共用接地極運(yùn)行對(duì)周圍變壓器偏磁影響研究

劉從法，劉翰柱，肖應(yīng)華，蔡文杰，魏德軍

(1.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610056；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限公司超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明 650200)

0 引言

在直流輸電系統(tǒng)中，接地極必不可少。當(dāng)直流電流串入變壓器后，超限的電流會(huì)使變壓器發(fā)生直流偏磁[1-4]。導(dǎo)致變壓器勵(lì)磁電流中存在直流分量，造成磁化曲線異常。導(dǎo)致變壓器溫度升高、損耗增加以及噪聲增大等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞變壓器，影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行[5-13]。

本文論述±800 kV烏東德直流工程昆北換流站和±500 kV云貴互聯(lián)工程祿勸換流站的共用接地極與周邊的±800 kV云廣直流工程楚雄換流站接地極同時(shí)運(yùn)行時(shí)，對(duì)共用接地極周圍電力變壓器進(jìn)行偏磁研究。在實(shí)測(cè)土壤模型的條件下，對(duì)周圍變壓器偏磁電流分布情況進(jìn)行計(jì)算分析。同時(shí)，結(jié)合變壓器直流偏磁耐受電流和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，來分析變壓器是否發(fā)生偏磁，根據(jù)偏磁情況提出相應(yīng)的治理方案和措施。

1 直流偏磁影響機(jī)理及治理標(biāo)準(zhǔn)

1.1 直流偏磁原理

接地極電流經(jīng)過深層土壤進(jìn)行擴(kuò)散后，通過接地的中性點(diǎn)流入變壓器，并經(jīng)輸電線路、終端變壓器等構(gòu)成回路，直流接地極入地電流串入交流系統(tǒng)示意如圖1所示。

分析直流偏磁電流，需確立計(jì)算模型。根據(jù)獲取的地表電位，交流系統(tǒng)的線路長(zhǎng)度、導(dǎo)線型號(hào)、變壓器接地電阻等參數(shù)，來計(jì)算得到變壓器直流電流。然后再結(jié)合交流系統(tǒng)的電阻網(wǎng)絡(luò)，建立直流接地極入地電流分布的場(chǎng)路耦合模型。

1.2 變壓器直流偏磁的主要影響因素

影響直流偏磁的因素主要有變壓器的相對(duì)位置、交流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、大地土壤電阻率以及變壓器類型等[14-15]。

1.3 變壓器的直流偏磁耐受電流取值

關(guān)于變壓器直流偏磁電流的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，目前尚無非常權(quán)威的數(shù)據(jù)，實(shí)際工程中取值各異。

依據(jù)文獻(xiàn) [16-17]規(guī)定，變壓器每相繞組的允許直流電流為：?jiǎn)蜗酁?.3%Ie，三相五柱式為0.5%Ie，三相三柱式為0.7%Ie。

而《南方電網(wǎng)公司反事故措施(2018版)》(南方電網(wǎng)生技〔2018〕24號(hào))第2.1.7條規(guī)定：110 kV及以上變壓器配置直流偏磁抑制裝置要求，500 kV變壓器運(yùn)行中實(shí)測(cè)中性點(diǎn)直流偏磁電流每相10 A， 110 kV和220 kV變壓器運(yùn)行中實(shí)測(cè)中性點(diǎn)直流偏磁電流每臺(tái)10 A。

綜上，本工程共用接地極按照《南方電網(wǎng)公司反事故措施(2018版)》治理標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。見表1所列。

表1 直流偏磁電流治理標(biāo)準(zhǔn)

2 實(shí)測(cè)土壤電阻率模型下的直流偏磁分析

2.1 共用接地極土壤電阻率

相對(duì)接地極本體尺寸而言，接地極與周圍變壓器的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，屬于大范圍的電場(chǎng)分布問題。因此，在計(jì)算評(píng)估接地極入地電流對(duì)周圍變壓器影響時(shí)，采用深層土壤電阻率進(jìn)行分析計(jì)算[18-20]。

本文共用接地極土壤分層采用表2所示的實(shí)測(cè)土壤電阻率模型。

表2 共用接地極土壤電阻率模型

2.2 共用接地極簡(jiǎn)述

本共用接地極為兩個(gè)不同電壓等級(jí)直流工程共用，其系統(tǒng)條件為額定電流±800 kV的昆北換流站5 000 A，過負(fù)荷電流為5 318 A；±500 kV的祿勸換流站3 000 A，過負(fù)荷電流為3 786 A；共用接地極雙極不平衡電流為45 A。

根據(jù)系統(tǒng)條件、土壤電阻率以及接地極區(qū)域地形條件等，共用接地極采用雙環(huán)跑道型布置，內(nèi)、外環(huán)直線段為480 m，內(nèi)環(huán)半徑為120 m、外環(huán)半徑170 m。電流通過電纜以及饋電元件連接后導(dǎo)入大地。

2.3 地表電位分布、電場(chǎng)分布及電流密度計(jì)算

1)在入地電流取5 333 A(含昆北換流站2 h最大過負(fù)荷電流5 318 A及祿勸換流站不平衡電流15 A)的情況下，根據(jù)表2，計(jì)算得到接地極半徑方向的地表電位分布、電場(chǎng)分布及電流密度如圖2～圖4所示。

圖2 接地極2～50 km地表電位分布曲線 (入地電流5 333 A)

圖4 接地極2～50 km電流密度分布曲線 (入地電流5 333 A)

2)在入地電流取5 015 A(含昆北換流站額定電流5 000 A及祿勸換流站不平衡電流15 A)的情況下，根據(jù)表2，計(jì)算得到接地極半徑方向的地表電位分布、電場(chǎng)分布及電流密度如 圖5～圖7所示。

圖3 接地極2～29 km電場(chǎng)分布曲線 (入地電流5 333 A)

圖5 接地極2～50 km地表電位分布曲線 (入地電流5 015 A)

圖6 接地極2～29 km電場(chǎng)分布曲線 (入地電流5 015 A)

圖7 接地極2～50 km電流密度曲線 (入地電流5 015 A)

評(píng)估直流接地極對(duì)周圍變電站直流偏磁的影響時(shí)，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮的交流電網(wǎng)范圍至少應(yīng)包括地表電位升大于3 V的區(qū)域[15-16]。由共用接地極地表電位分布計(jì)算結(jié)果，在最大過負(fù)荷電流5 333 A下，距離共用接地極24 km處的地表電位降為3 V。將該接地極周圍云南省境內(nèi)的全部中性點(diǎn)有效接地(即110 kV及以上)變電站、電廠納入計(jì)算范圍之中，有220 kV倘甸變、220 kV尋板橋、110 kV德卡變和220 kV清水海變電站共4個(gè)站。3 V范圍以內(nèi)及與其在電氣上相關(guān)聯(lián)的變電站網(wǎng)絡(luò)模型示意圖如圖8所示，其計(jì)算結(jié)果見表3所列。

圖8 3 V范圍內(nèi)變電站網(wǎng)絡(luò)模型示意圖

表3 3 V范圍(24 km)變電站網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果

2.4 直流偏磁電流計(jì)算

通過建立共用接地極對(duì)周圍交流電網(wǎng)影響計(jì)算模型，計(jì)算得到各變電站總?cè)氲仉娏饕姳?所列。對(duì)比圖8可以看出，距離接地極較近處的中性點(diǎn)入地電流相對(duì)較高，較遠(yuǎn)處的入地電流相對(duì)較低，但入地電流大小與距離并不直接成正比，還取決于該方向上的線路參數(shù)。

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，110 kV德卡變實(shí)際運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)不接地，可不予考慮直流偏磁問題；220 kV尋甸板橋站、220 kV清水海站和220 kV倘甸站變壓器中性點(diǎn)入地電流低于評(píng)估 標(biāo)準(zhǔn)。

3 共用接地極疊加單一接地極運(yùn)行工況偏磁分析研究

因在該共用接地極附近約18 km處有±800kV云廣直流工程楚雄換流站接地極,該接地極入地直流額定電流為3 125 A，不平衡電流為31.25 A，若單獨(dú)考慮本接地極的偏磁影響是不夠的。因此，仍需研究多個(gè)接地極同時(shí)運(yùn)行工況對(duì)周圍變電的影響。

1)運(yùn)行方式一

共用接地極的入地直流為額定電流5 015 A(含昆北換流站額定電流5 000 A及祿勸換流站不平衡電流15 A)，疊加的楚雄換流站接地極入地直流為額定電流3 125 A，在這種情況下，極址周圍變電站的變壓器中性點(diǎn)直流電流分布計(jì)算結(jié)果如表4、圖9所示。

圖9 運(yùn)行方式一接地極周圍電網(wǎng)直流分布

表4 運(yùn)行方式一云南直流偏磁計(jì)算結(jié)果匯總表

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，220 kV倘甸變(變壓器中性點(diǎn)入地電流10.09 A)超過評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，建議裝設(shè)1套隔直裝置。

2)運(yùn)行方式二

共用接地極的入地直流取5 333 A(含昆北換流站2 h最大過負(fù)荷電流5 318 A及祿勸換流站不平衡電流15 A)，疊加的楚雄換流站接地極的入地直流為不平衡電流31.25 A，在這種情況下，極址周圍變電站的變壓器中性點(diǎn)直流電流分布計(jì)算結(jié)果如圖10、表5所示。

表5 運(yùn)行方式二云南直流偏磁計(jì)算結(jié)果匯總

圖10 運(yùn)行方式二接地極周圍電網(wǎng)直流分布

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，各變電站中性點(diǎn)入地電流均低于評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)直流偏磁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估原則，考慮最嚴(yán)重情況，即共用接地極疊加楚雄換流站接地極同時(shí)以單極大地運(yùn)行方式時(shí)，除220 kV倘甸變外，共用接地極周圍所有變壓器的直流偏磁電流并沒有超限。

但由于接地極對(duì)周圍變壓器的直流偏磁影響與大地參數(shù)等諸多因素有關(guān)，最終需根據(jù)直流偏磁電流實(shí)測(cè)情況并結(jié)合變壓器發(fā)熱、噪聲等綜合考慮。

4 直流偏磁治理方案和抑制措施

直流偏磁的治理方案有多種，目前主要采用電容隔直法、串阻限流法以及反向電流注入法等，目前前兩者在工程應(yīng)用中相對(duì)成熟。結(jié)合國(guó)內(nèi)接地極工程對(duì)直流偏磁的治理經(jīng)驗(yàn)，一般優(yōu)先采用隔直方案進(jìn)行偏磁治理。

根據(jù)上述計(jì)算，在實(shí)測(cè)土壤電阻率模型下，有 1個(gè)站超標(biāo)。因此，對(duì)該變電站采取加裝隔直裝置的方式進(jìn)行直流偏磁治理。

5 結(jié)論

通過對(duì)共用接地極周圍中性點(diǎn)有效接地的變電站、輸電線路進(jìn)行建模，對(duì)變壓器直流偏磁電流分布、電位分布以及電場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算分析，主要結(jié)論如下：

1)在實(shí)測(cè)土壤電阻率模型下，選取深層土壤電阻率，通過計(jì)算分析，共用接地極在疊加單一接地極的工況下對(duì)周圍變壓器的影響較小，僅1個(gè)220 kV倘甸變接近直流偏磁治理標(biāo)準(zhǔn)。

2)不同的接地極運(yùn)行工況下，直流偏磁的影響結(jié)果不同，變壓器偏磁影響與中性點(diǎn)入地電流有關(guān)。

3)采用的實(shí)測(cè)土壤模型計(jì)算結(jié)果為工程建設(shè)提供了依據(jù)，但考慮到實(shí)測(cè)土壤模型與實(shí)際土壤的差異，直流偏磁分析應(yīng)根據(jù)電流分布、電位分布和電場(chǎng)分布的實(shí)際值并結(jié)合變壓器發(fā)熱、噪音等綜合考慮，加裝隔直裝置以接地極投運(yùn)后的實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)。