變壓器中性點(diǎn)加裝電抗及隔直裝置接線設(shè)計(jì)

姜海博，陳海焱，鄧長紅

(電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

1 概述

隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷加強(qiáng)，目前電力系統(tǒng)中大量采用自耦變壓器等，變電站的單相短路電流往往先于三相短路電流接近甚至超過斷路器的遮斷容量。在負(fù)荷密度較高的華東和廣東地區(qū)，單相短路電流超標(biāo)的問題更為嚴(yán)重，所以限制短路電流和簡化優(yōu)化電網(wǎng)潮流已成為電力系統(tǒng)發(fā)展需面對和解決的重要問題，目前常見的措施是在變壓器中性點(diǎn)加裝中性點(diǎn)電抗器來限制單相短路電流超標(biāo)。

在交直流混合輸電電網(wǎng)中，當(dāng)直流輸電單極大地運(yùn)行時(shí)，直流電流通過交流系統(tǒng)的變壓器中性點(diǎn)流入交流系統(tǒng)，變壓器中性點(diǎn)疊加直流分量后產(chǎn)生磁偏，造成磁飽和，使變壓器產(chǎn)生諧波、振動(dòng)、噪聲、過熱等問題，嚴(yán)重時(shí)可引起變壓器損壞，并可能引起保護(hù)的誤動(dòng)，嚴(yán)重影響變壓器及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前在華東、廣東地區(qū)，作為大量直流工程的落點(diǎn)，直流偏磁尤為嚴(yán)重。目前比較常用的辦法是在變壓器中性點(diǎn)上加裝電阻型或者電容型隔直裝置，也有采用反向注入式直流抑制裝置的工程應(yīng)用實(shí)例。

為了同時(shí)抑制主變壓器中性點(diǎn)短路電流和直流電流，在華東、廣東地區(qū)的部分變電站主變中性點(diǎn)需同時(shí)裝設(shè)中性點(diǎn)電抗和隔直裝置，保證主變壓器的安全運(yùn)行。目前還未有關(guān)于同時(shí)加裝中性點(diǎn)電抗和隔直裝置的變壓器中性點(diǎn)回路的接線研究見諸報(bào)告，各設(shè)計(jì)院在實(shí)際工程中的接線各不相同，本文綜合考慮其運(yùn)行靈活性、檢修方便性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對中性點(diǎn)加裝電抗器及隔直裝置主接線設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，分別針對電阻型直流抑制裝置和電容型直流抑制裝置提出了推薦的主接線方案，對保障變電站在設(shè)備檢修情況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值。

2 變壓器中性點(diǎn)直流抑制措施比較

為了解決直流系統(tǒng)單極大地運(yùn)行對交流變電設(shè)備的影響，國內(nèi)電力行業(yè)相關(guān)單位著手進(jìn)行了針對直流偏磁的抑制方法研究，并在實(shí)際工程中成功應(yīng)用了多種類型的直流抑制裝置。

1.1 電阻型直流抑制裝置

電阻型直流抑制裝置的原理十分簡單明確：在中性點(diǎn)和地網(wǎng)之間串入一個(gè)阻值為數(shù)歐姆的小電阻，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。由于其概念明確，相對易于實(shí)現(xiàn)，對系統(tǒng)的影響較小、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)可靠等優(yōu)勢，在國內(nèi)外受到直流偏磁影響但不十分嚴(yán)重的變電站中被普遍采用。

1.2 電容型直流抑制裝置

電容型直流抑制裝置主要由直流抑制一次設(shè)備(隔直電容)、旁路系統(tǒng)(限流電抗器、換向整流橋、狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān))及控制監(jiān)測裝置(交直流傳感器、數(shù)字測控裝置)三部分構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 中國電科院NCBD電容型抑制裝置

電容型直流抑制裝置的優(yōu)點(diǎn)是隔離直流比較徹底，目前在國內(nèi)直流偏磁較為嚴(yán)重的地區(qū)采用電容型直流抑制裝置。

1.3 反向注入式直流抑制裝置

反向注入式直流抑制裝置在變壓器中性點(diǎn)串入一個(gè)直流電壓源，根據(jù)所檢測到的直流電流值，動(dòng)態(tài)調(diào)整該電壓源設(shè)置，實(shí)時(shí)提供反向的直流電流。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)在于不在變壓器中性點(diǎn)與地網(wǎng)之間串入其他設(shè)備,能保證變壓器中性點(diǎn)可靠接地而無過電壓問題,對系統(tǒng)現(xiàn)有保護(hù)配置不產(chǎn)生影響，目前國內(nèi)僅江蘇武南500 kV變電站采用該裝置來限制直流偏磁。

上述三種直流偏磁抑制方法的比較見表1。

表1 三種直流偏磁抑制方法的比較

由于目前國內(nèi)大部分變電站的隔直裝置均采用電阻隔直裝置和電容隔直裝置，故本文僅對這兩種隔直裝置進(jìn)行分析。

3 中性點(diǎn)回路主接線設(shè)計(jì)工程實(shí)例分析

目前實(shí)際工程中中性點(diǎn)同時(shí)加裝電抗器及隔直裝置主要有兩種接線方式(接線方案一和接線方案二)，下面以桐鄉(xiāng)和杭變500 kV為例分別對兩種接線進(jìn)行闡述，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

圖2為杭變500 kV變電站中性點(diǎn)部分的主接線圖。

圖2 接線方案一(杭變500kV變電站中性點(diǎn)部分的主接線圖)

該方案在變壓器中性點(diǎn)出口設(shè)置一把接地開關(guān)，在中性點(diǎn)電抗器前裝設(shè)一把隔離開關(guān)，在電抗器與隔直裝置之間裝設(shè)一把接地開關(guān)。采用這種接線方式時(shí)，若隔直裝置需要檢修，則可將接地開關(guān)K3閉合，此時(shí)運(yùn)行方式變?yōu)橹行渣c(diǎn)帶小電抗接地，檢修隔直裝置的過程中仍可限制系統(tǒng)的單相短路電流。當(dāng)電抗器需要檢修時(shí)，則可閉合接地開關(guān)K1同時(shí)打開隔離開關(guān)K2，此時(shí)切換到主變中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式，值得注意的是此時(shí)隔直裝置同時(shí)退出運(yùn)行，即若此時(shí)產(chǎn)生較大的直流偏磁，會(huì)對變壓器造成不利的影響。

圖3為桐鄉(xiāng)500 kV變電站中性點(diǎn)部分的主接線圖。

圖3 接線方案二(桐鄉(xiāng)500 kV變電站中性點(diǎn)部分的主接線圖)

此種接線對接線方案一進(jìn)行了改進(jìn)，主要區(qū)別主要是取消了隔離開關(guān)K2。當(dāng)需檢修電抗器時(shí)，接地開關(guān)K1需閉合接地，由于隔直裝置的尾端同時(shí)接地，正常運(yùn)行情況下電抗器電位接近為0，即便發(fā)生不對稱短路，地電位升高，接觸電勢仍近似為0，不會(huì)對運(yùn)行人員的安全造成危害。

4 中性點(diǎn)回路主接線推薦方案及應(yīng)用分析

接線方案一與接線方案二共同的問題是在檢修電抗器時(shí)，隔直裝置必然退出運(yùn)行，中性點(diǎn)電抗器的檢修時(shí)間較長，若此時(shí)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的直流偏磁的問題，會(huì)對變壓器造成較為嚴(yán)重的影響。為解決此問題，本文提出了接線方案三，見圖4。

圖4 接線方案三

區(qū)別于前兩種接線方式，接線方案三增加了中性點(diǎn)電抗器的旁路隔離開關(guān)K1，與電抗器和隔直裝置之間的接地開關(guān)K2組合成一把單接地的隔離開關(guān)。同時(shí)取消了變壓器中性點(diǎn)出口的接地開關(guān)。

正常運(yùn)行時(shí)，K1和K2均打開，中性點(diǎn)串電抗器和隔直裝置運(yùn)行。

當(dāng)隔直裝置需要檢修時(shí)，則合上接地開關(guān)K2，K1仍打開，此時(shí)變壓器帶中性點(diǎn)電抗運(yùn)行。

當(dāng)中性點(diǎn)電抗器需要檢修時(shí)，首先需要將電抗器退出運(yùn)行，此時(shí)需同時(shí)合上K1和K2，由于電抗器兩端均為0電位，可以同時(shí)解開電抗器兩端的連接線，再對電抗器掛地線，采用此種操作可使運(yùn)行人員在不停電的前提下對電抗器進(jìn)行檢修操作；完成解線操作后應(yīng)保持K1處于導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)打開接地開關(guān)K2，此時(shí)變壓器中性點(diǎn)帶隔直裝置運(yùn)行，區(qū)別于前兩種接線，此種接線可以保證在檢修電抗器的同時(shí)變壓器中性點(diǎn)帶隔直裝置運(yùn)行，進(jìn)而削弱直流偏磁對變壓器的影響。

另外此種接線也可以根據(jù)調(diào)度要求切換到變壓器直接接地的運(yùn)行方式(同時(shí)閉合K1和K2)。

從技術(shù)上來看，方案三的運(yùn)行方式更靈活，在滿足方案一、二所有運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，還可以在檢修中性點(diǎn)電抗器時(shí)實(shí)現(xiàn)帶隔直裝置運(yùn)行；從布置上來看，相比于方案一、方案二，方案三的設(shè)備數(shù)量更少(只需增加一把單接地的隔離開關(guān))，布置更靈活；從經(jīng)濟(jì)上來看，相比于方案一，方案二和方案三分別比方案一節(jié)省1把隔離開關(guān)和1把地刀，其經(jīng)濟(jì)性均好于方案一。

綜上，接線方案三的優(yōu)勢主要是在檢修中性點(diǎn)電抗器時(shí)仍可以帶著隔直裝置運(yùn)行，故接線取決于調(diào)度對運(yùn)行工況的要求。由于目前國內(nèi)工程中電容型直流抑制裝置一般加裝直流偏磁較為嚴(yán)重的地區(qū)，若檢修中性點(diǎn)電抗器時(shí)同時(shí)退出隔直裝置，直流偏磁可能對設(shè)備造成比較嚴(yán)重的影響，故此時(shí)推薦采用方案三的接線方式。

若采用電阻型直流抑制裝置，本文也推薦采用方案三的接線方式，但在征求調(diào)度、運(yùn)行單位意見后也可采用方案二的接線方式，相比于方案三，方案二接線的操作、控制更為簡單。

5 結(jié)語

為保證在中性點(diǎn)電抗器檢修的工況下變電站的運(yùn)行靈活性，本文在分析現(xiàn)有工程接線的基礎(chǔ)上，提出了一種中性點(diǎn)回路的接線方式。這種接線方式有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，可以在檢修電抗器的情況下帶隔直裝置運(yùn)行，該種接線在直流偏磁較為嚴(yán)重(使用電容式隔直裝置)的地區(qū)有較大優(yōu)勢，對于使用電阻式隔直裝置的變電站建議參考運(yùn)行單位的意見后酌情使用。