程度，如圖4所示[7]。在串聯(lián)電阻當(dāng)中我們可以將直流電腦的分布進(jìn)行合理改變，這樣改變是可以將電流的超標(biāo)程度進(jìn)行減小，最終的目的就是達(dá)到偏磁的目的。電阻串入的同時(shí)，變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電位也隨之升高。因此，串聯(lián)電阻值是很低的，但是具備很大容量的特點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)也就具有幾個(gè)簡(jiǎn)單的歐姆。另外，變壓器中的絕緣能力也經(jīng)過(guò)一些工作人員進(jìn)行了核算。中性點(diǎn)串聯(lián)電阻最大的好處就是有效改變了系統(tǒng)的阻抗能力，所以，自動(dòng)化裝置需要保護(hù)，也需要重新核算。

3 結(jié)語(yǔ)

高壓直流輸電單極大地回路運(yùn)行產(chǎn)生的地電流會(huì)導(dǎo)致變壓器直流偏磁，干擾變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前抑制流入變壓器中性點(diǎn)的直流量相關(guān)措施的研究主要有3種，即串接電容、注入電流法、串接電阻。電力企業(yè)在選擇接地極址時(shí)，應(yīng)論證直流接地極電流是否對(duì)交流電力變壓器產(chǎn)生磁飽和影響，并應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行方式采取適當(dāng)?shù)囊种拼胧?，限制變壓器中性點(diǎn)的直流水平。本文對(duì)電力企業(yè)的發(fā)展具有指導(dǎo)性意義，增強(qiáng)了電力企業(yè)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，讓企業(yè)得到更快、更好的發(fā)展。

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