特高壓直流輸電對(duì)交流電網(wǎng)變壓器的影響

摘 要：本文以糯扎渡-鶴山±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了特高壓直流輸電系統(tǒng)采用單極大地方式運(yùn)行時(shí)直流偏磁產(chǎn)生的原因及對(duì)交流變壓器本身和電網(wǎng)的影響，對(duì)流過(guò)變壓器繞組直流電流大小的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了討論，并結(jié)合目前江門(mén)電網(wǎng)的情況提出幾點(diǎn)抑制流入變壓器中性點(diǎn)地中直流的措施。

關(guān)鍵詞：特高壓直流 直流偏磁 交流變壓器 抑制措施

中圖分類號(hào)：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（a）-0134-03

近年來(lái)我國(guó)尤其是沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)用電需求增長(zhǎng)很大，但是我國(guó)能源豐富地區(qū)大都在西部，這種能源和負(fù)荷分布不平衡的局面促使我國(guó)實(shí)行“西電東送”工程，因此，大力開(kāi)發(fā)西南水電，采用特高壓直流將電能輸送到沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)勢(shì)在必行[1，2]。隨著世界上首個(gè)±800 kV特高壓直流輸電工程（云南楚雄至廣東穗東）的正式投產(chǎn)，第二條云廣線（糯扎渡至鶴山）于2012年4月15日也順利開(kāi)工，該工程是南方電網(wǎng)公司“西電東送”重點(diǎn)項(xiàng)目，起于云南糯扎渡換流站，止于廣東江門(mén)換流站。糯扎渡至鶴山直流輸電工程額定容量5000 MW，采用雙12脈動(dòng)閥組串聯(lián)接線方式，送電距離約1451 km。受端江門(mén)換流站位于廣東省江門(mén)鶴山龍口鎮(zhèn)，與500 kV鶴山變電站合建，本期500 kV交流出線4回，分別以2回500 kV線路接入江門(mén)變和順德變，預(yù)留交流主變及500 kV和220 kV出線。

但目前龍政、江城、葛南、穗東等高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行情況表明，高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行方式對(duì)交流電網(wǎng)和中性點(diǎn)直接接地變壓器都有一定的影響，特高壓直流輸電工程尤為嚴(yán)重。多個(gè)特高壓直流輸電系統(tǒng)投運(yùn)后，這些影響將進(jìn)一步加大，因此結(jié)合江門(mén)電網(wǎng)的實(shí)際情況研究分析高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)中性點(diǎn)直接接地變壓器的影響并采取相關(guān)抑制措施具有重要意義。

1 地中電流對(duì)交流系統(tǒng)變壓器的影響

地中電流對(duì)交流系統(tǒng)變壓器的影響主要體現(xiàn)在對(duì)交流電網(wǎng)中220 kV及其以上變電站的影響[3]。自2004年鵝城換流站投產(chǎn)后，三廣直流雙級(jí)功率不平衡或采取單極-大地回線方式運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)接地極周邊中性點(diǎn)接地的交流變壓器產(chǎn)生不良的影響，特別對(duì)500 kV的變壓器，主要表現(xiàn)在噪聲增大，流過(guò)中性點(diǎn)的直流增大等。江門(mén)市有220 kV變電站共25座、500 kV變電站3座分別是五邑站，江門(mén)站和圭峰站。

1.1 直流偏磁產(chǎn)生的原因

特高壓直流輸電不同于常規(guī)的高壓直流輸電，其運(yùn)行方式相當(dāng)復(fù)雜，一個(gè)雙極特高壓直流輸電系統(tǒng)的可能運(yùn)行方式可達(dá)20多種[4]。當(dāng)單極或雙極不對(duì)稱以大地為回路運(yùn)行時(shí)，巨大的直流電流以大地構(gòu)成回路如圖1所示（例如在糯扎渡至鶴山直流輸電工程中直流接地極的設(shè)計(jì)額定電流是3.125 kA），這個(gè)強(qiáng)大的直流電流會(huì)在接地極址土壤中形成恒定電流場(chǎng)E，必然對(duì)接地極本身及其對(duì)附近的交流系統(tǒng)產(chǎn)生影響。離接地極址越近，直流電場(chǎng)越大，反之越小。位于該電場(chǎng)中的兩個(gè)變電站1和2，如果變壓器中性點(diǎn)接地，則直流電場(chǎng)使得兩個(gè)變電站的接地點(diǎn)G1和G2間形成直流電壓。在該電壓的作用下，兩個(gè)變壓器的中性線、交流三相線路l以及G1和G2間的大地（或海水）環(huán)路中形成直流電流Id`。該直流電流的大小取決于變電站和直流極址間的距離，變電站接地電阻，變壓器及交流線路的直流電阻以及土壤電阻率等因素。

變壓器每相繞組中不含直流分量時(shí)工作在磁環(huán)曲線的線性段，如圖2中（a）的OA段，磁鏈ψ與勵(lì)磁電流If成正比，勵(lì)磁電流為正弦波，如圖2中（b）所示。當(dāng)直流電流較大時(shí)將引起變壓器鐵心單向磁飽和，使該方向的勵(lì)磁電流進(jìn)入磁化曲線的飽和區(qū)，此時(shí)勵(lì)磁電流的正半周出現(xiàn)尖頂，而負(fù)半周繼續(xù)保持為正弦波，勵(lì)磁電流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生直流偏磁。

1.2 直流偏磁對(duì)變壓器的危害

直流偏磁對(duì)變壓器的影響表現(xiàn)在一下幾個(gè)方面。

（1）變壓器損耗增加，溫升增大，引發(fā)局部過(guò)熱。變壓器繞組、鐵心、郵箱和夾件等結(jié)構(gòu)件的渦流損耗增加，引起變壓器頂層油溫升和繞組溫升增加。當(dāng)直流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，必然導(dǎo)致局部過(guò)熱。研究表明：一臺(tái)370 MVA、735 kV的單項(xiàng)自耦變壓器中注入75 A的直流電流，持續(xù)1 h后，拉板上頂部與頂油溫差可達(dá)到52 K。

（2）噪聲增大。直流偏磁使變壓器鐵心磁通飽和，諧波分量增加，導(dǎo)致磁滯伸縮加劇，噪聲增大[5]。對(duì)于單相變壓器，當(dāng)直流電流達(dá)到額定勵(lì)磁電流時(shí)，噪音增大10 dB，若達(dá)到4倍的額定勵(lì)磁電流，噪音增大20 dB；變壓器直流偏磁會(huì)產(chǎn)生諧波，使變壓器噪音頻率發(fā)生變化，可能會(huì)因某一頻率與變壓器結(jié)構(gòu)部件發(fā)生共振使噪音增大[6]。有記錄證明直流偏磁可造成變壓器噪聲高達(dá)91.4 dB。

（3）振動(dòng)加劇。直流偏磁使變壓器勵(lì)磁電流畸變，引起漏磁通增加，導(dǎo)致繞組電動(dòng)力增加，在一定程度上使變壓器振動(dòng)加劇[5，7]。如江蘇武南變電站，當(dāng)變壓器中性點(diǎn)直流電流為12.8 A時(shí)，郵箱壁振動(dòng)高達(dá)194 mm。

1.3 直流偏磁對(duì)電網(wǎng)的危害

1.3.1 諧波源

變壓器正常工作時(shí)，其勵(lì)磁電流是對(duì)稱的尖頂波，勵(lì)磁電流中只含奇次諧波，感應(yīng)電壓是正弦波。直流偏磁作用時(shí)，單方向極度飽和的變壓器勵(lì)磁電流中出現(xiàn)了偶次諧波，感應(yīng)電壓含有諧波分量，變壓器成了交流系統(tǒng)中的諧波源。

諧波的產(chǎn)生將對(duì)系統(tǒng)造成影響如下[8]。

（1）系統(tǒng)電壓波形畸變。

（2）導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)。

（3）導(dǎo)致濾波器過(guò)載。

（4）合空載長(zhǎng)線時(shí)，產(chǎn)生持續(xù)過(guò)電壓。

（5）單相重合閘過(guò)程中潛供電流增加。

（6）斷路器恢復(fù)電壓增高。

1.3.2 電網(wǎng)電壓下降

直流偏磁引起變壓器磁路飽和，勵(lì)磁電流增加，變壓器消耗無(wú)功增加，使系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置過(guò)載導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降。

2 流過(guò)變壓器繞組直流電流大小的相關(guān)問(wèn)題

假設(shè)變電站1和2分別位于接地極地電流場(chǎng)，如圖3所示以流經(jīng)兩臺(tái)接地變壓器繞組直流電流的大小決定于：（l）兩臺(tái)接地變壓器所處位置的電位j1、j2；（2）兩個(gè)變電站的接地電阻Rg1、Rg2；（3）兩臺(tái)接地變壓器的每相繞組直流電阻Rt1、Rt2；（4）連接兩臺(tái)變壓器每相線路的直流電阻R1。

由歐姆定律可知流過(guò)變壓器每相繞組的直流電流可表示為：

（1）

在實(shí)際工程中，由于大地土壤電阻率分布并非各向均勻，使得計(jì)算各變電所電位變得很復(fù)雜；再加上電力系統(tǒng)接線是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，不是單一支路，因而計(jì)算電流應(yīng)使用網(wǎng)絡(luò)的概念，需要收集大量的系統(tǒng)資料，如系統(tǒng)接線圖、變電所變壓器型式及相關(guān)參數(shù)、接地電阻、線路參數(shù)等。

假設(shè)電力系統(tǒng)由m個(gè)母線節(jié)點(diǎn)，n座廠站，k條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直流輸電線路，l臺(tái)接地變壓器組成，假定無(wú)窮遠(yuǎn)處直流電位為零，則系統(tǒng)在k條直流線路同時(shí)單極大地運(yùn)行時(shí)應(yīng)滿足以下矩陣方程式[9]：

= （2）

式（2）中，Gaa為交流電網(wǎng)的（m+n）×（m+n）階直流電導(dǎo)矩陣；Gad為交流電網(wǎng)與直流網(wǎng)互電導(dǎo)組成的（m+n）×2k階電導(dǎo)矩陣；Gdd為直流接地極特性組成的2k×2k階電導(dǎo)矩陣；Ua為交流電網(wǎng)母線及交流接地極（m+n）維直流電壓向量；Ud為直流接地極母線2k維直流電壓向量；Id為直流單極大地回路運(yùn)行時(shí)注入接地極的2k維大地電流向量。

給定G，I后，由式（2）通過(guò)矩陣運(yùn)算可求得交流母線的直流電壓

（3）

則變壓器中性點(diǎn)的直流分量Il為：

（4）

式中，Gl為變壓器繞組的電導(dǎo)；UW1為變壓器母線直流電壓；UN1為變壓器中性點(diǎn)與接地極連接處的直流電壓。

流過(guò)個(gè)變壓器繞組的直流電流大小，不僅與接地極的距離相關(guān)，同時(shí)與極致土壤導(dǎo)電性能、電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接線及其參數(shù)（如變電站接地電阻、導(dǎo)線型號(hào)及長(zhǎng)度、變壓器容量及臺(tái)數(shù)等）有關(guān)。在一個(gè)變電站里單臺(tái)運(yùn)行的變壓器比多臺(tái)投運(yùn)的變壓器更容易受到影響；靠近接地極變電站和與接地極成徑向布置的變電站較其他方向布置的變電站容易流過(guò)更多的地電流。由于糯扎渡至鶴山800 kV特高壓直流輸電工程正在建設(shè)當(dāng)中，我們對(duì)接地極極致的具體地理位置并不是非常明確。所以計(jì)算流過(guò)電力系統(tǒng)各變壓器繞組的直流電流工作有待下一步進(jìn)行。

3 抑制變壓器中性點(diǎn)直流的措施

對(duì)于變壓器的直流偏磁問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員得出的直流限值不盡相同，但一般認(rèn)為當(dāng)每相的直流限值小于0.7%的每相交流額定有效值時(shí)，則直流偏磁的影響可以接受[10]。對(duì)此問(wèn)題的研究應(yīng)先計(jì)算出變壓器允許通過(guò)的直流電流并和變壓器實(shí)際通過(guò)的最大的直流電流進(jìn)行比較，如限值小于實(shí)際通過(guò)的直流電流，應(yīng)采取限流措施以減小直流偏磁的影響。具體解決方法如下。

（1）為避免直流電流對(duì)變壓器的影響，建設(shè)接地極時(shí)與變電站保持合適距離，采用具有良好導(dǎo)電特性且耐受電腐蝕強(qiáng)的接地極材料并深層設(shè)計(jì)，這是根本解決方法。

（2）對(duì)于尚未訂貨的變壓器，可以將計(jì)算及實(shí)測(cè)得到的流過(guò)變壓器繞組的直流電流值及持續(xù)時(shí)間寫(xiě)進(jìn)設(shè)備招標(biāo)技術(shù)規(guī)范書(shū)，要求廠家滿足技術(shù)要求；或者要求制造廠考慮直流偏磁所引起的問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)制造工藝來(lái)提高變壓器抗直流偏磁的問(wèn)題。

（3）對(duì)110 kV變壓器，可以調(diào)整變電所接地位置，讓受影響變電站不接地。

（4）對(duì)投運(yùn)的變壓器，可在受影響的變壓器的中性點(diǎn)加裝電阻或電容器隔直裝置，減少或隔斷直流。

（5）在實(shí)際工作中加強(qiáng)對(duì)主變中性點(diǎn)電流的監(jiān)測(cè)，如果中性點(diǎn)直流分量已經(jīng)達(dá)到危及變壓器安全的程度，應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇合適的抑制措施，確保發(fā)電廠主變壓器的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著“西電東送”工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的高壓直流輸電工程將落戶廣東并投入運(yùn)行，其中特高壓直流輸電在我國(guó)“西電東送”工程中扮演重要的角色，因此變壓器受直流電影響的范圍將越來(lái)越廣泛，程度也越來(lái)越嚴(yán)重。為減少直流電流對(duì)交流變壓器的影響，對(duì)于正在規(guī)劃的江門(mén)換流站，我們首先要從直流接地極的選址、設(shè)計(jì)和選材方面入手；對(duì)于已投入運(yùn)行的接地極，若要在該地區(qū)附近籌建交流變電站，應(yīng)該從變電站的選址、變壓器的設(shè)計(jì)方面入手。一方面變電站的選址要與三—廣直流的接地極保持相當(dāng)?shù)木嚯x；另一方面要求變壓器制造廠家完善變壓器的參數(shù)，使變壓器滿足直流偏磁方面的技術(shù)要求，將接地極對(duì)變壓器的影響減至最少。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇宏田，齊旭，吳云.我國(guó)特高壓直流輸電市場(chǎng)需求研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（24）：1-4.

[2]趙畹君.高壓直流輸電工程程技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[3]續(xù)建國(guó).直流輸電與交流電網(wǎng)變壓器偏磁問(wèn)題研究[D].西南交通大學(xué)，2011.

[4]韓民曉，文俊，許永海.高壓直流輸電原理與運(yùn)行[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5]馬志強(qiáng).變壓器直流偏磁的原理性仿真[J].廣東電力，2004，17（2）：5-9.

[6]Chen Wenge，Kang Zhanying，Ding Bingjun.Preparation and Arc Breakdown Behavior of Nanocrystalline W-Cu Electrical Contact Materials[J].Journal of Material Science Technology，2005，21（6）：875-878.

[7]蒯狄正，萬(wàn)達(dá)，鄒云.直流偏磁對(duì)變壓器的影響[J].中國(guó)電力，2004，37（8）：41-43.

[8]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（10）：19-22.

[9]馬志強(qiáng)，黎小林，鐘定珠.直流輸電大地電流對(duì)交流系統(tǒng)影響的網(wǎng)絡(luò)分析算法[J].廣東電力，2005，18（12）：4-8.

[10]朱藝穎，蔣衛(wèi)平，曾昭華，等.抑制變壓器中性點(diǎn)直流電流的措施研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（13）：1-7.