直流輸電系統(tǒng)利用大地回線(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)為金屬回線(xiàn)抑制直流偏磁策略研究

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(1.國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

隨著中國(guó)西部大開(kāi)發(fā)和電力能源戰(zhàn)略的推進(jìn)，集中于四川金沙江、雅礱江流域的多條特高壓直流輸電工程已逐漸投運(yùn)[1-3]。錦蘇、復(fù)奉、賓金三條特高壓直流從四川向華東輸送電能達(dá)到2 160 MW，成為“西電東送”重要的電力通道。

在直流輸電工程中，雙極運(yùn)行方式是最常見(jiàn)的運(yùn)行方式，在該運(yùn)行方式下，雙極電流保持一致，從而將接地極電流控制在一個(gè)較小的范圍之內(nèi)。然而，如果此時(shí)一極因某種原因退出運(yùn)行，大量的注入電流則會(huì)通過(guò)接地極注入大地。在該方式下，接地極附近的主變壓器極有可能因直流電流的注入而產(chǎn)生直流偏磁。該問(wèn)題已經(jīng)得到了學(xué)者的深入關(guān)注。

文獻(xiàn)[4]在分析變壓器直流偏磁原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件分析了直流偏磁對(duì)變壓器勵(lì)磁電流的影響。也有學(xué)者利用試驗(yàn)的方法對(duì)500 kV單相變壓器空載及模擬帶部分負(fù)載下的直流偏磁進(jìn)行研究[5]。

在直流偏磁抑制策略方面，有學(xué)者對(duì)中性點(diǎn)串聯(lián)電阻/電容法、電流注入法的工作原理、實(shí)施方式、性能效果進(jìn)行了分析[6]。結(jié)果表明，利用上述3種方法均可導(dǎo)致電網(wǎng)直流電流總量下降，但是交流電網(wǎng)局部的直流偏磁危害卻有可能加劇。

首先對(duì)直流偏磁的原理進(jìn)行了分析，并對(duì)現(xiàn)有常見(jiàn)的抑制策略進(jìn)行了綜述。其次，基于從源頭上抑制風(fēng)險(xiǎn)的思路，提出了一種利用換流站操作抑制直流偏磁的策略。利用該策略，當(dāng)直流輸電系統(tǒng)因保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致雙極閉鎖時(shí)，自動(dòng)地由大地回線(xiàn)模式裝換為金屬回線(xiàn)方式，從而起到減小直流接地點(diǎn)的入地電流，緩解直流偏磁的目的。

1 直流偏磁產(chǎn)生的原因

國(guó)內(nèi)外研究和實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，地磁暴或直流系統(tǒng)接地極流過(guò)較大電流是導(dǎo)致中性點(diǎn)接地變壓器中流過(guò)直流電流的主要原因。

太陽(yáng)耀斑和地磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生極光電噴，使地磁場(chǎng)產(chǎn)生暫態(tài)波動(dòng)，當(dāng)足夠嚴(yán)重時(shí)，就稱(chēng)為地磁暴。

大地是一個(gè)導(dǎo)電的球體，在發(fā)生地磁暴時(shí)，地磁場(chǎng)的暫態(tài)波動(dòng)使大地的一部分處于這個(gè)隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中，引起感應(yīng)地表電位(ESP)，在土壤電阻率高的地帶，地磁暴較嚴(yán)重時(shí)，其數(shù)值可達(dá)1.2～6 V/km 。從有關(guān)資料上看到因地磁暴產(chǎn)生的變壓器中性點(diǎn)直流電流最大可達(dá)300 A。

直流輸電系統(tǒng)換流站的接地極附近有直流電位，該電位由注入電流的大小和該處的土壤電阻率決定。當(dāng)直流系統(tǒng)采用大地返回方式運(yùn)行時(shí)，注入電流就是直流輸送電流，而土壤電阻率越高，電位也越高，影響范圍也就越廣。直流接地極的高電位也作用在交流變電站的接地點(diǎn)上，在中性點(diǎn)接地的變壓器中流過(guò)直流電流，相當(dāng)于分流了部分直流輸送電流，這是交流變壓器中性點(diǎn)直流電流的另一個(gè)來(lái)源。直流電流在交直流系統(tǒng)中的流向如圖1所示。

圖1 直流電流在交直流系統(tǒng)中流向示意圖

單極大地回線(xiàn)運(yùn)行方式是直流輸電系統(tǒng)不同運(yùn)行方式中的一種。它是利用單根金屬導(dǎo)線(xiàn)和大地構(gòu)成直流側(cè)的單極回路，大地相當(dāng)于直流輸電線(xiàn)路的一根導(dǎo)線(xiàn)，流經(jīng)它的電流為直流輸電工程的運(yùn)行電流。從理論分析和系統(tǒng)運(yùn)行情況可知，這種運(yùn)行方式將在中性點(diǎn)接地變壓器上產(chǎn)生直流分量，從而引起變壓器發(fā)生直流偏磁。

2 直流偏磁對(duì)系統(tǒng)的影響

發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器勵(lì)磁電流產(chǎn)生的大量諧波，引起變壓器的一系列問(wèn)題。

(1)無(wú)功損耗增大

由于直流偏磁引起變壓器飽和，勵(lì)磁電流大大增加，使變壓器消耗無(wú)功增加，它或使系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置過(guò)載，或使系統(tǒng)電壓下降。

(2)振動(dòng)、噪聲加大

畸變的勵(lì)磁電流導(dǎo)致變壓器鐵心的磁致伸縮力增加，加劇鐵心的振動(dòng)，輻射更強(qiáng)的空載噪聲；嚴(yán)重的變壓器直流偏磁將使變壓器工作在半周高度飽和狀態(tài)下，飽和鐵心成為更高磁阻路徑，鐵心要求更多安培匝數(shù)產(chǎn)生相同數(shù)量的磁通，為了維持系統(tǒng)正常的正弦電壓水平，會(huì)產(chǎn)生大量的漏磁通，漏磁與變壓器繞組電流作用產(chǎn)生的電動(dòng)力使繞組振動(dòng)產(chǎn)生噪聲，并使繞組易變形老化。

國(guó)外的文獻(xiàn)中未見(jiàn)到變壓器因直流偏磁引起振動(dòng)而損壞的實(shí)例，據(jù)中國(guó)的一些變壓器制造廠(chǎng)商稱(chēng)，變壓器中性點(diǎn)流過(guò)直流造成的偏磁的確會(huì)引起噪聲，但中性點(diǎn)十幾安直流尚不至于造成變壓器損壞。江蘇省對(duì)其所屬電網(wǎng)的幾種變壓器的分析結(jié)果證實(shí)了上述說(shuō)法。

(3)變壓器損耗增大

諧波中的高頻成分在鐵心中產(chǎn)生更多的渦流損耗；由于直流的入侵和諧波的集膚效應(yīng)增加了銅損耗，直流電流越大、諧波頻率越高，銅耗越大；增加的漏磁進(jìn)入箱體各個(gè)部件中，增大有功損耗，并使變壓器局部過(guò)熱。發(fā)熱使設(shè)備產(chǎn)生溫升，從而惡化設(shè)備絕緣條件，縮短設(shè)備的壽命。

(4)影響二次保護(hù)

變壓器發(fā)生直流偏磁時(shí)，勵(lì)磁電流諧波增加，隨之變壓器各側(cè)的電流和電壓諧波均有增加，間接地會(huì)影響繼電器、自動(dòng)控制裝置的正常工作，影響繼電保護(hù)裝置的正常工作，造成拒動(dòng)或誤動(dòng)。

3 直流偏磁抑制措施簡(jiǎn)介

目前國(guó)內(nèi)外抑制流入變壓器中性點(diǎn)直流電流的方法有多種，主要是有以下幾種。

1)在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)電阻，可限制直流電流的大小，但無(wú)法全部消除；

2)在輸電線(xiàn)上裝設(shè)串聯(lián)電容補(bǔ)償，阻斷直流的通路，但造價(jià)較高；

3)在變壓器中性點(diǎn)注入與流入中性點(diǎn)的直流電流大小相等方向相反的電流，可在一定程度上減小直流電流；

4)在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)電容，徹底阻斷直流電流；

5)采用第3根導(dǎo)線(xiàn)替代大地回線(xiàn)；

6)在直流系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖后迅速雙極閉鎖，以防止大量直流電流入地。

2004年6月，中國(guó)電力科學(xué)研究院開(kāi)始對(duì)抑制直流偏磁問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究及裝置研發(fā)。隨后清華大學(xué)、華東電力試驗(yàn)研究院等單位也相繼開(kāi)展了相關(guān)研究。目前在廣東、上海、遼寧、江蘇、浙江等地區(qū)已經(jīng)采取了相應(yīng)的治理措施。

廣東地區(qū)已經(jīng)裝設(shè)了11臺(tái)電容型隔直裝置，其中500 kV變壓器裝設(shè)了7臺(tái)，220 kV變壓器裝設(shè)了4臺(tái)，還有1臺(tái)正在實(shí)施。電容型隔直裝置能夠徹底消除直流偏磁電流。

上海地區(qū)已經(jīng)裝設(shè)了5臺(tái)電阻型隔直裝置，以220 kV 變電站居多，能夠?qū)⒅绷麟娏飨拗圃? A以下。

4 大地回線(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)為金屬回線(xiàn)治理直流偏磁措施研究

4.1 措施原理

直流輸電工程在單極大地回線(xiàn)或雙極不平衡運(yùn)行方式下，直流電流依靠大地形成通流回路，如果在接地極周?chē)耐寥离娮杪瘦^大則會(huì)使周?chē)涣髯冸娬窘拥鼐W(wǎng)產(chǎn)生不同的直流電位差，進(jìn)而在中性點(diǎn)接地的變壓器中形成直流電流，此直流電流有可能引起變壓器的磁路飽和，引起發(fā)熱、振動(dòng)以及諧波超標(biāo)、聲響異常等一系列不良后果。通過(guò)直流系統(tǒng)采用雙極平衡運(yùn)行方式或單極金屬回線(xiàn)運(yùn)行方式，可以消除由于直流輸電工程入地電流引起的直流偏磁現(xiàn)象。

在直流輸電工程的運(yùn)行中，雙極運(yùn)行方式是最常采用的運(yùn)行方式，但如果此時(shí)一極由于某種原因退出運(yùn)行，則可將健全極及時(shí)轉(zhuǎn)為金屬回線(xiàn)運(yùn)行方式，消除直流系統(tǒng)產(chǎn)生的入地電流，從而徹底解決接地極附近變壓器的直流偏磁問(wèn)題。

4.2 措施步驟

直流系統(tǒng)由大地回線(xiàn)轉(zhuǎn)為金屬回線(xiàn)需考慮站間通訊正常及異常兩種狀態(tài)。在極I因故障而閉鎖時(shí)，直流系統(tǒng)自動(dòng)將極II由大地回線(xiàn)轉(zhuǎn)為金屬回線(xiàn)的步驟如下。

(1)控制系統(tǒng)自動(dòng)核實(shí)直流系統(tǒng)兩端設(shè)備具備由大地回線(xiàn)運(yùn)行轉(zhuǎn)為金屬回線(xiàn)運(yùn)行條件，例如MRTB開(kāi)關(guān)在運(yùn)行狀態(tài)。

(2)控制系統(tǒng)核實(shí)停運(yùn)極是否滿(mǎn)足轉(zhuǎn)為金屬回線(xiàn)運(yùn)行的條件，如該極是否處于極隔離狀態(tài)。若不滿(mǎn)足條件，則下發(fā)轉(zhuǎn)金屬回線(xiàn)運(yùn)行指令后由控制系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為極隔離，或下發(fā)轉(zhuǎn)金屬回線(xiàn)運(yùn)行指令前人為將該極隔離。

(2)執(zhí)行大地回線(xiàn)轉(zhuǎn)金屬回線(xiàn)運(yùn)行指令，分、合兩站相關(guān)接地刀閘及隔離刀閘，最后合上大地回線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(GRTS)，形成大地回線(xiàn)和金屬回線(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)。

(3)最后執(zhí)行大地回線(xiàn)轉(zhuǎn)金屬回線(xiàn)運(yùn)行指令分開(kāi)金屬回線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(MRTB)，大地回線(xiàn)電流轉(zhuǎn)移至金屬回線(xiàn)，直流系統(tǒng)形成金屬回線(xiàn)運(yùn)行方式。

圖2為直流系統(tǒng)雙極平衡運(yùn)行示意圖，停運(yùn)極I并利用自動(dòng)裝置將極II轉(zhuǎn)為金屬回線(xiàn)運(yùn)行后直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖見(jiàn)圖3。

4.3 措施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

直流輸電工程采用手動(dòng)方式由大地回線(xiàn)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)為金屬回線(xiàn)運(yùn)行方式需要比較久的時(shí)間，包括運(yùn)行人員檢查直流設(shè)備的時(shí)間及上級(jí)調(diào)度給運(yùn)行人員下令的時(shí)間。若采用自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式，則上述時(shí)間均可省略，但這種條件下要求控制系統(tǒng)對(duì)直流系統(tǒng)是否具備轉(zhuǎn)換條件進(jìn)行必要及充分的判斷。

比較直流系統(tǒng)由大地回線(xiàn)轉(zhuǎn)為金屬回線(xiàn)運(yùn)行的手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在的相同風(fēng)險(xiǎn)如下。

(1)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中控制系統(tǒng)接收到刀閘位置信號(hào)與設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)不一致，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換中斷，保持大地回線(xiàn)運(yùn)行。

(2)轉(zhuǎn)換過(guò)程中由于設(shè)備缺陷，例如MRTB開(kāi)關(guān)的并聯(lián)支路、GRTS開(kāi)關(guān)的并聯(lián)支路，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換過(guò)程失敗，甚至正常運(yùn)行極閉鎖。

而如果采用自動(dòng)方式將直流系統(tǒng)由大地回線(xiàn)運(yùn)行轉(zhuǎn)為金屬回線(xiàn)運(yùn)行，還需考慮下列風(fēng)險(xiǎn)。

(1)雙極正常運(yùn)行的直流系統(tǒng)，當(dāng)一極由于保護(hù)閉鎖后其功率將自動(dòng)轉(zhuǎn)至正常運(yùn)行極，正常運(yùn)行極可能出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行現(xiàn)象，實(shí)際直流電流超過(guò)額定電流；此時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的話(huà)，運(yùn)行電流超過(guò)設(shè)備的轉(zhuǎn)換能力，不增加約束條件即進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。

圖2 直流系統(tǒng)雙極平衡運(yùn)行

圖3 直流系統(tǒng)單極金屬回線(xiàn)運(yùn)行

(2)雙極正常運(yùn)行的直流系統(tǒng)，一極由于直流線(xiàn)路故障導(dǎo)致該極閉鎖，閉鎖后無(wú)法判斷直流線(xiàn)路故障是否清除，此時(shí)進(jìn)行大地/金屬轉(zhuǎn)換，可能由于直流線(xiàn)路故障仍然存在而導(dǎo)致正常運(yùn)行極閉鎖。

(3)換流站均裝設(shè)有緊急停運(yùn)按鈕，運(yùn)行人員可以在緊急情況下將直流系統(tǒng)快速停運(yùn)。若直流系統(tǒng)一極由于運(yùn)行人員按緊急停運(yùn)按鈕閉鎖，說(shuō)明站內(nèi)出現(xiàn)比較嚴(yán)重故障，運(yùn)行人員需要進(jìn)行故障處理，此時(shí)再進(jìn)行設(shè)備操作風(fēng)險(xiǎn)很大。

(4)金屬回線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(MRTB)在檢修狀態(tài)，采用與其并聯(lián)的刀閘作為大地回線(xiàn)運(yùn)行的通路，由于該刀閘不具備開(kāi)斷直流電流能力，不能進(jìn)行大地金屬回線(xiàn)轉(zhuǎn)換。

(5)現(xiàn)有超高壓及特高壓直流工程中，一個(gè)極的換流器保護(hù)或極保護(hù)動(dòng)作時(shí)要求閉鎖該極的同時(shí)進(jìn)行極隔離，以下列舉了相關(guān)的一些保護(hù)。

極母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)

極差動(dòng)保護(hù)

中性母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)

極過(guò)流保護(hù)

換流器連線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)

直流諧波保護(hù)

閥短路保護(hù)

換相失敗保護(hù)

直流濾波器差動(dòng)保護(hù)

極控制保護(hù)設(shè)備監(jiān)視跳閘 如VBE跳閘

輔助設(shè)備保護(hù)跳閘 水冷系統(tǒng)

非電量保護(hù)，如換流變壓器非電量保護(hù)等

在進(jìn)行極隔離時(shí)均有可能會(huì)發(fā)生NBS重合的問(wèn)題，且導(dǎo)致NBS重合的保護(hù)具有動(dòng)作不確定性，而NBS重合產(chǎn)生的后果是去合站內(nèi)接地開(kāi)關(guān)NBGS，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)NBGS不拉開(kāi)就轉(zhuǎn)入金屬回線(xiàn)運(yùn)行也會(huì)引起正常運(yùn)行極閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)。

(6)直流系統(tǒng)兩站站間通訊異常時(shí)，需要兩站配合才能完成大地/金屬回線(xiàn)轉(zhuǎn)換，因此在站間通訊異常時(shí)，此時(shí)進(jìn)行大地/金屬轉(zhuǎn)換存在導(dǎo)致正常運(yùn)行極閉鎖功能。

綜合上述自動(dòng)方式下直流系統(tǒng)由大地回線(xiàn)轉(zhuǎn)為金屬回線(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，與手動(dòng)方式大地/金屬回線(xiàn)轉(zhuǎn)換功能相比，采用自動(dòng)方式需要在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行更加周密的考慮。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)直流偏磁產(chǎn)生原因、直流偏磁影響及其抑制措施進(jìn)行了綜述，并提出了一種基于換流站自動(dòng)操作的直流偏磁抑制策略。根據(jù)該策略，當(dāng)直流輸電系統(tǒng)因保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致單極閉鎖時(shí)，自動(dòng)地由大地回線(xiàn)模式裝換為金屬回線(xiàn)方式，避免大量直流電流入地。得到了以下結(jié)論。

(1)當(dāng)直流系統(tǒng)采用大地返回方式運(yùn)行時(shí)，注入電流就是直流輸送電流，而土壤電阻率越高，直流接地極則會(huì)出現(xiàn)高電位。直流接地極的高電位也作用在交流變電站的接地點(diǎn)上，在中性點(diǎn)接地的變壓器中流過(guò)直流電流，相當(dāng)于分流了部分直流輸送電流，這是交流變壓器中性點(diǎn)直流電流的一個(gè)主要來(lái)源。

(2)發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器勵(lì)磁電流產(chǎn)生的大量諧波，引起變壓器的一系列問(wèn)題。如無(wú)功損耗增大；振動(dòng)、噪聲加大變壓器損耗增大；影響二次保護(hù)等。

(3)目前國(guó)內(nèi)外抑制流入變壓器中性點(diǎn)直流電流的方法有多種，主要包括在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)電阻，限制直流電流的大小；在輸電線(xiàn)上裝設(shè)串聯(lián)電容補(bǔ)償，阻斷直流的通路；在變壓器中性點(diǎn)注入與流入中性點(diǎn)的直流電流大小相等方向相反的電流；在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)電容，徹底阻斷直流電流；采用第3根導(dǎo)線(xiàn)替代大地回線(xiàn)等。

(4)所提出的基于換流站操作的直流偏磁抑制策略，可當(dāng)直流輸電系統(tǒng)因保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致單極閉鎖時(shí)，自動(dòng)地由大地回線(xiàn)模式轉(zhuǎn)換為金屬回線(xiàn)方式。由此可以極大地減小接地極流過(guò)大電流的實(shí)現(xiàn)，有效抑制直流偏磁。分析表明，與大地/金屬回線(xiàn)手動(dòng)轉(zhuǎn)換方式相比，自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式存在更多的潛在風(fēng)險(xiǎn)，需要在功能設(shè)計(jì)時(shí)考慮周全。在充分考慮大地/金屬回線(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式的潛在風(fēng)險(xiǎn)并采取相應(yīng)的對(duì)策后，大地/金屬回線(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)在技術(shù)上是可行的。

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