變壓器中性點(diǎn)直流電流影響及抑制措施

陳賢

摘 要：本文主要針對(duì)變壓器中性點(diǎn)中直流電流的影響作出研究與分析，并介紹了幾種抑制措施。

關(guān)鍵詞：變壓器；中性點(diǎn)；直流電流；影響；措施

前言：隨著我國(guó)電力行業(yè)的迅速發(fā)展，大容量、長(zhǎng)距離的高壓直流輸電成為解決現(xiàn)代電力需求矛盾的主要辦法。在直流電雙極不平衡方式或者單級(jí)大地回路方式運(yùn)行時(shí)，大地中流過(guò)的巨大直流電流會(huì)對(duì)附近的交流系統(tǒng)產(chǎn)生影響，特別是會(huì)對(duì)接地極附近中性點(diǎn)直接接地變壓器產(chǎn)生比較嚴(yán)重的直流偏磁，這不僅增加了變壓器的無(wú)功消耗，影響變壓器的正常運(yùn)行，引起繼電保護(hù)誤動(dòng)，而且引起的諧波大幅升高也會(huì)對(duì)其他電氣設(shè)備產(chǎn)生較大影響，從而直接影響到變電站、發(fā)電廠的安全運(yùn)行[1]。因此，由直流電流引起的變壓器直流偏磁成為電力系統(tǒng)急需研究解決的問(wèn)題。

一、變壓器中性點(diǎn)直流電流的形成與影響

在我國(guó)高壓直流輸電的幾乎都是雙極中性點(diǎn)單端接地方式的系統(tǒng)。雖然正常運(yùn)行時(shí)兩極電流相等，地回路中的電流為零，但是只要是運(yùn)行過(guò)程中兩極的電流不相等，接地極都會(huì)有電流流過(guò)，在直流輸電線路和大地間形成回路。在我國(guó)，110kV及以上電壓等級(jí)系統(tǒng)中性點(diǎn)采取直接接地。如果出于不同地點(diǎn)的變電站的中性點(diǎn)電位被不同程度的抬高，則直流電流將通過(guò)大地和交流線路，由一個(gè)變壓器中性點(diǎn)流入，在另一個(gè)變壓器中性點(diǎn)流出[2]。其中流經(jīng)兩臺(tái)中性點(diǎn)接地的變壓器的直流電流分量，取決于兩臺(tái)變壓器所在點(diǎn)的電位，變電站接地電阻、變壓器繞組直流電阻和線路的直流電阻等因素，當(dāng)流過(guò)變壓器每相繞組的直流電流增大達(dá)到一定程度時(shí)，必然會(huì)引起鐵心磁飽和，從而導(dǎo)致勵(lì)磁電流波形發(fā)生畸變，從而引起變壓器發(fā)生直流偏磁。我國(guó)許多直流輸電接地極額定電流高達(dá)3KA，必然影響極址周邊中性點(diǎn)接地變壓器的正常工作。

變壓器中性點(diǎn)流入直流電流時(shí)，產(chǎn)生直流偏磁的勵(lì)磁特性曲線和輸出電流變化情況如圖1所示。圖1（a）所示為鐵芯磁通曲線，圖1（b）為變壓器磁化曲線，圖1（c）為勵(lì)磁電流曲線。從圖中可以看出，當(dāng)有直流分量流入繞組時(shí)，磁路工作在磁化曲線的非線性段，勵(lì)磁電流波形將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變，且畸變程度會(huì)隨著鐵芯飽和程度的加深而愈發(fā)嚴(yán)重[3，4]。

二、變壓器中性點(diǎn)直流電流的解決措施

（一）主變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)電容隔直裝置。電容隔直裝置的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。本裝置主要由電容器、機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)和快速旁路回路三者并聯(lián)組成，接于變壓器中性點(diǎn)和地之間。在沒(méi)有直流電流流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)時(shí)，機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)為合上位置。當(dāng)檢測(cè)到流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的直流電流超過(guò)限值時(shí)，機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)，將電容器串入變壓器中性點(diǎn)與地網(wǎng)之間，利用電容“隔直通交”的特點(diǎn)，有效隔斷流過(guò)變壓器中性線的直流電流。一旦檢測(cè)到流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的交流電流超過(guò)限值或者電容器組兩端電壓超限時(shí)，裝置控制器即判斷為交流電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱短路故障，晶閘管立即觸發(fā)導(dǎo)通，同時(shí)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)為合上位置，保證變壓器中性點(diǎn)可靠接地。電容隔直裝置的優(yōu)點(diǎn)是為無(wú)源方式，安全性較高，隔直效率高，對(duì)系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響很小，與直流注入法比較，運(yùn)行維護(hù)方便。

（二）反方向注入電流法。反方向注入電流法是指在變壓器中產(chǎn)生反方向的直流電流，以抵消或削弱地中直流流入變壓器產(chǎn)生的偏磁，反向直流電源一般放置在變電站里的主要接地網(wǎng)和遠(yuǎn)方接地極內(nèi)，主要檢測(cè)流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的電流值及方向，從而得出具體數(shù)據(jù)與資料，控制直流電源的輸出和和它相像的反向直流電，使流經(jīng)電壓器中性點(diǎn)的電流值得到減小。反向直流電源中限制流電抗器的主要作用是讓交流電網(wǎng)側(cè)的差異與不對(duì)稱的短路電流流經(jīng)該裝置時(shí)下降，主要以遠(yuǎn)方地極提供裝置輸出的直流電作為返回的方式。反向直流電源還有很強(qiáng)的監(jiān)控功能，安裝過(guò)程和運(yùn)轉(zhuǎn)非常方便簡(jiǎn)單。但在使用反向直流電源的裝置時(shí)還要考慮到一系列問(wèn)題，比如說(shuō)交流電壓對(duì)直流電源的影響以及直流電源需要使用什么補(bǔ)償效率等等問(wèn)題。反向直流電源裝置示意如圖3所示。

（三）中性點(diǎn)串聯(lián)電阻。中性點(diǎn)串聯(lián)電阻即在變壓器中性點(diǎn)和地之間串入一定阻值的電阻，可以使得中性點(diǎn)流入的直流電流明顯減小，達(dá)到工程上可以接受的程度，其原理如圖4所示。串接電阻法可以改變直流電流的分布，從而減小中性點(diǎn)電流的超標(biāo)程度并達(dá)到抑制直流偏磁的目的，電阻串入的同時(shí)，變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電位也隨之升高。因此，串聯(lián)的電阻具有低阻值、大容量的特點(diǎn)，一般為幾個(gè)歐姆。同時(shí)，變壓器中性點(diǎn)的絕緣水平也需進(jìn)行論證核算。中性點(diǎn)串聯(lián)小電阻接地改變了系統(tǒng)的零序阻抗，因此，也需要對(duì)相關(guān)保護(hù)和自動(dòng)化裝置的整定重新做校核計(jì)算。

總結(jié)：高壓直流輸電單極大地回路運(yùn)行產(chǎn)生的地電流會(huì)導(dǎo)致變壓器直流偏磁，干擾變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前抑制流入變壓器中性點(diǎn)的直流量相關(guān)措施的研究主要有3種，即串接電容、注入電流法、串接電阻。電力企業(yè)在選擇接地極址時(shí)，應(yīng)論證直流接地極電流是否對(duì)交流電力變壓器產(chǎn)生磁飽和影響，并應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行方式采取適當(dāng)?shù)囊种拼胧?，限制變壓器中性點(diǎn)的直流水平。本文對(duì)電力企業(yè)的發(fā)展具有指導(dǎo)性意義，增強(qiáng)了電力企業(yè)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，讓企業(yè)得到更快、更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王升. HVDC地電流對(duì)變壓器的影響及其抑制措施[D].華中科技大學(xué).2010年.

[2] 鐘連宏，陸培均，仇志成，蔡漢生.直流接地極電流對(duì)中性點(diǎn)直接接地變壓器影響[J].高電壓技術(shù).2003年8期.