變壓器直流偏磁抑制設(shè)備的應(yīng)用分析

張 露，阮 羚 ，潘卓洪，魯海亮 ，文習(xí)山

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.湖北省電力公司 電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

直流輸電因為輸送距離長、輸送容量大、損耗小、便于異步聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點在我國得到了越來越多的應(yīng)用［1-2］。直流輸電在調(diào)試或故障情況下可能會有大量電流通過直流接地極流入大地，可能導(dǎo)致交流電網(wǎng)內(nèi)變壓器直流偏磁危害，給電網(wǎng)的安全運行造成一系列不良影響［3-6］。

我國電網(wǎng)規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多個交直流輸電網(wǎng)絡(luò)共存。尤其是伴隨我國高壓直流輸電工程項目的日益增多，直流輸電工程單極投運時間、故障/檢修造成的單極大地回線運行總時間大幅增加，變壓器遭受直流偏磁的風(fēng)險也大幅增加。

國內(nèi)的學(xué)者對入地直流電流在交流電網(wǎng)中的分布問題已做了大量的研究［7-15］，另外，針對變壓器直流偏磁問題，國內(nèi)外的學(xué)者提出了眾多的抑制方法［16-23］。

目前研究表明直流輸電不可能完全避免直流偏磁危害，采用合理有效的抑制措施是保證交流電網(wǎng)安全運行的關(guān)鍵。目前，抑制交流電網(wǎng)直流電流分布的措施主要有變壓器中性點串聯(lián)電阻/電容法、直流電流注入法。從理論的角度來看，變壓器中性點串聯(lián)電容/電阻方法和電流注入法并不存在理論障礙，但從應(yīng)用效果來看，抑制措施的選取、參數(shù)整定、效果評價均沒有形成統(tǒng)一準則。研究如何限制變壓器繞組上的直流電流，對于確保電力系統(tǒng)及其他電力設(shè)備的安全運行將起到非常重要的作用，經(jīng)濟效益和社會意義十分重大。

借助對抑制措施的理論分析和數(shù)值求解，本文將揭示上述抑制方法的工作原理、實施方式、性能和效果，從而為更好地開展直流偏磁的防治工作提供參考。

1 虛擬電網(wǎng)直流電流分布算例

本文采用的仿真模型與算法可以參考文獻［7-15］。由于目前的變壓器中性點直流電流監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍有限，故本文參考蒙特卡洛算法的思想，隨機生成一個虛擬的大型電網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上進行抑制措施模型的理論分析和數(shù)值求解。

本文生成的虛擬交流電網(wǎng)覆蓋面積為400 km×250 km。電網(wǎng)內(nèi)共有35個500 kV變電站（使用自耦變壓器）和350個220 kV變電站。所有變電站隨機分布在電網(wǎng)覆蓋區(qū)域，所有500 kV和220 kV變壓器中性點均直接接地運行，電網(wǎng)的地理信息接線圖如圖1所示。

圖1 交流電網(wǎng)的地理信息接線圖Fig.1 Geographic information wiring diagram of AC grid

圖1中，圓點表示變電站，直線表示線路，小方框表示直流極（后同）。同一電壓等級網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系按某一特定原則確定，如500 kV網(wǎng)絡(luò)的地理信息接線圖見圖2。線路長度取變電站間距離的1.4倍，500 kV自耦變壓器公共繞組和串聯(lián)繞組的阻值為0.05 Ω，220 kV繞組阻值為0.1 Ω。本文約定500 kV變電站接地電阻為0.378 Ω，220 kV變電站接地電阻為0.522 Ω。交流電網(wǎng)覆蓋區(qū)域的等效土壤參數(shù)如表1所示。

圖2 500 kV網(wǎng)絡(luò)的地理信息接線圖Fig.2 Geographic information wiring diagram of 500 kV network

表1 水平4層土壤的參數(shù)Tab.1 Parameters of 4-layer horizontal soil

2 變壓器直流偏磁風(fēng)險的評估量

變壓器直流偏磁問題是非常復(fù)雜的非線性現(xiàn)象，目前難以形成統(tǒng)一有效的直流偏磁風(fēng)險評估標準。變壓器中性點直流電流是直流偏磁風(fēng)險評價的重要依據(jù)，但中性點直流電流不能反映自耦變壓器串聯(lián)繞組上的直流電流。因此本文作如下約定：不考慮自耦變壓器串聯(lián)繞組直流電流的方向，取整個電網(wǎng)自耦變壓器串聯(lián)繞組直流電流總量Is，Is可細分為500 kV串聯(lián)繞組直流總量Is500和220 kV串聯(lián)繞組直流總量Is220。定義500 kV公共繞組入地方向（從中性點流入地網(wǎng)）直流總量IN500+和出地方向（從中性點流出地網(wǎng)）直流總量IN500-，類似有220 kV變電站220 kV繞組的IN220+和IN220-。定義220 kV變電站入地電流總量為I220+，出地總量為I220-。由于交流電網(wǎng)為直流無源網(wǎng)絡(luò)，故繞組入地直流電流總量與出地直流電流總量應(yīng)相等，任取其一作為電網(wǎng)中性點直流電流總量Iz。

本文算例除了對單一站點的抑制效果作分析外，也對交流電網(wǎng)的變壓器繞組直流電流分布作分析，抑制措施能否總體上抑制交流電網(wǎng)的直流電流分布也有了量化的判定依據(jù)。

3 中性點串聯(lián)電阻/電容方法

直流電流是從變壓器接地的中性點進入交流電網(wǎng)的，故增大中性點支路直流電阻或者是隔斷其直流通路是抑制直流電流進入電網(wǎng)的最有效手段。中性點串聯(lián)電阻/電容方法的模型非常簡單，中性點串聯(lián)電阻法是在變壓器中性點和變電站節(jié)點間接入電阻支路，電容法只是斷開變壓器中性點與變電站節(jié)點間的支路。

3.1 電容法的仿真分析

仿真時選取距離直流極最近的220 kV變電站M135作為電容法的實施對象。直流極附近220 kV變電站中性點直流電流分布的計算結(jié)果如圖3所示，圖中只顯示中性點電流大于9 A的站點，“-”后的數(shù)字為相應(yīng)站點中性點電流（A），后同。

圖3 局部220 kV變電站中性點電流分布Fig.3 Neutral-point DC distribution of partial 220 kV substations

對比圖 3（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)，變電站 M135 采用電容隔直后，與其有線路聯(lián)系的變電站中性點直流電流均出現(xiàn)了增大的現(xiàn)象，不過其他變電站未受明顯影響。這是由于變電站M135采用措施前對與其有線路連接的變電站輸出電流，從而補償了這些變電站的中性點直流電流。

電網(wǎng)總體直流分布參數(shù)如表2所示。

表2 電網(wǎng)的總體直流電流分布Tab.2 Total DC distribution of grid

圖3和表2表明，雖然中性點串聯(lián)電容可能會造成交流電網(wǎng)局部直流電流增加，但交流電網(wǎng)總體直流電流分布呈現(xiàn)下降趨勢。

再觀察500 kV變電站的直流電流分布，500 kV變電站中性點的直流電流分布計算結(jié)果見圖4。

圖4 局部500 kV變電站中性點電流分布Fig.4 Neutral-point DC distribution of partial 500 kV substations

從圖4可以看出，采用電容法后，500 kV中性點的直流電流分布有所增加。與變電站H30的中性點直流電流較未采用措施時大接近20 A；相反地，變電站H30串聯(lián)繞組的直流分布因220 kV變電站中性點串入隔直電容而下降超過20 A，如圖5所示。

圖5 500 kV變電站串聯(lián)繞組電流分布Fig.5 Current distribution of series winding in 500 kV substation

圖4和圖5表明，變電站H30串聯(lián)繞組和公共繞組的直流電流變化相互抵消，本文近似認為220 kV變電站M135采用電容隔直基本不改變500 kV變壓器鐵芯直流磁通。

3.2 電阻法的仿真分析

對本文隨機算例中變電站M135使用電阻法，計算結(jié)果見表3。

計算結(jié)果表明，采用中性點串聯(lián)電阻抑制直流和電容法一樣可能會造成交流電網(wǎng)局部（中性點和串聯(lián)繞組）直流電流增大，但交流電網(wǎng)總體直流分布仍呈現(xiàn)下降趨勢，但串入電阻阻值對目標變電站中性點直流電流和電網(wǎng)中性點直流總量存在飽和效應(yīng)，即當電阻增大至某一程度時（一般是大于5～10倍接地電阻），直流電流不會明顯下降，這一現(xiàn)象可以使用電路理論來解釋：假設(shè)當外接負載遠大于電源內(nèi)阻時，回路電流近似與負載電阻成反比。電阻阻值取無窮大時，電網(wǎng)直流電流分布和電容法相同，這與電路理論分析結(jié)論一致，即電容法相當于電阻法阻值取無窮大的情況。

3.3 中性點串聯(lián)電阻/電容方法的實施方式

經(jīng)過大量算例和實踐檢驗，大規(guī)模交流電網(wǎng)大范圍采用抑制直流電流措施的原則如下：

a.中性點串聯(lián)電阻/電容方法應(yīng)從中性點直流電流最嚴重和距離直流極最近的站點入手；

b.若仿真計算與實測結(jié)果有出入，仍然按照原則a開展抑制工作；

c.交流電網(wǎng)抑制直流后，若仍有站點超標，則沿用原則a繼續(xù)開展抑制工作，直到所有站點達標為止；

d.在抑制工作已開展但電網(wǎng)參數(shù)改變的情況下，抑制直流分布工作仍應(yīng)按原則a進行。

4 電流注入法

電阻/電容法是無源方法，而電流注入法屬于有源方法，其本質(zhì)是通過變壓器中性點注入電流補償變電站線路間電位差，它最突出的優(yōu)點是不改變中性點狀態(tài)。過去對電流注入法的研究不多，這妨礙了電流注入法的應(yīng)用。南方某500 kV變電站曾由于控制原則選擇不當和參數(shù)調(diào)整時裕度不足，發(fā)生了電流發(fā)生器燒毀事故，最后不得不取消所有500 kV變電站的電流注入法抑制方案。

下面對本文的隨機算例中的220 kV變電站M135實施電流注入法。電流注入法的補償接地極位于變電站正東方1 km處，調(diào)整注入電流，觀察補償站中性點直流電流變化，計算結(jié)果見表4。

表4 電網(wǎng)的直流電流分布Tab.4 DC distribution of grid

表4、圖6和圖7表明，補償站中性點直流電流總量與注入電流呈現(xiàn)線性變化；交流電網(wǎng)中性點直流電流總量與注入電流呈現(xiàn)兩段式線性變化關(guān)系（先減再增），拐點（最小值）就是補償站中性點直流電流總量過零點對應(yīng)的注入電流。

圖6 補償站中性點直流總量隨注入電流的變化Fig.6 Total neutral-point DC of compensation substation vs.injected current

圖7 交流電網(wǎng)中性點直流總量隨注入電流的變化Fig.7 Total neutral-point DC of AC grid vs.injected current

圖8為電流注入法全補償情況下，500 kV變電站中性點電流分布（僅顯示中性點電流大于9 A的站點），其和圖4（b）非常相近，事實上，從整個電網(wǎng)的直流電流分布的角度來看，全補償?shù)碾娏髯⑷敕ê碗娙莘]有太多區(qū)別，工程上兩者抑制效果是一樣的。

圖8 500 kV變電站中性點電流分布Fig.8 Neutral-point DC distribution of 500 kV substations

5 電阻法、電容法和電流注入法的對比

3種方法對本文虛擬電網(wǎng)直流電流的抑制效果見表5。綜合前文的算例，表5數(shù)據(jù)表明，中性點串聯(lián)電阻/電容法和電流注入法均可使交流電網(wǎng)直流電流總量下降，原因是中性點串聯(lián)電阻/電容法相當于在整體上增大了交流電網(wǎng)地上直流網(wǎng)絡(luò)的等效電阻，起到抑制直流電流從接地網(wǎng)進入交流電網(wǎng)的作用；電流注入法相當于從整體上降低了地下網(wǎng)絡(luò)的電源幅值，從而使交流電網(wǎng)的直流電流總量下降。

表5 3種方法抑制效果的對比Tab.5 Comparison of restraint effect among three methods

3種方法的性能對比如下：

a.電阻/電容法屬于無源方法，通過增大中性點支路直流電阻或者是隔斷其直流通路從而抑制直流電流進入電網(wǎng)；電流注入法屬于有源方法，其本質(zhì)是通過變壓器中性點注入電流補償線路兩端變電站中性點間壓降。

b.3種方法均會造成交流電網(wǎng)局部（中性點和串聯(lián)繞組）直流電流增大，但交流電網(wǎng)總體直流分布仍呈現(xiàn)下降趨勢；電阻法對目標變電站中性點直流電流和電網(wǎng)中性點直流總量存在飽和效應(yīng)，阻值取無窮大時，電網(wǎng)電流分布和電容法相同；補償站中性點直流電流總量與注入電流呈現(xiàn)線性變化，交流電網(wǎng)中性點直流電流總量與注入電流呈現(xiàn)兩段式線性變化關(guān)系，拐點就是補償站中性點直流電流總量過零點對應(yīng)的注入電流；從電網(wǎng)的直流電流分布的角度來看，全補償?shù)碾娏髯⑷敕ê碗娙莘]有明顯區(qū)別，工程上兩者抑制效果是一樣的。

c.電流注入法在實際運行時采用欠補償?shù)姆绞竭\行（即注入電流增加至中性點直流電流小于某一限值就不再增加），故在實際情況下是電容法優(yōu)于電流注入法。

d.3種方法中，電阻/電容法性能較優(yōu)且可靠性和經(jīng)濟性較高，電流注入法造價昂貴且可靠不高，3種方法均不能完全抑制自耦變壓器串聯(lián)繞組的直流電流。

6 結(jié)論

a.使用電流注入法時，補償站中性點直流電流總量與注入電流呈現(xiàn)線性變化，交流電網(wǎng)中性點直流電流總量與注入電流呈現(xiàn)兩段式線性變化關(guān)系，電網(wǎng)最小電流總量對應(yīng)的注入電流就是補償站中性點直流電流過零點對應(yīng)的注入電流。

b.分析了3種方法的實現(xiàn)方式和技術(shù)參數(shù)，證明了采用抑制措施后，交流電網(wǎng)局部直流偏磁危害加劇，但電網(wǎng)直流電流總量下降，總體上直流偏磁風(fēng)險下降。

c.為了更有效地開展直流偏磁治理工作，提出了大規(guī)模交流電網(wǎng)大范圍采用電阻法/電容法抑制直流偏磁的原則。

d.對比分析了3種方法的性能，電阻法對目標變電站中性點直流電流和電網(wǎng)中性點直流總量存在飽和效應(yīng)；全補償?shù)碾娏髯⑷敕ê碗娙莘ǖ囊种菩Ч麤]有明顯區(qū)別；實際情況下是電容法優(yōu)于電流注入法和電阻法。