±800 kV天—中直流對(duì)哈密電網(wǎng)變壓器直流偏磁的影響

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(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊 830006)

0 引 言

直流偏磁是變壓器的一種非正常工作狀態(tài)。由于變壓器的原邊等效阻抗對(duì)直流分量只呈現(xiàn)電阻特性，且電阻很小，因此，很小的直流分量就會(huì)在繞組中形成很大的直流激磁磁勢(shì)。該直流磁勢(shì)與交流磁勢(shì)一起作用于變壓器原邊，造成變壓器鐵心的工作磁化曲線發(fā)生偏移，出現(xiàn)關(guān)于原點(diǎn)不對(duì)稱，即變壓器偏磁現(xiàn)象[1,2]。

大型電力變壓器的勵(lì)磁電流比較小，流過變壓器的少量的直流電流就可能導(dǎo)致直流偏磁，引起鐵心飽和，導(dǎo)致電流波形畸變，產(chǎn)生高次諧波，危害變壓器和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[3-6]。高壓直流輸電單極大地回線運(yùn)行方式容易導(dǎo)致周圍交流變電站變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，換流變壓器也多發(fā)直流偏磁危害[7]。目前中國(guó)特高壓直流輸電的入地電流比普通的直流輸電工程更大：一般±500 kV直流輸電入地電流為3 000 A，云廣特高壓為3 125 A，向家壩—上海和溪落渡—浙西特高壓為4 000 A，錦屏—蘇南為4 500 A。大量的入地電流將導(dǎo)致更加嚴(yán)重的直流偏磁危害，危及交流電網(wǎng)安全運(yùn)行，因此需要開展直流電流分布預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)、直流偏磁預(yù)防和治理方面的研究。

目前對(duì)變壓器直流偏磁電磁學(xué)方面的研究尚不成熟，就連確定具體參數(shù)的變壓器繞組允許通過的直流電流也不能單純通過仿真來確定，而是需要變壓器生產(chǎn)廠家通過試驗(yàn)來確定。針對(duì)這種情況，必須對(duì)天中直流在新疆電網(wǎng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行實(shí)測(cè)評(píng)估。天—中±800 kV特高壓直流工程西起哈密東至鄭州，工程的換流站側(cè)接地極位于新疆哈密地區(qū)，而哈密地區(qū)不僅有3座750 kV變電站作為“疆電外送”樞紐站，還有眾多的風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站并網(wǎng)，連同本地的220 kV和110 kV電網(wǎng)一起，與天山換流站形成了復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。就天山換流站的運(yùn)行對(duì)新疆電網(wǎng)變壓器直流偏磁的影響進(jìn)行了仿真、測(cè)量和挖掘研究，提出并實(shí)施了偏磁治理的方案，取得了較好的效果。

1 ±800 kV天—中特高壓直流系統(tǒng)基本情況

±800 kV天—中特高壓直流工程，起點(diǎn)在新疆哈密南部能源基地，落點(diǎn)河南鄭州，途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西、山西、河南6省(區(qū))。額定輸電電壓±800 kV，額定電流5 kA，輸電能力將達(dá)8 000 MW，成為連接西部邊疆與中原地區(qū)的“電力絲綢之路”。哈密南換流站芨芨臺(tái)接地極站位于哈密市東南部，距哈密市約60 km，烏拉臺(tái)鄉(xiāng)政府北側(cè)約22 km，隸屬哈密市的烏拉臺(tái)鄉(xiāng)。芨芨臺(tái)接地極站距離換流站直線距離約為62.09 km，周圍各電壓等級(jí)的變電站均有。距離較近的變電站有750 kV哈密變電站、750 kV煙墩變電站、220 kV東疆變電站，220 kV煙墩西變電站、110 kV興業(yè)變電站等多個(gè)變電站。眾多的不同電壓等級(jí)的變電站匯集在接地極半徑100 km以內(nèi)，容易因直流輸電接地極入地流過大電流而引起變壓器偏磁現(xiàn)象。

隨著天—中直流工程的投運(yùn)，直流輸電入地電流在新疆交流電網(wǎng)分布的研究越發(fā)緊迫。根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)在直流極注入時(shí)，采用東疆變電站220 kV側(cè)、煙墩西邊220 kV側(cè)接地刀閘分閘，駱駝圈子變電站110 kV、興業(yè)變電站110 kV、雅礦變電站110 kV側(cè)接地刀閘分閘運(yùn)行方式時(shí)，此時(shí)煙墩變電站220 kV側(cè)中性點(diǎn)的直流電流為12.61 A。而在單極運(yùn)行接地極注入電流最大值—5 000 A時(shí)，煙墩變電站中性點(diǎn)的直流電流最大可能達(dá)到126.1 A。因此重點(diǎn)研究和治理天—中直流投運(yùn)對(duì)新疆電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)直流電流過大而造成直流偏磁問題顯得極為迫切。

2 天—中直流運(yùn)行時(shí)哈密地區(qū)變壓器

中性點(diǎn)直流電流的仿真計(jì)算與初步測(cè)量

2.1 仿真建模應(yīng)用

為了仿真計(jì)算天—中特高壓直流投入運(yùn)行后對(duì)新疆電網(wǎng)變壓器直流偏磁的影響，使用了基于電流分布理論的《交流電網(wǎng)直流電流分布計(jì)算軟件》進(jìn)行計(jì)算。該軟件程序從入地電流的恒流場(chǎng)進(jìn)行分析，推導(dǎo)出場(chǎng)路耦合模型。在2007年至今，直流電流分布計(jì)算軟件一直關(guān)注廣東電網(wǎng)的直流電流分布，成功預(yù)報(bào)了大量存在直流偏磁風(fēng)險(xiǎn)的變電站，并積極地參與了抑制措施選型的工作，有較高的準(zhǔn)確性[8-10]。

2.2 場(chǎng)路耦合模型的推導(dǎo)

若交流電網(wǎng)總共有m個(gè)變電站，b個(gè)母線節(jié)點(diǎn)，n個(gè)獨(dú)立中性點(diǎn)，則由節(jié)點(diǎn)電壓法有

YV=J

(1)

式中，V為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓列向量，V=[VS;VN;VB]，VS、VN、VB分別為變電站節(jié)點(diǎn)電壓(V)，獨(dú)立中性點(diǎn)電壓(V)，母線電壓列向量(V)。若中性點(diǎn)與變電站節(jié)點(diǎn)短接，則在模型中刪去該站的中性點(diǎn)，僅保留變電站節(jié)點(diǎn)。

Y為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)矩陣，Y=HTG+Q；H為變電站節(jié)點(diǎn)與所有節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)矩陣；HT為H的轉(zhuǎn)置，Hm×(m + n +b)=[Em0m×n0m×b]，Em為m階單位陣；G為變電站接地電導(dǎo)陣，G=R-1，R=diag(RG1,RG2, …,RGm)；RGi為第i個(gè)變電站直流接地電阻，Ω；Q為交流電網(wǎng)地上網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)矩陣。

J為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)注入電流列向量

J=[JS；JN；JB]=[GP；0；0]=HTGP

(2)

式中，JS、JN、JB分別為變電站節(jié)點(diǎn)、獨(dú)立中性點(diǎn)、母線節(jié)點(diǎn)注入電流列向量，A；

P為變電站的感應(yīng)電位列向量，V，由接地理論有

P=MID+NIA

(3)

式中，ID為直流極入地電流，A；IA為注入變電站接地網(wǎng)的直流電流，A；M為直流極與變電站間互阻矩陣，Ω；N為變電站間(不包括自身作用)的互阻矩陣，Ω；P為變電站感應(yīng)電位，指中性點(diǎn)與零位點(diǎn)間的入口電位，V。

變電站接地電阻和感應(yīng)電位的定義可以稱為在中性點(diǎn)進(jìn)行的“戴維南等效”。此時(shí)注入變電站接地網(wǎng)的直流電流為

IA=G(VA-P)

(4)

式中，VA為變電站節(jié)點(diǎn)電壓，V，其定義為

VA=HV

(5)

聯(lián)立公式(1)～(5)有

(R-ZN)IA=ZMID

(6)

式中，Z=HY-1HTG-E。HY-1HT相當(dāng)于取出了節(jié)點(diǎn)電阻矩陣關(guān)于變電站節(jié)點(diǎn)的部分。從式(6)可以看出，除去電流量IA和ID，R、N和M均為純粹的場(chǎng)量，Z矩陣是一個(gè)場(chǎng)路耦合的量。令變電站節(jié)點(diǎn)電阻矩陣F=HY-1HT，故Z(i,i)=F(i,i)/Rgi-1，Z(i,j)=F(i，j)/Rgi,i≠j。在直流分布的模型中，若變電站中性點(diǎn)處于分閘狀態(tài)，則有Z(i,i)=0，IA(i)=0；若變電站接地電阻F(i,i)/Rgi≈1(此情況為極限情況，即土壤為良導(dǎo)體，Rgi遠(yuǎn)小于線路和變壓器電阻；或者是線路和變壓器電阻遠(yuǎn)大于接地電阻時(shí))，則有Z(i,i)≈0，IA(i)≈0。事實(shí)上土壤不是良導(dǎo)體，線路和變壓器電阻較小，這兩種因素造成了交流電網(wǎng)的直流分布。從另一個(gè)角度看，這也說明了如果一個(gè)變電站的進(jìn)出線較多，該站直流偏磁的風(fēng)險(xiǎn)也較大。

根據(jù)電流分布理論分析，直流電流要形成耦合通道，需變電站接地。而對(duì)于變壓器63 kV側(cè)采用三角形接法，與輸電線路無法形成耦合通道，因此只需關(guān)注110 kV及以上電網(wǎng)。利用哈密地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，并根據(jù)各個(gè)變電站參數(shù)和線路信息，建立哈密地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)仿真模型進(jìn)行仿真分析，如圖1所示。

2.3 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

基于交流電網(wǎng)直流電流分布計(jì)算軟件，按照?qǐng)D1所示的哈密電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建立了哈密地區(qū)的仿真模型后，結(jié)合±800 kV天山換流站低端調(diào)試，對(duì)新疆電網(wǎng)哈密地區(qū)的電網(wǎng)進(jìn)行了仿真和實(shí)測(cè)。此次實(shí)測(cè)使用Fluke高精度鉗形電流表，該電流表直流檢測(cè)模式基于霍爾效應(yīng)原理檢測(cè)直流電流，可以實(shí)時(shí)、連續(xù)的檢測(cè)電路電流中的交流或直流分量，也可以同時(shí)檢測(cè)交流與直流的合成量。電流表的直流電流檢測(cè)范圍為：DC/0 A～2 000 A，分辨率為10 mA(40 A量程)/100 mA(400 A量程)/1 A(2 000 A量程)。測(cè)量時(shí)的量程由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電流的具體幅值而隨時(shí)切換量程，保證最終選擇高精度的量程測(cè)得直流電流數(shù)據(jù)。

圖1 哈密地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

在天山換流站低端調(diào)試中，當(dāng)天—中直流采用單級(jí)大地方式運(yùn)行，直流極注入I0=-5 000 A時(shí)，哈天變流站附近110 kV及以上變電站分別采用以下3種運(yùn)行方式。

方式1：東疆變電站2號(hào)主變壓器220 kV側(cè)中性點(diǎn)接地刀閘分閘，110 kV側(cè)中性點(diǎn)接地刀閘合閘，駱駝圈子110 kV變壓器中性點(diǎn)接地刀閘、興業(yè)變電站、雅礦變電站中性點(diǎn)接地刀閘分閘，白山泉110 kV變電站中性點(diǎn)接地刀閘、黃山東110 kV 變電站中性點(diǎn)接地刀閘合閘，其他變電站均采用正常中性點(diǎn)接地方式。

方式2：東疆變電站2號(hào)主變壓器220 kV側(cè)中性點(diǎn)、煙墩西變電站220 kV側(cè)中性點(diǎn)接地刀閘分閘，110 kV側(cè)中性點(diǎn)接地刀閘合閘，駱駝圈子110 kV變電站中性點(diǎn)接地刀閘、興業(yè)變電站、雅礦變電站中性點(diǎn)接地刀閘分閘，白山泉110 kV變電站中性點(diǎn)接地刀閘、黃山東110 kV變電站中性點(diǎn)接地刀閘合閘，其他變電站均采用正常中性點(diǎn)接地方式。

方式3：在方式2的基礎(chǔ)上，將煙疆一、二線分閘，其他變電站均采用正常接地方式。

在以上3種運(yùn)行方式中，對(duì)天山換流站周邊變電站進(jìn)行中性點(diǎn)接地的變壓器實(shí)地偏磁直流電流測(cè)量。同時(shí)，根據(jù)哈密地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用交流電網(wǎng)直流電流計(jì)算軟件，得到測(cè)量值與仿真計(jì)算值，如表1所示。

表1 中性點(diǎn)直流電流實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比

根據(jù)表1，在第1種運(yùn)行方式下，750 kV哈密變電站的仿真值為4.749 A，實(shí)測(cè)值為4.59 A； 750 kV煙墩變電站的仿真值為7.729 A，實(shí)測(cè)值為8.07 A?？煽闯龇抡媾c實(shí)測(cè)較為吻合，因此利用該軟件對(duì)哈密地區(qū)進(jìn)行建模分析能夠初步預(yù)測(cè)各個(gè)變壓器中性點(diǎn)電流的情況。同時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)可以明顯地看到，距離接地極越近的變電站中性點(diǎn)接地的變壓器中性點(diǎn)流過的直流電流越大，如表1中所示。同等距離下，距離接地極較近的750 kV自耦式變壓器受直流輸電的影響較220 kV變壓器要大很多。在方式1中，750 kV煙墩變電站的中性點(diǎn)直流電流最大達(dá)到8.07 A，遠(yuǎn)大于其他變電站的中性點(diǎn)電流值。在方式2中，電網(wǎng)的接地方式有所改變，伴隨著東疆220 kV變電站的220 kV的中性點(diǎn)接地刀閘分閘，初步測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)距離東疆變電站較近的750 kV煙墩變電站的主變壓器中性點(diǎn)電流有所增大，而在方式3中，煙疆一、二線拉開后煙墩變電站中性點(diǎn)直流電流明顯上升了。由此可以看出當(dāng)電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地方式改變時(shí)，直流電流的通絡(luò)可以發(fā)生改變，從而改變了各個(gè)變電站內(nèi)主變壓器的中性點(diǎn)直流電流方向和大小。經(jīng)過仿真和實(shí)測(cè)還發(fā)現(xiàn)750 kV哈密變電站和220 kV東疆變電站、十三間房變壓器等變電站中性點(diǎn)直流電流都偏大，因此，需要對(duì)這些中性點(diǎn)直流電流過大的站點(diǎn)采取直流偏磁抑制措施。通過對(duì)比和實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)兩者之間的誤差較小，但當(dāng)電網(wǎng)中的站點(diǎn)增加時(shí)，隨著工況進(jìn)一步復(fù)雜化，仿真和實(shí)測(cè)的誤差可能會(huì)有所增大，但兩者反應(yīng)的主變壓器中性點(diǎn)直流電流改變的趨勢(shì)是一致的。

3 中性點(diǎn)直流偏磁電流抑制

通過仿真和實(shí)測(cè)，均已明確了天中直流大地運(yùn)行方式下會(huì)對(duì)哈密地區(qū)電網(wǎng)部分變壓器造成偏磁電流過大的后果。針對(duì)這一現(xiàn)象，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外使用的偏磁治理方式，有必要對(duì)哈密電網(wǎng)中的個(gè)別變壓器進(jìn)行合理化的偏磁直流，以達(dá)到降低偏磁電流的目的。

3.1 抑制變壓器中性點(diǎn)直流電流的措施

目前抑制直流偏磁的主要措施有：在變壓器中性點(diǎn)串接電容、注入方向電流和串接電阻[11,12]。

中性點(diǎn)串接電容的基本思路是將電容、火花間隙(或大功率晶閘管)和旁路開關(guān)并聯(lián)后串入變壓器中性點(diǎn)，達(dá)到阻隔大地直流回流的目的[13]。

串接電容法可以徹底切斷直流電流的通路，但可能引起其他變壓器中性點(diǎn)的直流電流增大造成直流偏磁。

反向注入電流法是指在變壓器中性點(diǎn)注入中與其流過的直流電流反方向的直流電流，抵消或消弱由地中直流流入變壓器產(chǎn)生的偏磁[14,15]。

反向注入電流法僅局限在電流超標(biāo)的變電站中使用，需要較大功率的電源，接入方式較復(fù)雜，不易現(xiàn)場(chǎng)快速的實(shí)施，其效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。中性點(diǎn)串接小電阻的范例十分簡(jiǎn)單明確，在中性點(diǎn)和地網(wǎng)之間傳入一個(gè)組織為數(shù)歐姆的小電阻，可以減小中性點(diǎn)流入的直流電流。串聯(lián)電阻的大小需要根據(jù)變壓器和變電站及電網(wǎng)地網(wǎng)的具體情況選取。

除了對(duì)中性點(diǎn)接地進(jìn)行改造外，還有其他方式也在探索研究中。例如，在交流輸電線路上安裝串聯(lián)電容器，利用電容器的隔直作用抑制直流通過線路進(jìn)入變壓器。但是，中國(guó)目前的特高壓電網(wǎng)中多采用的是自耦變壓器，僅在一個(gè)電壓等級(jí)的輸電線路上安裝串聯(lián)電容器，不能限制直流通過自耦變壓器流入另一個(gè)電壓等級(jí)的輸電線路中。若要完全限制直流電流，則需要在與交流系統(tǒng)相連的所有出線上都安裝串聯(lián)電容器，才可有效地限制和消除流入變壓器中性點(diǎn)的直流電流。

3.2 主變壓器中性點(diǎn)直流抑制裝置安裝

目前在中國(guó)使用的直流抑制裝置多為串聯(lián)電容技術(shù)。本次哈密地區(qū)電網(wǎng)主變壓器使用了隔離直流電流的裝置，采用了中性點(diǎn)串聯(lián)隔離電容設(shè)備治理中性點(diǎn)直流電流。其基本原理如圖2所示。

圖2 隔直裝置原理

測(cè)量中性點(diǎn)直流電流的直流電流互感器(TA1、TA2)，是基于霍爾效應(yīng)研制的直流電流傳感器，該傳感器測(cè)量中性點(diǎn)中的電流值用于控制旁路開關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到中性點(diǎn)的直流電流大于預(yù)警值時(shí)發(fā)出投入隔直裝置的信號(hào)。該裝置在安裝過程中，通過新設(shè)接地刀閘GN1與GN2將隔直裝置與原接地刀閘進(jìn)行并聯(lián)，正常狀態(tài)下，接地刀閘GN1和旁路開關(guān)VFC閉合，保持中性點(diǎn)經(jīng)過新設(shè)接地刀閘GN1和旁路開關(guān)VFC直接接地，安裝完畢后原接地刀閘與GN2打開。當(dāng)TA檢測(cè)到過流時(shí)，發(fā)出信號(hào)，旁路開關(guān)打開，隔直裝置立即串聯(lián)進(jìn)入中性點(diǎn)接地回路中，起到隔直作用。檢修時(shí)將隔直柜檢修刀閘GN2閉合即可轉(zhuǎn)入檢修狀態(tài)。

經(jīng)過仿真計(jì)算和初步測(cè)量，決定在中性點(diǎn)電流較大的750 kV哈密、煙墩和220 kV東疆變電站、十三間房變電站安裝隔直裝置。

4 大功率單級(jí)大地運(yùn)行對(duì)哈密電網(wǎng)的影響

在天山換流站低端調(diào)試期間，通過仿真和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)天—中直流在大功率雙極不對(duì)稱和單極大地運(yùn)行方式下對(duì)哈密地區(qū)電網(wǎng)主變壓器的影響較大。因此，在天—中直流高端調(diào)試期間，新疆電網(wǎng)在哈密地區(qū)部分變壓器安裝了中性點(diǎn)直流電流抑制裝置，與天—中直流調(diào)試工作相互配合，尤其是在單極大地運(yùn)行方式下，對(duì)哈密地區(qū)電網(wǎng)直流偏磁現(xiàn)象進(jìn)行了進(jìn)一步的測(cè)量和研究。

4.1 大功率單級(jí)大地運(yùn)行調(diào)試

天—中直流工程高端調(diào)試期間，單極大地運(yùn)行方式下，根據(jù)輸送功率的不同，接地極中流入大地的電流也不同。對(duì)于單極大地運(yùn)行方式下，換流器投入的數(shù)量固定式輸送電壓即可固定下來，調(diào)節(jié)輸送功率的同時(shí)即在調(diào)節(jié)直流輸電的電流值。因此，單極大地方式運(yùn)行時(shí)，接地極的入地電流隨著功率的大小波動(dòng)。表2所示為極1高端單極大地方式運(yùn)行(電壓為400 kV)時(shí)接地極電流情況，單極大地運(yùn)行方式如圖3所示。

表2 直流輸送功率與接地極電流對(duì)應(yīng)表

表3 中性點(diǎn)直流電流測(cè)點(diǎn)

當(dāng)天—中直流在給定單極大地運(yùn)行方式下施加功率值穩(wěn)定時(shí)，哈密地區(qū)各個(gè)中性點(diǎn)接地的變壓器測(cè)點(diǎn)工作人員，在統(tǒng)一指揮下同時(shí)測(cè)量中性點(diǎn)直流電流。測(cè)點(diǎn)如表3所示。

圖3 單極大地運(yùn)行方式

表4 直流電流測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比/A

4.2 直流偏磁測(cè)試結(jié)果

為了檢驗(yàn)天—中直流單極大地回線方式下，哈密地區(qū)加裝隔直裝置后對(duì)電網(wǎng)直流電流的抑制效果，采用了5種測(cè)試情形，電網(wǎng)狀態(tài)和隔直裝置動(dòng)作情況如下。

圖4 220 kV級(jí)以上網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)前接地狀態(tài)

情形1：哈密地區(qū)電網(wǎng)主變壓器接地方式按照原有方式運(yùn)行，如圖4所示，極一低端單極大地回線200 MW。

情形2：拉開煙墩西、石城子、麻黃溝東220 kV側(cè)接地點(diǎn)，極一高端單極大地回線250 MW時(shí)，煙墩、東疆隔直裝置動(dòng)作。

情形3：拉開煙墩西、石城子、麻黃溝東220 kV側(cè)接地點(diǎn)，極一高端單極大地回線400 MW時(shí)，哈密、煙墩、東疆、十三間房隔直裝置動(dòng)作。

情形4：拉開煙墩西、石城子、麻黃溝東、山北220 kV側(cè)接地點(diǎn)，極一高端單極大地回線400 MW，東疆、煙墩、哈密裝置已動(dòng)作，十三間房裝置未動(dòng)作。

情形5：拉開煙墩西、石城子、麻黃溝東、銀河路、天光電廠、東源熱電1號(hào)主變220 kV側(cè)中性點(diǎn)，極一高端單極大地回線400 MW時(shí)，東疆、煙墩、哈密裝置已動(dòng)作，十三間房裝置未動(dòng)作。

變電站各臺(tái)變壓器不同電壓等級(jí)中性點(diǎn)的實(shí)測(cè)和仿真數(shù)據(jù)如表4所示。

5種情形下，哈密地區(qū)電網(wǎng)的接地主變壓器依次拉開接地點(diǎn)，且直流輸送的功率也由200 MW增大到400 MW，接地極的電流由500 A增大至1 000 A。

情形1為哈密地區(qū)電網(wǎng)原始狀態(tài)，測(cè)量天—中直流功率200 MW時(shí)各個(gè)變電站的中性點(diǎn)的直流電流值。

情形2中，直流功率為250 MW時(shí)，距離接地較近的煙墩變電站和東疆變電站隔直裝置首先動(dòng)作，且東疆變電站隔直電容兩端的電壓高于煙墩變電站的，說明了與接地極距離越近，受到直流偏磁的影響越大。

情形3在情形1的基礎(chǔ)上增加直流輸送功率至400 MW，在功率上升至400 MW的過程中，哈密變電站和十三間房變電站的隔直裝置也相繼動(dòng)作。以此判斷，隨著接地極電流的增大，直流影響的范圍增大，直流電流通過中性點(diǎn)接地變壓器和輸電線路輸送至更遠(yuǎn)的接地變壓器，距離接地極站209 km的十三間房變電站的隔直裝置動(dòng)作說明接地極電流通過耦合通道到達(dá)十三間房變壓器，也說明了通過合理改變哈密地區(qū)電網(wǎng)的主變壓器中性點(diǎn)接地方式，可以將直流電流的耦合通道延長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移，從而避免本地區(qū)的中性點(diǎn)電流過大導(dǎo)致主變壓器發(fā)生嚴(yán)重的直流偏磁現(xiàn)象。

情形4在情形2的基礎(chǔ)上將哈密地區(qū)北部的山北變電站中性點(diǎn)拉開，分析可知，拉開山北變電站中性點(diǎn)致使直流耦合通路在山北變電站處斷開，進(jìn)一步延伸至麻黃溝和淖毛湖等哈密天山以北的遠(yuǎn)區(qū)，通過這種方式，改變了近接地極區(qū)的直流場(chǎng)電流分布和稍遠(yuǎn)處的裝有隔直裝置的變電站：哈密變電站和十三間房變電站中性點(diǎn)的直流分量降低，從而隔直裝置未動(dòng)作進(jìn)行抑制。

情形5中，哈密地區(qū)電網(wǎng)中拉開了煙墩西、石城子、麻黃溝東、銀河路、天光電廠、東源熱電1號(hào)主變壓器共計(jì)6個(gè)220 kV側(cè)中性點(diǎn)。極一高端單極大地回線400 MW時(shí)，哈密地區(qū)中接地極近區(qū)的煙墩變電站、東疆變電站、哈密變電站、山北變電站、淖毛湖變電站220 kV變壓器接地。天—中直流在以400 MW功率輸送電能時(shí)接地極入地電流幅值為1 000 A，入地電流可以通過750 kV煙墩變電站—220 kV東疆變電站750 kV哈密變電站—220 kV山北變電站—220 kV淖毛湖變電站組成的變壓器、線路耦合通道傳送直流電流，位于近區(qū)的東疆變電站、煙墩變電站和哈密變電站中性點(diǎn)直流電流過大，導(dǎo)致相應(yīng)的隔直裝置動(dòng)作，以限制直流。

在以上5種情形中，測(cè)量結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)相比，雖然有一定的差值，但是隨著中性點(diǎn)運(yùn)行方式的改變和直流輸送功率的改變，仿真數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值非常接近。同時(shí)可以看出110 kV等級(jí)的變壓器中性點(diǎn)入地電流都較小，大多小于3 A，因此天中直流的投運(yùn)對(duì)220 kV及以上電壓等級(jí)設(shè)備的影響較大，重點(diǎn)治理直流偏磁主要對(duì)象應(yīng)以220 kV及以上的主變壓器設(shè)備為主。在5種情形對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方式的測(cè)試過程中，隔直裝置根據(jù)直流電流閾值的設(shè)置正確動(dòng)作，成功避免了變電站主變壓器直流電流過大，造成偏磁現(xiàn)象危及主變壓器運(yùn)行。本次實(shí)測(cè)和仿真表明了隔直裝置與電網(wǎng)接地點(diǎn)運(yùn)行方式相互配合，能夠有效抑制變壓器直流偏磁。

5 結(jié) 論

(1)天山換流站接地極位處哈密地區(qū)電網(wǎng)密集區(qū)域，與周邊各電壓等級(jí)的中性點(diǎn)接地變壓器和輸電線路形成直流通路，造成變壓器直流偏磁現(xiàn)象。已經(jīng)實(shí)測(cè)到的直流電流表明針對(duì)天—中直流的投運(yùn)，需要進(jìn)行深入的直流偏磁原理和治理的研究，為今后更多的特高壓建設(shè)和運(yùn)行做好準(zhǔn)備。

(2)通過交流電網(wǎng)直流電流分布計(jì)算軟件，計(jì)算分析得到哈密地區(qū)的直流分布情況，實(shí)測(cè)表明仿真與實(shí)測(cè)較為接近，可以充分利用該軟件程序進(jìn)行分析，指導(dǎo)下一步直流偏磁的治理工作。

(3)經(jīng)過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，哈密地區(qū)電網(wǎng)的多個(gè)220 kV變電站距離換流站接地極距離較近，容易產(chǎn)生較大的中性點(diǎn)直流電流。通過在220 kV東疆變電站、750 kV煙墩變電站和哈密變電站安裝隔直裝置，有效抑制接地接近區(qū)的主變壓器偏磁電流。

(4)隔直裝置與地區(qū)電網(wǎng)主變壓器的接地方式相結(jié)合，可以有效改變直流的通路，從而實(shí)現(xiàn)抑制直流偏磁問題。對(duì)于地區(qū)電網(wǎng)的接地運(yùn)行方式仍然需要進(jìn)一步的深入研究，以確定最優(yōu)的電網(wǎng)接地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，防止將直流電流疏導(dǎo)至其他變壓器而產(chǎn)生嚴(yán)重的直流偏磁現(xiàn)象。

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