基于場路耦合方法的直流偏磁仿真研究

梁曉斌，魏 巍，滕予非，丁理杰

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

基于場路耦合方法的直流偏磁仿真研究

梁曉斌，魏 巍，滕予非，丁理杰

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

介紹了使用場路耦合的思路對電力系統(tǒng)直流偏磁進行仿真計算的方法。采用電磁場模型對大地土壤進行分層建模，使用電路等效方法建立直流近區(qū)電網中線路、變壓器等設備模型，并采用關鍵節(jié)點自由度耦合的方法實現了場路模型的耦合仿真分析。最后，使用該方法對四川電網實際生產中出現的一次直流偏磁試驗進行了建模仿真，反演了試驗結果，證明了該方法的有效性。

場路耦合；直流偏磁；有限元

0 引 言

特/超高壓直流工程在運行中可能出現單極大地回路運行方式，該方式將會引發(fā)直流接地極近區(qū)的直流偏磁現象[1]，偏磁電流對電力系統(tǒng)變壓器等設備將產生不利影響[2-3]。為了應對直流偏磁對電網帶來的危害，有必要對大地-電網組成的系統(tǒng)中直流偏磁分布進行仿真計算，為后期的直流偏磁抑制提供依據[4-5]。

目前，對電力系統(tǒng)直流偏磁的仿真研究方法主要有以下兩種：一種是通過建立多端接地系統(tǒng)間的傳遞函數，從而模擬偏磁電流的分布模型[6]；另一種思路是通過建立大地和電網間的復雜有限元耦合模型，通過仿真計算得到偏磁電流的分布[7]。前者物理概念相對清晰，建立起大地的傳遞函數后，即可順利求取需要的偏磁電流分布；但是由于土壤和電網之間的復雜耦合關系，準確求取傳遞函數是比較困難的。第二種方法能夠真實地建立整個系統(tǒng)的模型，理論上可以精確計算出偏磁電流的分布；但是這種方法也存在一些難點，主要是計算模型范圍較大，導致模型的精度難以準確把控以及后期的計算量較大，時間較長。

下面采用大地-電網設備的場路耦合建模方法，根據模型參數的實測結果，構建了四川電網宜賓換流站近區(qū)的直流偏磁仿真模型，較為準確地反演了直流偏磁測試過程。

1 直流偏磁的計算分析

在直流偏磁仿真模型建立中，主要分為3個部分：大地土壤分層模型建立、直流系統(tǒng)模型建立以及直流近區(qū)的交流系統(tǒng)模型建立。

由于大地土壤模型具有區(qū)域廣的特點，難以用等效電阻等電路模型來替代，較好的辦法是采用有限元電磁場實際建模的方法，對大地土壤分層建立電磁場模型。這里采用了較為普遍的4層大地土壤模型，具體參數如表 1所示。

為了研究變電站受直流偏磁影響的程度，需要建立交流系統(tǒng)的等效電路模型。對電網中的線路、變壓器等設備考慮其等效直流電阻，建立直流近區(qū)的交流電網等效模型。并且建立系統(tǒng)的直流等效模型：考慮接地極入地電流的位置、電流大小等因素。最后，將電網的電路模型和大地的電磁場模型在關鍵節(jié)點處進行自由度耦合，形成直流偏磁場路耦合模型。

表1 分層土壤模型

2 直流近區(qū)直流偏磁試驗反演

采用ANSYS14.0軟件，建立了宜賓換流站近區(qū)大地-電網場路耦合模型，模擬該區(qū)域直流偏磁對電網的影響。將400×400 km2的大地場模型和大地上分布的電力線路模型離散化，共得到334 532個網格，如圖 1所示。其中，網格密集部分為宜賓和瀘州地區(qū)變電站和輸電線路。

圖1 離散化場路耦合模型

以該離散化模型對不同入地電流情況下，近區(qū)電網的直流偏磁進行仿真計算。

2.1 直流近區(qū)大地電位

在直流接地極注入-1 000 A、-3 000 A和5 000 A直流電流下，通過仿真模型，計算得到了接地極近區(qū)大地電位。表 2中為不同入地電流情況下的計算結果。圖 2分別顯示了不同入地電流下，大地電位的分布。其中，圖 2內X、Y坐標的單位為km，Z坐標的單位為V。

從表2結果分析，大地電位的幅值與入地電流大小成線性關系；而大地電位的正負與入地電流的方向有關，例如正向入地電流情況下，地電位均表現為正極性。

表2 不同入地電流時，站點地電位

圖2 接地極近區(qū)電位分布

從電位分布圖中可以看出，電流入地點電位絕對值最大，隨著距離接地極的距離增大，地電位絕對值迅速減小，逐漸接近零電位。

2.2 直流近區(qū)交流電網直流電流

不同入地電流情況下，入侵交流線路的直流電流大小如表3所示。而直流電流在近區(qū)交流電網中的分布如圖 3所示。

從表 3中可以看出，交流電網中直流電流大小與入地直流電流大小成線性關系，而方向與入地直流電流的極性有關。

表3 不同入地電流時，交流電網直流電流

圖3 接地極近區(qū)，220 kV及以上交流電網中直流電流分布(單位：A)

2.3 直流近區(qū)變壓器中性點接地電流

表 4中，分別計算了不同入地電流情況下，接地極近區(qū)變壓器中性點電流大小。與上述得到的結論相同，變壓器中性點電流大小與接地極入地電流大小成線性關系，方向與入地電流方向相關。

表4 不同偏磁電流下主變中性點直流電流

2.4 實測結果對比：變壓器中性點接地電流

變壓器中性點接地電流是目前能夠準確測量的電氣參數。為了驗證仿真模型的準確性，將5 000 A入地電流情況下，變壓器中性點接地電流的仿真結果與實際測量結果進行對比，如表 5所示。

從仿真和實際測試結果的對比可以看出，搭建的模型能夠較為準確地反映直流偏磁環(huán)境下接地極近區(qū)變電站主變壓器中性點電流大小。

仿真計算中的誤差主要來源于以下幾個方面：4層土壤模型雖然能減小土壤分布不均帶來的模型誤差，但是土壤的電阻率誤差仍然存在；接地極和各個變電站的實際地理位置有一定偏差；計算模型節(jié)點數較多，計算結果在收斂時存在一定誤差。

表5 入地電流為5 000 A時，變壓器中性點接地電流測量值和仿真值比較

3 結 論

介紹了基于場路耦合建模思路的直流偏磁仿真計算方法。該仿真方法能夠較為準確地計算直流偏磁在電網中的分布?；谠摲椒ń⒌哪Ｐ涂梢灶A判直流輸電單極檢修、單極閉鎖、雙極不對稱運行等多種大地回路運行方式下直流偏磁風險，為制定抑制措施，保證電網設備安全和穩(wěn)定運行起到了積極作用。通過將仿真結果與實際測試結果進行比對，說明了該模型能夠較為準確地模擬直流偏磁現象。

[1] 王明新，張強.直流輸電系統(tǒng)接地極電流對交流電網的影響分析[J].電網技術, 2005,29(3):9-15.

[2] 張雪松，黃莉. 基于PSCAD/EMTDC 的變壓器直流偏磁仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(19):78-84.

[3] 李曉萍，文習山，陳慈萱. 單相變壓器直流偏磁勵磁電流仿真分析[J]. 高電壓技術, 2005, 11(9): 93-99.

[4] 馬玉龍，肖湘寧，姜旭，等. 用于抑制大型電力變壓器直流偏磁的接地電阻優(yōu)化配置[J]. 電網技術, 2006,30(3):62-65.

[5] 蔣偉，黃震，胡燦，等.變壓器接小電阻抑制直流偏磁的網絡優(yōu)化配置[J].中國電機工程學報,2009,29(16):89-94.

[6] 王曉希，阮羚，文習山，等.基于深層大地電阻率的直流偏磁電流特征分析[J].高電壓技術,2015,41(5):1536-1543.

[7] 張波，趙杰，曾嶸，等．直流大地運行時交流系統(tǒng)直流電流分布的預測方法[J]．中國電機工程學報，2006，26(13)：84-88.

作者介紹：

梁曉斌(1986)，博士、工程師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、多物理場仿真；

魏 巍(1984)，博士、高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高壓直流輸電；

滕予非(1984)，博士、高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)及其新型輸電的分析與控制；

丁理杰(1981)，博士、高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定及控制。

A field-circuit coupling method is introduced to calculate DC bias in power system. The electromagnetic field model is adopted to build the hierarchical modeling of earth soil. The models for lines, transformers and other equipment in DC neighboring grid are established with the equivalent circuit method. The degree freedoms of key nodes are coupled in order to implement the field-circuit coupling. Finally, this modeling method is used to calculate DC bias in Sichuan power grid, and the test results are inversed which are approximate with the simulation results. It proves the effectiveness of the proposed field-circuit coupling method.

field-circuit coupling; DC bias; finite element

TM41

A

1003-6954(2017)01-0029-03

2016-11-04)