深圳變電站500 kV主變壓器直流偏磁現(xiàn)象測試及抑制分析

伍國興，陳龍，史云濤，林圣

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.西南交通大學(xué)，四川 成都 611756)

自2011年5月起，深圳電網(wǎng)轄區(qū)500 kV深圳變電站(以下簡稱“深圳站”)變壓器陸續(xù)出現(xiàn)間歇性噪音的異常現(xiàn)象，該噪音出現(xiàn)的時間間隔及持續(xù)時長并無明顯特征，但在總體上呈現(xiàn)白天時段明顯、夜間時段減輕的規(guī)律。由于變壓器負(fù)載變化相對平緩，變壓器異常噪音主要來源于其本體噪音的增大。針對此，對變壓器噪音異常的原因進(jìn)行排查定位，經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，噪音異?，F(xiàn)象發(fā)生于中性點接地變壓器，且在變壓器接地中性點存在幅值波動頻繁、方向不斷變化的直流電流入侵現(xiàn)象，變電站4號變壓器中性點監(jiān)測到的最大直流電流幅值可達(dá)22 A。初步分析推測，該現(xiàn)象為直流電流入侵變壓器中性點導(dǎo)致的變壓器直流偏磁現(xiàn)象。

直流偏磁是變壓器處于非正常運行狀態(tài)下的一種現(xiàn)象，其本質(zhì)是磁化曲線的非線性[1]。由于直流電流入侵變壓器中性點，使得變壓器繞組中存在直流電流，繞組產(chǎn)生的直流磁通與交流磁通疊加，造成變壓器工作點發(fā)生偏移，磁滯回線部分進(jìn)入飽和區(qū)域，從而導(dǎo)致勵磁電流發(fā)生畸變[2-3]，致使變壓器出現(xiàn)直流偏磁，造成變壓器噪聲增大，振動加劇，溫升過高以及無功損耗增加，大大縮短了變壓器壽命，甚至影響繼電保護(hù)正常工作[4-6]。導(dǎo)致變壓器直流偏磁的原因主要有：①地磁暴導(dǎo)致的地磁感應(yīng)電流[7]；②直流輸電單極接地運行導(dǎo)致的入地電流[8]；③地鐵運行導(dǎo)致的雜散電流[9]。地磁感應(yīng)電流是由太陽風(fēng)暴導(dǎo)致的地磁擾動所誘發(fā)，其頻率為0.000 1～0.01 Hz，可視為低頻準(zhǔn)直流[10]。高壓直流輸電工程一般采用雙極平衡運行，此時直流電流不流經(jīng)大地；當(dāng)換流站故障或檢修時，采用雙極不平衡運行或單極運行，此時直流電流從大地回流，從而導(dǎo)致大地中流有幾百安培甚至上千安培的直流電流[11]。地鐵雜散電流則是由于國內(nèi)地鐵運營采用直流牽引的供電制式，直流電流通過牽引變電所經(jīng)接觸網(wǎng)、車體、鋼軌并流回至另一變電所，鋼軌不能做到完全絕緣使得直流電流向大地中泄漏。地磁感應(yīng)電流和直流電流由于變化周期較長，變化速度較為緩慢，可視為穩(wěn)定直流源，而雜散電流則是幅值不斷變化的直流源。

目前，對于直流偏磁的研究主要集中在地磁暴和直流接地極作用下電網(wǎng)發(fā)生的直流偏磁[12-14]，對雜散電流所引發(fā)的直流偏磁研究則較少[15-16]，且針對雜散電流引發(fā)直流偏磁的治理研究尚處理論階段，少有數(shù)據(jù)支撐。

為了明確深圳站變壓器異常噪音的原因，有效解決該問題，本文對深圳站500 kV變壓器中性點直流電流進(jìn)行監(jiān)測，分析變壓器中性點直流電流的特征，明確變壓器直流偏磁引起的變壓器噪音異常及其成因[17]，形成變壓器直流偏磁抑制方案；通過對比分析抑制效果，說明在雜散電流入侵接地變壓器的情況下，直流偏磁需要根據(jù)電網(wǎng)電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于全網(wǎng)角度進(jìn)行綜合優(yōu)化治理。

1 測試分析

500 kV深圳站現(xiàn)有3×250 MVA的主變壓器(以下簡稱“主變”)3臺，分別為3號、4號、5號變壓器；500 kV電壓等級電氣設(shè)備為氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)，采用3/2接線方式，共有4個完全串，1個不完全串；500 kV輸電線路共4回，分別連接500 kV鵬城站及嶺澳核電站，并通過3臺500 kV/400 kV并聯(lián)變壓器與香港中電電網(wǎng)相連；220 kV電壓等級設(shè)備為敞開式設(shè)備及高壓GIS(HGIS)，采用雙母線雙分段接線方式，輸電線路共12回；35 kV電壓等級設(shè)備為無功補償設(shè)備，其中包括40 Mvar電容器8組、45 Mvar電抗器7組。深圳站站內(nèi)電氣主接線如圖1所示。

為明確深圳站變壓器出現(xiàn)間歇性噪音的原因，解決變壓器噪音異常的問題，2018年9月18日，工作人員在深圳電網(wǎng)轄區(qū)500 kV深圳站展開測試研究。測試對象為深圳站3號、4號、5號主變中性點直流電流，測試設(shè)備為直流霍爾傳感器和便攜式數(shù)據(jù)采集裝置，直流霍爾傳感器量程為DC±100 A，精度為1%，便攜式數(shù)據(jù)采集裝置可實現(xiàn)8通道自動采集、存儲，采樣頻率為2 kHz。測試結(jié)果如圖2所示。

圖1 500 kV深圳站變壓器主接線圖Fig.1 Main wiring diagram of transformers in 500 kV Shenzhen substation

圖2 深圳站3號、4號、5號主變中性點直流量24 h內(nèi)幅值Fig.2 Amplitudes of neutral point DC current of three main transformers of Shenzhen substation within 24 hours

由圖2可以發(fā)現(xiàn)深圳站主變中性點直流電流呈現(xiàn)以下2個特點：一是中性點直流電流方向不斷改變，其幅值在00:00—05:00時段內(nèi)接近0 A且比較穩(wěn)定，05:00—24:00時段內(nèi)在-30～30 A之間不斷變化；二是中性點直流電流變化速度極快，幅值瞬時可達(dá)30 A，為勵磁電流的幾十倍，且短時間內(nèi)信號并無明顯規(guī)律。

在實際工程中，由于直流輸電系統(tǒng)接地極距離變壓器較遠(yuǎn)，且一般為恒功率輸出，由直流輸電系統(tǒng)入地電流入侵變壓器產(chǎn)生的主變中性點直流電流變化平緩；而由于地磁感應(yīng)電流變化周期較長，變化速率緩慢，當(dāng)?shù)卮鸥袘?yīng)電流入侵變壓器繞組時，變壓器中性點電流方向相對穩(wěn)定，甚至不變[18-20]。因此，根據(jù)中性點直流電流監(jiān)測數(shù)據(jù)及其特點，可初步排除直流輸電入地電流及地磁感應(yīng)電流的影響。同時，深圳站3號、4號、5號主變中性點出現(xiàn)不規(guī)則直流電流的時段與地鐵運營時間一致，且根據(jù)行車運行圖，地鐵牽引供電系統(tǒng)為時變網(wǎng)絡(luò)，因此地鐵雜散電流分布頻繁變化；又考慮到在地鐵運營時段，列車啟停較為頻繁，加速度較大，導(dǎo)致雜散電流變化較快。由此推測該現(xiàn)象可能與地鐵運行導(dǎo)致的雜散電流有關(guān)。

為了進(jìn)一步明確深圳站主變直流偏磁的成因，基于Welch法對中性點直流電流進(jìn)行功率譜估計分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 深圳站主變直流偏磁情況下中性點直流電流功率譜Fig.3 Powerspectrum of neutral point DC current under DC bias of main transformer in Shenzhen substation

由圖3可知：中性點直流電流中直流分量最多，但其同樣含有50 Hz的頻率分量及諧波分量，其余頻率分量的含量則很少；變壓器中性點直流電流所含頻率成分豐富，說明中性點直流電流的隨機性較為明顯，符合雜散電流隨機分布的特征。而在直流輸電入地電流和地磁感應(yīng)電流入侵接地變壓器情況下，中性點直流電流更加平穩(wěn)，不會出現(xiàn)隨機性較強的情況。

為進(jìn)一步分析深圳站4號主變中性點直流電流的變化規(guī)律，確定變壓器直流偏磁形成的原因，選取1周為監(jiān)測周期，在2018年9月17日—9月23日(除9月18日)對4號主變中性點直流電流進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，深圳站4號變壓器中性點出現(xiàn)不規(guī)則直流電流的時段與地鐵運營時間一致，而直流輸電或地磁感應(yīng)電流導(dǎo)致的變壓器直流偏磁不會呈現(xiàn)此規(guī)律；這也在一定程度上排除了直流接地極及地磁暴的影響。

圖4 2018年9月17日—9月23日深圳站4號主變中性點直流量幅值變化Fig.4 Amplitude variation of neutral point DC current of No.4 main transformer in Shenzhen substation from September 17 to September 23 in 2018

綜合分析直流偏磁的成因并結(jié)合深圳電網(wǎng)的客觀條件，考慮到深圳站附近并無直流接地極，且變壓器出現(xiàn)直流偏磁的時間呈現(xiàn)與地鐵運營時間吻合的規(guī)律，以及變壓器中性點直流電流特征與雜散電流特點相一致等，可排除直流接地極以及地磁暴對變壓器的影響，明確了深圳電網(wǎng)變壓器非正?，F(xiàn)象為雜散電流導(dǎo)致的直流偏磁現(xiàn)象。

2 直流偏磁抑制

2.1 抑制措施選擇

目前針對單臺變壓器直流偏磁現(xiàn)象的治理研究已經(jīng)非常成熟，比較常用的方法有中性點串聯(lián)小電阻法、中性點串聯(lián)電容器法、注入電流法和電位補償法[21]。中性點串聯(lián)電阻法是通過在變壓器中性點串聯(lián)接入小電阻的方式，使得直流回路電阻增大，電流減小[22]。中性點串聯(lián)電容法是通過在變壓器中性點加入電容，來阻斷直流電流傳播，從而減小交流電網(wǎng)內(nèi)的直流電流，該方法目前被廣泛應(yīng)用。注入電流法即通過在變壓器中性點接入反向電流發(fā)生裝置，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到變壓器中性點的直流電流時，電流發(fā)生裝置產(chǎn)生補償電流，抵消直流電流的傳播；由于該補償裝置需要自帶接地極，且不能完全補償其直流電流，控制措施復(fù)雜，故應(yīng)用較少。電位補償法是在變壓器中性點接入電位補償裝置，通過改變整個直流回路的電位，使得流入變壓器的直流電流消失，但由于其安裝成本較高，應(yīng)用也較少。

由于雜散電流大小與地鐵的運行狀態(tài)有關(guān)[23]，不確定性很大，若采用中性點串聯(lián)電阻的抑制方法，需要根據(jù)中性點直流電流的大小來計算調(diào)整每個串入電阻的大小，計算量很大；若采用注入電流法和電位補償法，可以抑制雜散電流，但要求抑制裝置具有更快的反應(yīng)速度，成本很高；而電容隔直設(shè)備具有“隔直通交”的效果[24]，相同配置的抑制設(shè)備串聯(lián)在變壓器中性點即可，治理簡便。因此，在深圳站變壓器采用電容隔直設(shè)備進(jìn)行直流偏磁抑制。

2.2 單臺抑制效果分析

根據(jù)實驗計劃，在2018年9月25日上午09:00投入隔直裝置，通過監(jiān)測記錄中性點直流電流的日變化曲線，監(jiān)測結(jié)果及分析如圖5所示。

由圖5可知：變壓器中性點在05:00左右開始出現(xiàn)直流電流，且電流幅值不斷波動；當(dāng)4號變壓器投入隔直裝置后，主變中性點直流電流迅速減小，且幅值接近0 A；結(jié)合中性點直流電流功率譜，可以發(fā)現(xiàn)，信號各頻率成分迅速下降，各頻率分量幅值均為很小。這說明深圳站隔直裝置投入后能夠有效抑制直流電流入侵中性點接地變壓器。

圖5 深圳站隔直裝置投入后4號主變中性點直流電流及其功率譜Fig.5 DC current and power spectrum of neutral point after the DC blocking device of No.4 transformer in Shenzhen substation putting into operation

2.3 全網(wǎng)抑制效果分析

縱觀與500 kV深圳站相連的變電站及交流網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)投入電容隔直裝置后，其站內(nèi)變壓器中性點直流電流降低，但與此同時，深圳站附近簡龍220 kV變電站的變壓器噪聲明顯增大；因此，分別對深圳站隔直裝置投入前后簡龍站變壓器中性點的直流電流進(jìn)行24 h監(jiān)測，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，簡龍站變壓器中性點直流電流在深圳站投入隔直裝置前后發(fā)生了明顯變化?，F(xiàn)場分析推測，可能是投入隔直裝置后中性點直流電流被抑制，從而導(dǎo)致更多直流電流流入附近變電站，使得變壓器噪聲明顯增加。為研究隔直裝置投入對附近變壓器的影響，根據(jù)深圳站電網(wǎng)片區(qū)的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以深圳、簡龍、水貝、東湖、清水河5個變電站變壓器的中性點直流電流為研究對象，設(shè)定評價函數(shù)S為24 h之內(nèi)變壓器中性點直流電流數(shù)據(jù)的絕對值之和，即S=∑|X|，其中X為變壓器中性點直流電流矩陣元素。分別計算隔直裝置投入前后的評價函數(shù)，并進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

圖6 深圳站投入隔直裝置前后簡龍站中性點直流對比Fig.6 Comparison of neutral point DC current in Jianlong substation before and after the DC blocking device of Shenzhen substation putting into operation

表1 隔直裝置投入前后的中性點直流數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of neutral point DC current before and after the DC blocking device putting into operation

由表1可以看出，深圳500 kV變電站變壓器投入隔直裝置后，其中性點直流電流明顯下降，但附近220 kV簡龍及水貝變電站的變壓器中性點直流量明顯上升，而220 kV東湖及清水河變電站的中性點直流量略有下降；由此可知，針對由雜散電流導(dǎo)致的500 kV變壓器直流偏磁治理會對附近變電站產(chǎn)生影響。圖7所示為深圳站隔直裝置投入前后自耦變壓器中性點直流電流分布情況，由圖7可知：由于深圳站500 kV變壓器為自耦變壓器，500 kV電網(wǎng)與低壓等級網(wǎng)絡(luò)形成直流通路；當(dāng)深圳站變壓器中性點投入隔直裝置后，高壓網(wǎng)絡(luò)中的直流電流可通過變壓器入侵220 kV網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致低壓等級網(wǎng)絡(luò)變壓器的直流偏磁更加嚴(yán)重。因此，深圳站500 kV變壓器隔直裝置的投入雖可有效抑制中性點的直流電流，但對直流偏磁的治理并不有效，需要全網(wǎng)綜合考慮，優(yōu)化投切策略。

圖7 深圳站隔直裝置投入前后自耦變壓器中性點直流電流分布Fig.7 Neutral point DC current distribution of the auto-transformer before and after the DC blocking device of Shenzhen substation putting into operation

3 結(jié)束語

本文結(jié)合變壓器中性點直流電流測試數(shù)據(jù)，以及引起變壓器直流偏磁現(xiàn)象的成因，通過分析數(shù)據(jù)特征，明確雜散電流是引起深圳站變壓器直流偏磁的主要原因；根據(jù)雜散電流特點，明確變壓器直流偏磁的治理方法，并驗證了隔直裝置的投入對變壓器中性點直流電流的抑制效果。由于深圳站隔直裝置的投入會導(dǎo)致其附近變電站變壓器的直流偏磁更加嚴(yán)重，在雜散電流入侵接地變壓器情況下，500 kV自耦變壓器的直流偏磁現(xiàn)象需要全網(wǎng)綜合優(yōu)化治理。