德寶直流輸電對(duì)750 kV寶雞主變壓器運(yùn)行影響研究

朱岸明，王 森，胡攀峰，劉 超，丁 彬

（1.西北電網(wǎng)有限公司，西安710048；2.陜西電力科學(xué)研究院，西安 710054；3.寶雞供電局，陜西寶雞721004）

0 引言

隨著西北地區(qū)750 kV系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)及國(guó)家電網(wǎng)大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的進(jìn)展，西北地區(qū)已初步實(shí)現(xiàn)750 kV電網(wǎng)覆蓋，實(shí)現(xiàn)與華中電網(wǎng)通過(guò)±500 kV德寶直流工程連接，實(shí)現(xiàn)了水火互濟(jì)的模式。

德寶直流工程設(shè)計(jì)電壓為±500 kV，輸送容量3 000 MW，單極運(yùn)行電流3 000 A。當(dāng)?shù)聦氈绷鲉螛O大地回路運(yùn)行，輸送容量為1 500 MW時(shí)，流入直流接地極的電流為3 000 A。巨大的入地電流會(huì)造成接地極周圍變電站接地網(wǎng)地電位的變化，若2個(gè)變電站接地網(wǎng)之間存在電位差，電流將有一部分流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)、變壓器繞組及輸電線路。在中性點(diǎn)接地變壓器上流過(guò)的直流分量，引起變壓器直流偏磁，使一些變壓器出現(xiàn)磁飽和，造成變壓器振動(dòng)加劇、噪聲增大、過(guò)熱。750 kV寶雞交流變與德寶直流寶雞換流站同址建設(shè)，本文就德寶直流對(duì)750 kV寶雞變主變壓器的運(yùn)行影響進(jìn)行計(jì)算和實(shí)測(cè)分析研究。

1 地中直流對(duì)交流變壓器的影響

直流輸電在雙極兩端接地運(yùn)行的情況下，一般僅有不到1%額定電流的不平衡電流流過(guò)接地極，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。當(dāng)直流輸電工程單回大地回路運(yùn)行時(shí)（一極投運(yùn)時(shí)，或者雙極運(yùn)行一極檢修或因故障退出運(yùn)行時(shí)），會(huì)有較大的直流電流流過(guò)接地極，此時(shí)會(huì)在大地上形成恒定的直流電流場(chǎng)，產(chǎn)生地表電位差，在交流網(wǎng)絡(luò)中變壓器繞組、架空線和大地形成的回路中產(chǎn)生直流電流。直流電流流入運(yùn)行中的變壓器，產(chǎn)生的直流磁通與交流磁通相疊加，會(huì)導(dǎo)致鐵心半波飽和[1-5]，即直流偏磁。這時(shí)，變壓器的電流中含有大量諧波分量，造成變壓器本體的有功和無(wú)功損耗增加，振動(dòng)加劇，噪聲增大，嚴(yán)重時(shí)引起變壓器內(nèi)鐵心綁帶松脫、絕緣夾件脫落、油中產(chǎn)生乙炔，導(dǎo)致變壓器損壞。如廣核集團(tuán)嶺澳核電廠500 kV主變壓器中性點(diǎn)直流電流為15 A，為額定電流的1.2%，造成變壓器的損壞事故；另外廣東電網(wǎng)中某220 kV變壓器中性點(diǎn)直流電流達(dá)到37.5 A，造成變壓器振動(dòng)、噪聲增大，電網(wǎng)諧波超標(biāo)，影響電能質(zhì)量和變壓器的安全運(yùn)行。對(duì)變壓器共性影響主要有以下幾個(gè)方面[6-7]。

1）噪聲、振動(dòng)增大。由于變壓器磁致伸縮的原因，當(dāng)變壓器發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器繞組流過(guò)相同的交流電流，鐵心伸縮、振動(dòng)幅度將加大，從而導(dǎo)致變壓器的噪聲增大。同時(shí)，由于磁致伸縮產(chǎn)生的振動(dòng)是非正弦的，其噪聲頻率包含多種諧波分量，當(dāng)某一分量與變壓器構(gòu)件發(fā)生共振時(shí)，噪聲將更大，有可能導(dǎo)致變壓器內(nèi)部零件松動(dòng),絕緣受損。

2）電壓波形畸變。由于變壓器鐵心發(fā)生直流偏磁，嚴(yán)重時(shí)，鐵心可能工作在飽和區(qū)，從而使變壓器漏磁通增加，電壓波形發(fā)生畸變。

3）銅耗、鐵耗增加。由于鐵心發(fā)生直流偏磁致使漏磁通增加，在鐵心、構(gòu)件中會(huì)產(chǎn)生渦流，使鐵耗增加；同時(shí)，由于直流偏磁，使變壓器勵(lì)磁電流增大，變壓器的銅耗也隨之增大。由于銅耗、鐵耗的增加，造成鐵心、繞組等發(fā)熱嚴(yán)重，損壞變壓器絕緣和部件使用壽命。

4）對(duì)繼電保護(hù)的影響。直流系統(tǒng)不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，零序電壓增大和電流量突變,導(dǎo)致母差失靈復(fù)合電壓動(dòng)作，線路保護(hù)起動(dòng)。

對(duì)于三相分體式變壓器,如寶雞站750 kV變壓器，無(wú)論何種結(jié)構(gòu)，其零序磁通所走的磁路與主磁通的磁路相同。由于技術(shù)的進(jìn)步，這種變壓器的勵(lì)磁電流很小，較小的直流電流流過(guò)變壓器繞組產(chǎn)生的直流偏磁與空載磁通幅值相當(dāng)，直流電流對(duì)這種變壓器的影響較大。

2 德寶直流對(duì)750 kV寶雞變變壓器的影響

今后幾年西北電網(wǎng)運(yùn)行方式將發(fā)生較大變化，750 kV主網(wǎng)架形成后，330 kV將解環(huán)分片運(yùn)行，引起電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，由此有必要跟蹤電網(wǎng)網(wǎng)架的變化情況，對(duì)變壓器中性點(diǎn)直流電流變化情況進(jìn)行分析計(jì)算，測(cè)試。

2.1 750 kV寶雞變電站變壓器中性點(diǎn)直流電流計(jì)算

直流工程中，直流接地極的作用是單極-大地方式運(yùn)行時(shí)作為直流工作電流的返回通道。如德寶直流工程直流接地極的設(shè)計(jì)額定電流為3 kA，即運(yùn)行中接地極將可能注入3 kA直流電流，必將會(huì)影響接地極極址周邊中性點(diǎn)接地變壓器的正常工作。

當(dāng)直流接地極電流引起的電位升高時(shí)，若2個(gè)變電站之間存在電位差，則直流電流從一個(gè)變電站的變壓器中性點(diǎn)流入交流系統(tǒng)，從另一個(gè)變電站的中性點(diǎn)流出系統(tǒng)。流入中性點(diǎn)接地變壓器的直流電流計(jì)算方法如圖1所示。

圖1 流入中性點(diǎn)接地變壓器的直流電流計(jì)算圖

圖1中，設(shè)變壓器1和變壓器2所處位置的電位升分別為V1和V2，2個(gè)變壓器中性點(diǎn)接地電阻分別為R1和R2，每相導(dǎo)線直流電阻為RL，2個(gè)變壓器每相繞組直流電阻分別為RT1和RT2，則流過(guò)變壓器各繞組中的直流電流如式（1）所示。

式中，IZ為流過(guò)變壓器中性點(diǎn)的直流電流。根據(jù)各點(diǎn)地電位升既系統(tǒng)的直流等值網(wǎng)絡(luò)，即可計(jì)算得出流過(guò)各接地點(diǎn)變壓器的直流電流。

交流系統(tǒng)中，除了變壓器外，高壓并聯(lián)電抗器繞組也連接于高壓導(dǎo)線與地之間。在交流系統(tǒng)直流等值網(wǎng)絡(luò)中，高壓電抗器與變壓器電路關(guān)系為并聯(lián)。對(duì)于750 kV線路，高壓電抗器中性點(diǎn)通常安裝有中性點(diǎn)小電抗。高壓并聯(lián)電抗器、中性點(diǎn)小電抗直流電阻比變壓器繞組直流電阻大得多，可忽略高壓電抗器的影響。

根據(jù)西北電網(wǎng)、寶雞地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式，計(jì)算變壓器中性點(diǎn)直流電流時(shí)交流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

西北電網(wǎng)運(yùn)行中，750 kV、330 kV變壓中性點(diǎn)均接地。寶雞地區(qū)110 kV賈村變、虢鎮(zhèn)變、五丈塬變、雞冠巖水電站、堡子梁水電站、胥水河水電站變壓器中性點(diǎn)接地，其余110 kV變電站變壓器中性點(diǎn)不接地。

圖2 交流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

寶雞換流站接地極極址處表層土壤電阻率為53.7 Ω·m。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合寶雞地區(qū)地質(zhì)情況，建立寶雞地區(qū)土壤分層模型。共分4層，表層厚度為30 m，電阻率為53.7 Ω·m；第二層厚度為10 000 m，電阻率為5 000 Ω·m；第三層厚度為50 000 Ω·m，電阻率為100 000 Ω·m；底層土壤電阻率為100 Ω·m。當(dāng)直流系統(tǒng)單極大地回流方式運(yùn)行，輸送負(fù)荷1500MW時(shí)，變壓器中性點(diǎn)直流電流計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 變壓器中性點(diǎn)直流電流計(jì)算結(jié)果

2.2 750 kV寶雞變電站變壓器中性點(diǎn)直流電流測(cè)試

±500 kV德寶直流工程是華中—西北直流聯(lián)網(wǎng)工程，單極輸送容量1 500 MW。在2010年3月23至24日，德寶直流極Ⅱ投運(yùn)調(diào)試中的單極大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，測(cè)試了750 kV寶雞變、330 kV雍城變、330 kV硤石變、110 kV賈村變4個(gè)變電站變壓器中性點(diǎn)的直流電流。測(cè)試儀器采用試制的直流鉗型電流表，準(zhǔn)確度為0.5級(jí)（DL/T 437-1991 4.3.4條規(guī)定：根據(jù)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)具體情況，各種直流電流測(cè)量?jī)x器和儀表，例如直流互感器、直流鉗形電流表、直流分流器和霍爾元件直流測(cè)量?jī)x等均可采用；4.3.5條規(guī)定：直流電流測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度要求為0.5～1.0級(jí)）。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 德寶直流極Ⅱ單極大地回路運(yùn)行時(shí)變壓器中性點(diǎn)直流電流測(cè)試結(jié)果

從表2中測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)試變電站中變壓器中性點(diǎn)直流電流均不大。在單極滿負(fù)荷情況下，750 kV寶雞變變壓器中性點(diǎn)直流電流為3.87 A，約為寶雞變750 kV變壓器額定電流1 585 A的0.24%，滿足《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 437-1991）規(guī)定的通過(guò)變壓器繞組中的直流電流應(yīng)不大于額定電流的0.7%（約11.10 A）的要求。

《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T437-1991）只是給出了參考值，變壓器對(duì)直流電流的耐受能力需要得到制造商的確認(rèn)。

2.3 計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

由以上計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果可知，750 kV寶雞變和330 kV硤石變的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，而330 kV雍城變和110 kV賈村變的計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定的差異，但整個(gè)變電站變壓器中性點(diǎn)直流電流的大小趨勢(shì)是對(duì)應(yīng)的。

計(jì)算結(jié)果和測(cè)試結(jié)果不可能完全吻合，因?yàn)榻⒌哪Ｐ蛯?duì)計(jì)算結(jié)果存在很大的影響。計(jì)算直流電流在整個(gè)交流電網(wǎng)中的分布存在一個(gè)矛盾，一方面希望知道電流的精確分布，電流分布是受大地土壤影響的；另一方面為交流系統(tǒng)所跨越尺度下的大地土壤建立一個(gè)確定的模型，幾乎不可能也沒(méi)有必要，因?yàn)樵谡麄€(gè)交流電網(wǎng)覆蓋的大尺度下，精確考慮接地極極址處的土壤模型對(duì)地表電位和直流電流分布的計(jì)算沒(méi)有很大的意義，極址處的土壤模型和整個(gè)交流電網(wǎng)跨越的土壤相比之下，顯得太小。仿真結(jié)果表明陸地雙層土壤模型電阻率的變化，會(huì)改變各個(gè)站電位的大小，但是整個(gè)電流分布的趨勢(shì)不變。

3 西北電網(wǎng)變壓器運(yùn)行狀況的分析重點(diǎn)

根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果及西北電網(wǎng)近幾年的發(fā)展變化情況，今后應(yīng)開展以下工作。

1）對(duì)西北電網(wǎng)中變壓器中性點(diǎn)直流電流進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算研究。直流輸電單極大地回路運(yùn)行時(shí)，附近交流系統(tǒng)中變壓器中性點(diǎn)電流與接地極的位置、流過(guò)接地極電流、交流系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均有關(guān)系。相關(guān)研究表明，在距接地極100 km以內(nèi)的變壓器均會(huì)受到影響，一般規(guī)律是離接地極近的變壓器受影響較大。由于交流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也會(huì)出現(xiàn)離接地極較遠(yuǎn)的變壓器受影響嚴(yán)重的情況。

2）變壓器承受中性點(diǎn)直流電流能力評(píng)估研究。研究表明，變壓器承受直流偏置的能力與變壓器本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于三相三柱式結(jié)構(gòu)的變壓器，直流電流對(duì)變壓器磁路而言相當(dāng)于零序電流，產(chǎn)生的磁通需經(jīng)過(guò)磁阻較大的氣隙（或油）閉合，允許的直流電流較大。由單相變壓器Y連接組成的變壓器組，3個(gè)鐵芯對(duì)直流磁通形成閉合的低磁阻通道，直流電流影響最突出，允許的直流電流最小。

一般來(lái)說(shuō)，變壓器對(duì)直流電流的承受能力取決于變壓器的設(shè)計(jì)。通常變壓器允許直流電流的數(shù)值可以從鐵芯、繞組、結(jié)構(gòu)件局部過(guò)熱、諧波、噪聲、震動(dòng)影響限制來(lái)確定，這就需要與制造商配合進(jìn)行評(píng)估研究。

4 結(jié)論

目前西北電網(wǎng)直流輸電工程不斷增多，但相對(duì)國(guó)內(nèi)其他區(qū)域，電網(wǎng)的直流工程相對(duì)較少，因此變壓器受直流電流偏磁影響問(wèn)題并不突出，但是隨著西北電網(wǎng)直流輸電規(guī)模的擴(kuò)大，就會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的問(wèn)題。由于寶雞750 kV交流變電站與寶雞換流站的合建，直流電流偏磁影響程度不很明確，因此進(jìn)行了計(jì)算和測(cè)試研究，為今后西北電網(wǎng)的直流輸電對(duì)交流變電站變壓器的影響提供數(shù)據(jù)，奠定基礎(chǔ)。通過(guò)計(jì)算和測(cè)試研究，可得到如下結(jié)論：

1）在單極滿負(fù)荷情況下，750 kV寶雞變變壓器中性點(diǎn)直流電流為3.87 A，約為寶雞變750 kV變壓器額定電流1 585 A的0.24%，滿足《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 437-1991）規(guī)定的通過(guò)變壓器繞組中的直流電流應(yīng)不大于額定電流的0.7%（約11.10 A）的要求；

2）處于寶雞換流站周圍100 km內(nèi)的330 kV變電站和110 kV變電站內(nèi)的變壓器，受直流輸電引起的中性點(diǎn)直流電流都很小，不會(huì)對(duì)變壓器的運(yùn)行造成影響；

3）計(jì)算結(jié)果和測(cè)試結(jié)果不可能完全吻合，因?yàn)榻⒌哪Ｐ蛯?duì)計(jì)算結(jié)果存在很大的影響，但整個(gè)變電站變壓器中性點(diǎn)直流電流的大小趨勢(shì)是對(duì)應(yīng)的；

4）近幾年西北電網(wǎng)運(yùn)行方式將發(fā)生較大變化，750 kV主網(wǎng)架形成后，330 kV將解環(huán)分片運(yùn)行，引起電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，由此有必要跟蹤電網(wǎng)網(wǎng)架的變化情況，對(duì)變壓器中性點(diǎn)直流電流變化情況進(jìn)行分析計(jì)算，測(cè)試。

[1]曾嶸，唐劍，張波，等.交直流輸電線路并行對(duì)換流變的直流偏磁影響及對(duì)策[J].陜西電力，2008，36（9）：1-5.

[2]Bolduc L,Gardreau A,DutilA.Saturation Time of Transformers under DC Excitation[J].Electric Power System Research,2000，56：95-102.

[3]李偉，黎小林，王琦，等.特高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)計(jì)算方法及改進(jìn)[J].陜西電力，2008，36（11）：1-5.

[4]Price P R.Geomagnetically Induced Current Effects on Transformers[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2002,17（4）：1002-1008.

[5]李偉，張波，何金良.直流輸電線路離子流場(chǎng)計(jì)算方法[J].陜西電力，2009，37（10）：1-5.

[6]邵家海，吳翎.超高壓直流輸電對(duì)運(yùn)行變壓器的影響及變壓器直流抑制措施[J].東北電力技術(shù)，2005，26（10）：17-20.

[7]趙杰，曾嶸，黎小林，等.HVDC輸電系統(tǒng)地中直流對(duì)交流系統(tǒng)的影響及防范措施研究[J].高壓電器,2006，41（5）：324-326.