±800kV晉北-南京特高壓直流輸電對安徽電網(wǎng)交流變壓器直流偏磁影響分析與治理

邱欣杰，王劉芳，丁國成，陳慶濤，田 宇，吳興旺

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司,安徽 合肥 230022)

0 引言

±800kV晉北-南京特高壓直流輸電為雙極線路，工程起于山西晉北換流站，止于江蘇南京換流站，受端的南京換流站接地極位于安徽和江蘇兩省交界處，當(dāng)發(fā)生雙極運(yùn)行故障時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換至單極運(yùn)行狀態(tài)，防止系統(tǒng)停運(yùn)對交流輸電系統(tǒng)造成的較強(qiáng)功率沖擊影響。單極運(yùn)行狀態(tài)以大地作為電流回路，滿負(fù)荷運(yùn)行時，5000A直流電流注入接地極，直流電流通過大地擴(kuò)散，有可能會造成接地極一定范圍內(nèi)的中性點(diǎn)接地交流變壓器流過直流電流，引起直流偏磁[1～4]。

直流偏磁是交流變壓器的一種異常工作狀態(tài)，即在交流變壓器勵磁電流中出現(xiàn)了直流分量，由于變壓器的原邊等效阻抗對直流分量只呈現(xiàn)電阻特性，且電阻很小。因此，很小的直流分量就會在繞組中形成很大的直流激磁磁勢，直流磁勢與交流磁勢一起作用于變壓器原邊，造成交流變壓器鐵心發(fā)生半波飽和，變壓器鐵芯的工作磁化曲線發(fā)生偏移，呈現(xiàn)關(guān)于原點(diǎn)不對稱的情況。直流偏磁可能導(dǎo)致交流變壓器諧波含量增大及噪聲增大，部分部件過熱，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致交流變壓器損壞，需要對接地極影響范圍內(nèi)的直流偏磁分布情況進(jìn)行計算分析，并提出相應(yīng)的治理措施[5～6]。

1 直流偏磁仿真計算

1.1 接地極概況

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計，±800kV晉北-南京特高壓直流輸電工程的受端換流站接地極系統(tǒng)主要運(yùn)行條件是：額定入地電流5000A，最大過負(fù)荷電流5335A(2小時)。該接地極為同心雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 塔河接地極環(huán)布置方案

接地極外環(huán)半徑225m，內(nèi)環(huán)半徑165m，埋深均為3.5m。外環(huán)饋電棒截面直徑70mm，焦炭截面0.6m×0.6m，內(nèi)環(huán)饋電棒截面直徑60mm，焦炭截面0.5 m×0.5 m。

1.2 接地極址的土壤電阻率獲取

接地極位于江蘇省泗洪縣峰山鄉(xiāng)塔河村，位于南京換流站西北側(cè)，距離南京換流站約70km，接地極極址以麥田為主，周圍有少量樹木。

根據(jù)仿真需要，對接地極附件土壤參數(shù)進(jìn)行了測定，包括土壤電阻率、熱導(dǎo)和熱容等，淺層采用四級法，深層采用MT法測得極址附近的土壤電阻率模型按表1選取。

表1 土壤電阻率模型

1.3 直流電流分布計算

首先基于復(fù)鏡像法、邊界元法和矩量法求解直流接地極入地電流產(chǎn)生的地中恒流場，獲得接地極入地電流產(chǎn)生的地表電位分布。再根據(jù)交流線路的長度、線路走向、變電站接地電阻、變壓器繞組的直流電阻等參數(shù)，采用電路理論即可計算得到變壓器中性點(diǎn)中的直流電流大小。

直流輸電系統(tǒng)入地電流進(jìn)入交流輸電系統(tǒng)的路徑如圖2所示：

圖2 直流入地電流進(jìn)入交流系統(tǒng)示意圖

如圖2所示，進(jìn)入變壓器中性點(diǎn)的直流電流可用下式估算：

(1)

式(1)中，RA、RB分別為變電站A和變電站B的接地電阻，RTA、RTB分別為兩變電站主變單相繞組直流電阻，RZ為兩站之間輸電線路單相導(dǎo)線直流電阻。

1.4 仿真計算結(jié)果

仿真計算范圍包括接地極約120km內(nèi)的110kV及以上變電站662個，線路747條，建立直流接地極及附近電網(wǎng)的模型如圖3所示：

圖3 塔河接地極對交流電網(wǎng)影響計算模型

根據(jù)圖3模型，在南京換流站接地極入地電流5000A時，仿真計算得到的接地極附近主要變電站的變壓器直流電流如表2所示：

表2 南京接地極單極滿負(fù)荷運(yùn)行時安徽電網(wǎng)變壓器的直流偏磁電流

根據(jù)直流偏磁仿真計算結(jié)果，偏磁電流較大的變電站主要有220kV鐘陽變、洪武變、虹鄉(xiāng)變等變電站。

2 現(xiàn)場測試情況

根據(jù)仿真計算結(jié)果，選擇220kV洪武變、鐘陽變等變電站作為現(xiàn)場重點(diǎn)測試對象。

現(xiàn)場測試使用霍爾電流傳感器采集變壓器中性點(diǎn)接地引下線的直流電流，經(jīng)過直流電流檢測裝置與監(jiān)控后臺實時測量流過變壓器中性點(diǎn)的直流電流，測試原理圖如圖4所示：

圖4 變壓器中性點(diǎn)直流電流檢測原理圖

霍爾傳感器開口為103.5mm×23mm，測量量程為25A?；魻杺鞲衅髋c檢測裝置之間采用電纜直接連接，檢測裝置置于主變附近，檢測裝置和后臺監(jiān)控通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)單極入地電流為5000A時，220kV鐘陽變直流偏磁電流為17.7A，220kV洪武變直流偏磁電流為18.2A。

變壓器容許多大的直流電流在很大程度上取決于變壓器設(shè)計，即變壓器結(jié)構(gòu)、鐵心材料、磁通密度取值等。單相變壓器具有獨(dú)立的磁回路，其磁阻低，直流容易引起磁飽和，繞組中只能容許較少的直流電流。三相五柱式變壓器有磁回路，但一般鐵心面積只有單相變壓器的39%。因此，繞組中能允許較大的直流電流(是單相變的2.5倍)。三相三柱變壓器沒有獨(dú)立的磁回路，直流電流引起的磁通只能通過外殼返回，直流磁阻大，繞組中能允許更大的直流電流[7]。

根據(jù)DL/T 437-2012《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》[8]規(guī)定：交流變壓器每相繞組的允許直流電流為：單相變壓器為額定電流的0.3%，三相五柱式變壓器為額定電流的0.5%，三相三柱變壓器為額定電流的0.7%。因此，對220kV鐘陽站和220kV洪武站進(jìn)行了治理。

3 直流偏磁超標(biāo)治理

目前，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種直流偏磁治理方法和措施[9～14]，如中性點(diǎn)串接電阻法、中性點(diǎn)串接電容法、反向注入電流法、線路串接電容法及增加變壓器接地點(diǎn)等?？紤]到220kV鐘陽變、洪武變電流超標(biāo)不是很嚴(yán)重。因此，220kV鐘陽變1號主變和220kV洪武變1號主變中性點(diǎn)均安裝了電阻型直流偏磁抑制裝置，抑制裝置原理圖如圖5所示：

圖5 電阻型直流偏磁抑制裝置原理圖

加裝直流偏磁抑制裝置后，經(jīng)過實測，220kV鐘陽變和洪武變的直流偏磁電流均顯著減小，其中入地電流為5000A時，220kV鐘陽變的直流偏磁電流分別為2.5A，220kV洪武變的直流偏磁電流為1.3A。

4 結(jié)論

本文通過仿真、實測及加裝偏磁抑制裝置前后電流比對分析，得到以下結(jié)論：

(1)仿真和實測結(jié)果表明，±800kV晉北-南京特高壓直流輸電工程單極大地回線運(yùn)行會對安徽電網(wǎng)部分交流變壓器產(chǎn)生明顯直流偏磁影響，需要采取措施抑制偏磁電流影響。

(2)直流偏磁仿真時應(yīng)充分考慮接地極附近土壤電阻率、接地變壓器的接線方式等因素，這樣才能使仿真計算結(jié)果盡可能反映真實情況，而且仿真和測試站點(diǎn)應(yīng)涵蓋接地極周邊至少50km以內(nèi)的交流變壓器。

(3)對受影響較嚴(yán)重的交流變壓器采用電阻型抑制裝置能夠有效降低變壓器直流偏磁電流。