城市地區(qū)主變直流偏磁研究與處理

蔡茂，李佳，彭卿，朱磊，彭平

(1．國網長沙供電公司，湖南 長沙 410000； 2．國網湖南省電力科學研究院，湖南 長沙 410000)

城市地區(qū)主變直流偏磁研究與處理

蔡茂1，李佳1，彭卿1，朱磊1，彭平2

(1．國網長沙供電公司，湖南 長沙 410000； 2．國網湖南省電力科學研究院，湖南 長沙 410000)

主變直流偏磁會降低主變運行的穩(wěn)定性及壽命。通過對一起實際案例分析研究，結合大量實際測量數據，明確了地鐵雜散電流是城市電網主變壓器直流偏磁的主要原因之一。研究采用一種新型電容隔直裝置，并在實際投運過程中提出隔直裝置標準接入和不停電接入兩種方式，實際運行效果良好，可解決城市地區(qū)主變直流偏磁的問題。

直流偏磁；地鐵雜散電流；電容隔直；變壓器中性點；主變噪聲

0 引 言

隨著城市地鐵項目和特高壓直流項目的加快建設，地鐵和特高壓直流線路的運營給城區(qū)電網帶來了一定的影響。地鐵雜散電流以及特高壓直流系統接地極流過較大電流可能導致城區(qū)電網主變壓器中性點出現超過變壓器直流承受能力上限的直流分量，這些直流產生的磁通將可能造成變壓器鐵芯嚴重飽和，勵磁電流高度畸變，產生大量諧波，變壓器無功損耗增加，使系統無功補償裝置過載或系統電壓下降[1]，同時會引起變壓器噪聲和振動，變壓器鐵心、螺栓、外殼等處過熱，局部溫升增大，破壞絕緣，變壓器金屬結構件損耗增加，降低使用壽命，甚至有可能導致變壓器損壞[2-5]。因此，研究主變直流偏磁現象，消除直流偏磁給變壓器帶來的負面影響，對于地區(qū)電網的安全穩(wěn)定運行有著重要的現實意義。

文獻[6]對特高壓直流單極大地回線運行方式下換流站接地極附近的中性點接地變壓器上產生直流分量的現象進行建模分析，得出抑制流入變壓器中性點直流電流的最優(yōu)方法是在變壓器中性點串聯電容。文獻[7]介紹了城區(qū)直流偏磁產生的機理，詳細介紹了地鐵閑散直流產生的機理，并介紹了6種主要的直流偏磁防治措施，并對方案進行了優(yōu)選分析。文獻[8]介紹了一種串接電阻限制變壓器中性點直流的方法，但中性點電阻改變了交流系統零序阻抗，使用時需考慮保護配置的整定值。文獻[9]介紹了一種動態(tài)電壓恢復器注入變壓器的直流偏磁抑制策略，但僅在理論研究階段，工程中并未有實際應用。

本文通過對長沙電網主變直流偏磁現象發(fā)現的過程進行梳理，對主變中性點直流實際測量實驗數據分析，分析出長沙電網主變中性點直流分量產生的原因。同時結合地區(qū)電網的實際情況，研究采用一種新型電容隔直裝置，在投運過程中提出標準接入方式和不停電接入方式，并提出電容隔直裝置接入和退出原則，分析了電容隔直裝置對繼電保護的影響。

1 案例情況

2015年11月24日后，陸續(xù)發(fā)現長沙電網中地鐵2號線附近變電站有多臺主變存在噪聲增大現象，其中220千伏某變電站#1主變(中性點接地)最為嚴重。2015年12月08日開始，通過開展在線局放特高頻檢測、紅外測溫、噪聲測量、油色譜檢測，諧波測試等。發(fā)現其大蓋螺栓發(fā)熱，其中最嚴重的熱點溫度達到183 ℃。噪聲超標，超聲幅值隨異響而變化，具備機械振動特征，但不具備局部放電特征。

12月15日進行了某變電站兩臺主變中性點接地方式的互換，即改為#2主變中性點接地，#1主變中性點與地斷開，隨后進行了噪聲復測，其中#1主變噪聲分貝大副下降，#2主變噪聲明顯增大。

12月16日進行了#2主變高、中壓側中性點接地電流的測試，中壓側交流、直流分量均穩(wěn)定，高壓側交流穩(wěn)定，直流隨噪聲而變化，主要由大地流向變壓器，最大值達到15 A。

220千伏某變電站距地鐵2號線直線距離4.6 km左右。從地理位置上分析，出現中性點直流分量的變電站與地鐵線接地體間距離較近，過渡電阻很小，地鐵雜散電流具備流入變電站接地網的條件。2016年5月，長沙地鐵1號線試運行，距地鐵1號線直線距離1.1 km左右的220千伏某變電站接主變壓器(中性點接地)出現類似隱患，異常聲響達86.5 dB，中性點直流電流最大值達44 A。

2 原因分析

該變電站主變噪聲異常升高是該地區(qū)首次出現類似情況，公司立刻組織相關單位進行主變噪聲原因分析，先后做了主變鐵芯夾件電流、油色譜分析測試、超聲波局部放電檢測、諧波測試等試驗。試驗結果表明主變鐵芯及夾件無多點接地現象，并同時排除變壓器內部存在局部放電的可能，并證明流過#1主變高-中-低壓繞組的少量諧波電流對#1主變的噪聲可能會產生一定的影響，但諧波并不是導致#1主變出現噪聲異常升高的主要原因。

圖1 #1主變正常運行時噪聲測量值

圖2 #1主變異常聲響增大時噪聲測量值

圖3 #2主變正常運行時噪聲測量值

隨后進行現場噪聲檢測，#1主變中性點接地，#2主變中性點不接地，測量位置及數據如圖1～圖3所示(單位為分貝-dB)，每個測點的位置均在離地面高度約1.5米處，離變壓器器身約1.0米處。

上述結果可以看出正常運行時#1主變的噪聲明顯大于#2主變，#1主變異常聲響增大時噪聲測量值同樣增大明顯。

進行兩臺主變中性點接地方式的互換(即改為#2主變中性點接地，#1主變中性點與地斷開)后發(fā)現主變異常聲響隨中性點倒換而發(fā)生改變，始終為中性點接地變壓器存在異響。12月19日至21日，長沙公司對#1、#2主變3天連續(xù)跟蹤測試結果如圖4所示。根據連續(xù)三天的跟蹤測試，#1主變噪聲基本保持平穩(wěn)，#2主變噪聲表現出基本一致的規(guī)律：晚上00∶20左右噪聲明顯下降，早上5∶15左右噪聲明顯增大，與地鐵運營時間規(guī)律基本一致。

圖4 12月19日至21日噪聲連續(xù)測試結果

為此公司立刻組織人員對主變中性點接地交、直流進行測量(測量結果見表1)。

高壓側中性點直流電流幅值與異常聲響大小變化有相似規(guī)律。一小時檢測時間內最大達15 A，交流電流穩(wěn)定在1.9 A左右；中壓側中性點無直流電流，交流電流穩(wěn)定在1.6 A左右。查閱相關資料，該變壓器每個繞組允許流過最大直流電流值為2.3 A(額定電流的0.5%)，為此可基本確定該主變噪聲異常升高的原因是地鐵雜散電流流經主變中性點，從而導致了主變直流偏磁現象的發(fā)生。經過對該變電站周邊負荷進行排查，排除了整流設備的運行導致變壓器發(fā)生直流偏磁的原因。

紅外熱成像檢測過程中，發(fā)現#1主變第23片散熱片對應的大蓋螺栓處最高溫度可達183 ℃,如圖5所示。

表1 主變中性點接地交、直流測量

圖5 #1主變大蓋螺栓發(fā)熱圖

2016年3月26日，在對#1主變進行吊罩檢查后發(fā)現，現場紅外發(fā)現的大蓋螺栓發(fā)熱是由于漏磁經過螺栓感應形成的電流導致。同時發(fā)現絕緣相間墊塊有不同程度的竄位，高壓繞組縱向壓力失穩(wěn)，如圖6所示。如果此時變壓器遭受短路故障沖擊，將造成繞組損壞事故。

圖6 主變吊罩檢查圖片

研究分析整個過程，可以得出該變電站#1主變噪聲增大是由于中性點直流偏磁造成。同時主變長時間直流偏磁導致變壓器內部存在相絕緣撐條、相端部墊塊有不同程度的竄位，主變大蓋螺栓處局部過熱。而通過對周邊工業(yè)負荷的排查，排除直流負荷源的影響。為此長沙電網主變壓器直流分量過高的直接原因是城市地鐵雜散直流電流侵入城市電網導致。

3 抑制措施

主變直流偏磁防治研究在國內已有一些成熟案例[6-10]，目前解決直流偏磁問題，工程上常用有電阻限流、電容隔直兩種方法，其中電容隔直以其原理簡單、造價低廉、安裝后不需要修改保護及安全自動裝置定值等特點得到了廣泛的應用，為有效解決該變電站主變存在的直流偏磁現象，特采用一種新型電容隔直方案：基于雙重化技術的電容隔直裝置,如圖7所示。

圖7 電容隔直裝置內部一次系統原理圖

新型電容隔直裝置主要由電容及其輔助旁路回路構成。電容為隔直的主要元件，串聯在變壓器中性點和地之間，容量約為3 200 μF。輔助旁路回路包括快速開關、晶閘管及過壓觸發(fā)單元等，構成旁路保護回路。裝置從測量、控制、動作的器部件均采用雙重化配置，包括電壓、電流傳感器、晶閘管保護模塊、控制裝置等均采用雙重化冗余配置，單一器件損壞不會造成成套裝置故障，極大提高了裝置的可靠性。利用大容量快速開關實現中性點的直接接地與電容器接地的狀態(tài)轉換。正常運行情況主變中性點經電容接地，電容隔斷了中性點直流；一旦系統故障，中性點電流過大，引起電容兩端電壓超過過壓觸發(fā)門限值或過流保護動作值時，則故障電流將觸發(fā)旁路系統，并驅動快速開關閉合，保證中性點安全接地。

該套新型隔直裝置投運后，主變噪聲由原來最高的89.5 dB左右降低為67.6 dB左右，噪聲明顯降低。中性點直流分量控制在0.5 A左右，隔直效果明顯。有效解決了交流變壓器在中性點直流電流影響下產生的偏磁和噪音問題。

4 電容隔直裝置的運行

4.1 電容隔直裝置的接入

電容隔直裝置的接入一般采用標準接入方式，如圖8所示。由于考慮某些實際主變負荷過重，且無法輕易轉移負荷將主變停電接入隔直裝置，故研究采用主變不停電接入方式。

圖8 標準接入方式和不停電接入方式

圖9 電容隔直裝置實物照片

主變壓器投運后，方可投入相應的中性點隔直裝置。電容隔直裝置安裝在變壓器中性點附近,如圖9所示。

4.2 電容隔直裝置的退出

正常運行時，中性點隔直裝置應處于自動工作模式。當隔直裝置面板顯示Idc>1A時或其他異常信號時，立刻通知檢修人員并做好退出裝置準備。

退出隔直裝置前，應合上主變壓器中性點接地隔離開關。并且兩臺主變壓器中性點不應同時共用一臺中性點隔直裝置。標準接入方式的隔直裝置單獨檢修或故障處理時，應將變壓器中性點直接接地，并將裝置與運行變壓器中性點可靠隔離。不停電接入方式的隔直裝置單獨檢修或故障處理時，應進行接地中性點倒換，并將隔直裝置與運行變壓器中性點可靠隔離。

4.3 新型電容隔直裝置對繼電保護措施的影響

由于相間故障不涉及變壓器零序阻抗，因此反映相間故障的主變各側過流保護不受影響。根據保護原理，主變差動保護、110 kV線路的距離保護、縱差保護不受影響。對于單相接地、兩相接地故障的序網圖包括零序網絡，本裝置在電容接地狀態(tài)下，中性點交流對地容抗小于1 Ω，經過對電網已有的繼電保護措施的影響進行計算和分析，計算分析結果表明繼電保護及其它自動裝置不需要重新整定。

5 結束語

本文從實際案例出發(fā)，從電網運行的角度探索分析了問題產生的原因。經過大量的試驗和調查，確定了長沙地區(qū)電網主變出現直流偏磁的主要原因是地鐵軌道雜散電流的影響。研究采用了一種新型電容隔直裝置。投運過程中，結合實際情況，探索出標準接入方式和不停電接入方式，具有實際指導意義。隔直裝置投運后，主變噪音明顯降低，中性點直流分量控制在0.5 A左右，隔直效果明顯。計算分析結果表明該裝置對繼電保護措施沒有影響。

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Research and Treatment of Main Transformer DC Magnetic Bias in Urban Areas

Cai Mao1, Li Jia1, Peng Qing1, Zhu Lei1, Peng Ping2

(1. State Grid Changsha Power Supply Co. Changsha Hunan 410000, China;2. State Grid Hunan Electric Power Science Research Institute, Changsha Hunan 410000, China)

The stability and life of the main transformer is reduced by its DC magnetic bias. Through an analysis of an actual case and under consideration of a large number of actual measurement data, it is proved that metro stray current is one of the main causes for the DC magnetic bias of the main transformer in urban power grid. A new type of capacitive DC blocking device is adopted in this study. In practical operation process, two access methods are presented for the device, namely standard?access and access without power cut. Practical operation achieves good result, thus solving the problem of main transformer DC bias in urban areas.

DC magnetic bias； metro stray current；capacitive DC blocking； transformer neutral point； main transformer noise

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.003

TM712

A

1000-3886(2017)01-0007-03

蔡茂(1989-)，男，湖南岳陽人，研究生，武漢大學，主要從事電力系統及其自動化研究。

定稿日期: 2016-08-11