一起主變壓器直流偏磁裝置故障原因分析

王立志,魏云

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011 2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司，寧夏 銀川 750011)

遠(yuǎn)距離超高壓和特高壓直流輸電中，當(dāng)直流輸電系統(tǒng)在單極運(yùn)行或雙極不平衡運(yùn)行時(shí)，大電流注入接地極，致使處于接地極內(nèi)變電站之間存在電位差。隨著近些年超、特高壓直流輸電工程的大規(guī)模建設(shè)，單極運(yùn)行時(shí)導(dǎo)致直流接地極附近變壓器大規(guī)模直流偏磁時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重危急系統(tǒng)中的主變壓器，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了較大影響。危害主要表現(xiàn)為引起主變CT飽和，差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，引起主變過(guò)激磁，過(guò)激磁保護(hù)動(dòng)作[1-4]。過(guò)大的直流電流可能引起變壓器磁飽和，產(chǎn)生振動(dòng)加劇、噪聲增大、諧波增大、局部過(guò)熱等問(wèn)題[5-6]。為了保障電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行，直流偏磁抑制裝置已得到廣泛應(yīng)用。

本文通過(guò)一起主變壓器直流偏磁抑制裝置運(yùn)行異常原因分析，提出了改進(jìn)措施，避免類似異常再次發(fā)生，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 抑制變壓器直流偏磁的方式

目前，抑制流入變壓器中性點(diǎn)直流電流的方法主要有以下3種[1,7-8]：

(1)反向注入法

該方法是在變電站附近建設(shè)1個(gè)小型的接地極，向大地注入反向電流，以抵消注入的直流電流。此法不改變變壓器中性點(diǎn)原有的接線方式，對(duì)繼電保護(hù)無(wú)影響，但需建造輔助接地極，投資較大且無(wú)法快速啟動(dòng)，輔助接地極的入地電流可能造成二次污染。

(2)電阻法

在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)電阻，限制直流電流的大小，此方法不能完全消除中性點(diǎn)電流，電阻值過(guò)大會(huì)對(duì)零序網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和主變壓器的過(guò)電壓能力造成影響。

(3)電容法

在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)電容，利用電容的通交流、阻直流的特性，阻斷直流電流；但加裝電容后，有可能改變變壓器中性點(diǎn)直接接地的特性，對(duì)主變壓器的過(guò)電壓能力和繼電保護(hù)造成影響。

某地區(qū)廣泛采用以下2種電容式直流偏磁抑制裝置。

1.1 有源式直流偏磁抑制裝置

有源式直流偏磁抑制裝置有2種運(yùn)行方式[9-10]，如圖1所示。方式1：正常運(yùn)行時(shí)，Zd1刀閘在分，Zd2刀閘在合，高速旁路開(kāi)關(guān)HSD在分，利用電容C隔直流通交流的作用，主變壓器中性點(diǎn)通過(guò)電容器C接地運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生非對(duì)稱性短路故障時(shí)，有較大的短路電流流經(jīng)主變壓器中性點(diǎn)時(shí)，高速旁路開(kāi)關(guān)HSD快速合閘，利用HSD開(kāi)關(guān)將短路電流導(dǎo)入大地回路。方式2：正常運(yùn)行時(shí)，Zd1刀閘在分，Zd2刀閘在合，高速旁路開(kāi)關(guān)HSD在合，主變壓器中性點(diǎn)通過(guò)HSD直接接地運(yùn)行，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)有較大的直流分量時(shí)，斷開(kāi)HSD開(kāi)關(guān)，此時(shí)主變壓器中性點(diǎn)通過(guò)電容C回路接地運(yùn)行，隔離直流分量。

圖1 有源型直流偏磁抑制裝置原理

無(wú)論是方式1還是方式2，都需增加快速開(kāi)關(guān)進(jìn)行分、合閘，優(yōu)點(diǎn)是電容器本身不必承受非對(duì)稱接地短路故障，運(yùn)行可靠。缺點(diǎn)是快速開(kāi)關(guān)本身需要接入可靠的交、直流電源，成本較高。

1.2 無(wú)源式直流偏磁抑制裝置

圖2 無(wú)源式直流偏磁抑制裝置原理

裝置運(yùn)行原理如圖2所示，正常運(yùn)行時(shí)，GN2在分，GN1在合，主變中性點(diǎn)通過(guò)電容隔直裝置接地，防止直流分量進(jìn)入交流電網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，故障電流將會(huì)流過(guò)主變中性點(diǎn)，致使中性點(diǎn)電壓抬升。設(shè)置氧化鋅閥片限制電容器兩端電壓至可承受的900 V。為避免氧化鋅避雷器長(zhǎng)時(shí)間承受大電流，設(shè)置放電間隙，確保系統(tǒng)不至于失地運(yùn)行。

2 故障情況和設(shè)備檢查

該地區(qū)裝設(shè)直流偏磁裝置涉及5座變電站，分別以A、B、C、D、E區(qū)分，共11臺(tái)主變壓器配置直流偏磁抑制裝置，1臺(tái)有源式，10臺(tái)無(wú)源式。2019年，該地區(qū)3座330 kV變電站5臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)直流偏磁抑制裝置電容器回路末端限流電阻片熔斷，且有明顯放電痕跡，此次損壞設(shè)備均為無(wú)源式直流偏磁抑制裝置。

2.1 A站

A站1號(hào)、2號(hào)主變壓器直流偏磁抑制裝置電容末端連接銅片熔斷，如圖3所示。

圖3 A站1、2號(hào)主變直流偏磁抑制裝置電容末端電阻熔斷

圖4 B站1號(hào)主變直流偏磁抑制裝置電容末端連接銅片燒黑

2.2 B站

B站1號(hào)主變直流偏磁抑制裝置電容組接地側(cè)連接電阻片燒黑，末端電阻片未燒斷，見(jiàn)圖4。2號(hào)主變直流偏磁抑制裝置電容組接地側(cè)連接電阻片燒黑，末端電阻片已燒斷，有明顯放電現(xiàn)象，如圖5。

圖5 B站2號(hào)主變直流偏磁抑制裝置電容末端連接銅片附近放電痕跡

2.3 C站

現(xiàn)場(chǎng)檢查C站3號(hào)主變直流偏磁抑制裝置監(jiān)測(cè)正常，檢查發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)燒灼痕跡明顯，電容器側(cè)接地電阻片銅牌上所包裹的絕緣材料已經(jīng)破裂，見(jiàn)圖6—圖7。

圖6 C站3號(hào)主變電容器回路銅牌左上角木質(zhì)螺絲燒斷

圖7 C站3號(hào)主變電容器回路銅牌絕緣膠套融化

3 故障原因及改進(jìn)措施

3.1 故障原因

發(fā)生故障的直流偏磁抑制裝置損壞處主要集中在電容器回路末端限流電阻片處，根據(jù)電容器隔直流、通交流的作用分析，直流分量無(wú)法進(jìn)入電容器回路，無(wú)法造成本次故障。造成電阻片熔斷的原因有3種可能：(1)變壓器正常運(yùn)行中流經(jīng)中性點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)小電流分量；(2)直流系統(tǒng)非正常運(yùn)行狀態(tài)下經(jīng)中性點(diǎn)流入主變壓器的直流分量；(3)系統(tǒng)發(fā)生非對(duì)稱接地故障時(shí)流經(jīng)中性點(diǎn)的短時(shí)大電流分量。

在變壓器正常運(yùn)行時(shí)，正常流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的電流很小，同時(shí)D、E站直流偏磁抑制裝置電阻片與A、B、C站完全一致，中性點(diǎn)電流也相差不大，但D、E站直流偏磁抑制裝置電阻片完好，說(shuō)明長(zhǎng)時(shí)小電流不是造成電阻片熔斷的主要原因。

變壓器正常運(yùn)行時(shí)流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的交流量很小，而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生非對(duì)稱短路故障時(shí)，較大的短路電流要流經(jīng)電容器回路。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2016年至2019年間，發(fā)生異常的A、B、C站發(fā)生非對(duì)稱接地故障統(tǒng)計(jì)如下：

A站：1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)主變直流偏磁抑制裝置自投運(yùn)后，發(fā)生110 kV線路非對(duì)稱接地故障12次，最大短路電流值12.84 kA。

B站：1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)主變直流偏磁抑制裝置自投運(yùn)后，發(fā)生110 kV線路非對(duì)稱接地故障8次，最大短路電流值7.650 kA。

C站：3號(hào)主變直流偏磁抑制裝置自投運(yùn)后發(fā)生110 kV線路非對(duì)稱接地故障1次，最大短路電流值達(dá)到10.472 kA。

D站：1、2號(hào)主變并列運(yùn)行，2號(hào)主變采用有源式直流偏磁抑制裝置，發(fā)生非對(duì)稱接地短路故障時(shí)，快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，主變中性點(diǎn)直流偏磁抑制裝置電容器回路電阻片不會(huì)流過(guò)故障電流。

E站：1、2號(hào)主變直流偏磁抑制裝置投運(yùn)后，未發(fā)生非對(duì)稱接地故障。

發(fā)生電阻片熔斷的變壓器中性點(diǎn)均受到短路電流的沖擊，且未設(shè)置快速開(kāi)關(guān)先行動(dòng)作，同時(shí)短路電流萬(wàn)安級(jí)。電阻片設(shè)計(jì)電阻R=0.06 Ω，電阻片材質(zhì)為304不銹鋼，電阻率ρ=0.73 Ω·mm2/m，密度g=7.93 g/cm3，比熱容c=0.5 kJ/(kg·K)，寬度a=20 mm,厚度b=1.5 mm,則

S=a×b=20×1.5=30(mm2)

(1)

(2)

此外，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，主變中性點(diǎn)將有千安級(jí)的大電流沖擊流過(guò)，以單相短路電流為10 320 A短路電流(取A、B、C站最大短路電流平均值)、持續(xù)時(shí)間為0.06 s(以主保護(hù)切除故障的固有時(shí)間考慮)，則溫升

這個(gè)溫升已超過(guò)電容器組限流電阻片的極限工作溫度(不銹鋼的熔點(diǎn)約為1 400 ℃，極限工作溫度為800 ℃；足以造成不銹鋼嚴(yán)重碳化，表面環(huán)氧板(絕緣層)燒糊。如果不銹鋼限流電阻片遭受短時(shí)大電流沖擊，溫升更高且更易造成電容器組限流電阻片熔斷。

3.2 改進(jìn)措施及建議

(1)將在運(yùn)主變壓器無(wú)源直流偏磁抑制裝置采用限流鋁合金電阻片結(jié)構(gòu)形式更改為采用面積為40×4 mm2銅排直接搭接的方式，減少電阻值，增加通流能力，減少發(fā)熱量，避免發(fā)熱熔斷引起主變壓器中性點(diǎn)失去接地，但裝置能否經(jīng)受大電流沖擊，仍需進(jìn)一步論證，目前經(jīng)過(guò)改造的直流偏磁抑制裝置運(yùn)行正常。

(2)在今后的設(shè)備運(yùn)維過(guò)程中，如果系統(tǒng)中直接接地主變壓器經(jīng)過(guò)非對(duì)稱接地短路故障電流沖擊，需詳細(xì)檢查主變壓器中性點(diǎn)直流偏磁抑制裝置，尤其是放電回路，以免造成主變壓器中性點(diǎn)接地回路熔斷導(dǎo)致變壓器長(zhǎng)時(shí)間失地運(yùn)行。

(3)在新建直流偏磁抑制裝置驗(yàn)收時(shí)，提出進(jìn)行耐受短路電流沖擊試驗(yàn)的具體要求，避免問(wèn)題遺留至運(yùn)維階段。

4 結(jié) 論

通過(guò)以上分析，系統(tǒng)發(fā)生非對(duì)稱短路接地時(shí)，產(chǎn)生的短路電流分量流經(jīng)直流偏磁裝置電容回路末端鋁合金電阻片，引起電阻片發(fā)熱熔斷，是造成本次直流偏磁抑制裝置損壞的原因，與直流換向時(shí)產(chǎn)生的直流分量或者運(yùn)行中的交流分量無(wú)關(guān)。建議今后新投的直流偏磁抑制裝置，出廠試驗(yàn)階段要經(jīng)過(guò)充分的短路電流耐受驗(yàn)證，避免問(wèn)題遺留至運(yùn)維階段。加強(qiáng)對(duì)變電站附近環(huán)境的巡視，及時(shí)清除變電站、線路周?chē)∥?，防止因線路外破、異物搭接引起的近區(qū)短路。當(dāng)直接接地系統(tǒng)中的主變壓器運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)一旦發(fā)生非對(duì)稱接地故障，運(yùn)維人員應(yīng)及時(shí)檢查主變壓器中性點(diǎn)及中性點(diǎn)直流偏磁抑制裝置是否完好。