一種無源電容隔直裝置在電廠直流偏磁治理中的應(yīng)用

胡振中 HU Zhen-zhong；高佳 GAO Jia

（國家電投集團(tuán)江西電力有限公司景德鎮(zhèn)發(fā)電廠，景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

雅中～江西±800kV特高壓直流輸電工程起于四川省鹽源縣雅中換流站，途經(jīng)四川、云南、貴州、湖南、江西5省，落點(diǎn)撫州東鄉(xiāng)鄱陽湖換流站，線路長度1702km，額定功率雙極8000MW，額定電流：5000A，最大過負(fù)荷電流：6000A。直流工程單極大地運(yùn)行工況下，巨大的直流入地電流通過直流接地極入地，引起周邊中性點(diǎn)接地的大型變壓器出現(xiàn)直流偏磁的情況。

2021年5 月-6月，景德鎮(zhèn)電廠參與雅中特高壓直流工程兩輪直流偏磁測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：2021年5月14日第一輪測(cè)試在接地極入地電流1500A時(shí)，#2主變中性點(diǎn)直流電流18.2A，變壓器運(yùn)行中噪音由72分貝增大至96分貝，變壓器運(yùn)行振動(dòng)明顯加大，#1主變中性點(diǎn)直流電流0.6A，變壓器運(yùn)行噪音、振動(dòng)基本無變化；當(dāng)周邊廠站完成變壓器直流偏磁治理后，2021年6月16日第二輪直流偏磁測(cè)試在接地極入地電流1500A時(shí)，#2主變中性點(diǎn)直流電流38.2A、噪音98分貝，#1主變中性點(diǎn)直流電流19.2A、噪音91分貝，兩臺(tái)變壓器直流偏磁各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果均嚴(yán)重超標(biāo)。若雅中直流在滿負(fù)荷時(shí)單級(jí)運(yùn)行，則入地電流將達(dá)到6000A，此時(shí)通過主變中性點(diǎn)的直流電流將會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的直流偏磁現(xiàn)象，變壓器損壞的風(fēng)險(xiǎn)極大。

1 直流偏磁產(chǎn)生的原因和危害

1.1 直流偏磁產(chǎn)生的原因

當(dāng)發(fā)生直流輸電線路存在一端接地或兩級(jí)不平衡運(yùn)行方式時(shí)，一個(gè)超強(qiáng)的電流場(chǎng)會(huì)在接地極的周邊產(chǎn)生。不同區(qū)域，大地土壤層的電阻率會(huì)有明顯區(qū)別，由于處于不同位置，導(dǎo)致接地極周邊中性點(diǎn)接地變壓器地電位也將不同。入地電流會(huì)從地電位相對(duì)高的變壓器中性點(diǎn)流入變壓器三相繞組，然后通過后續(xù)線路及設(shè)備，流入地電位相對(duì)低的變壓器三相繞組，最后通過中性點(diǎn)流入大地，這樣一個(gè)完整的直流回路就形成了，如圖1所示。

1.2 直流偏磁的危害

當(dāng)變壓器三相繞組中流過直流電流時(shí)，勵(lì)磁電流增長迅速，造成變壓器鐵芯磁通飽和。還會(huì)引起繞組、夾件、鐵芯等部件渦流損耗變大，變壓器內(nèi)部油溫賀繞組溫升增加，造成局部過熱甚至破壞絕緣的情況發(fā)生，如果直流持續(xù)時(shí)間較長，會(huì)造成電力系統(tǒng)電壓降低或畸變，保護(hù)裝置誤動(dòng)作的事件發(fā)生。直流電流流過變壓器線圈時(shí)，勵(lì)磁電流會(huì)明顯增大，導(dǎo)致變壓器運(yùn)行噪音增大，并且有了諧波成分會(huì)使變壓器噪音頻率發(fā)生變化，極有可能與變壓器繞組、鐵芯、冷卻器或油箱等結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生共振，導(dǎo)致變壓器振動(dòng)增大，噪音增大。因此，直流偏磁嚴(yán)重影響變壓器的使用壽命和安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 直流偏磁問題解決方案

我們處理直流偏磁的問題，最常用的主要有三種解決思路，有串接電阻、串接電容器和反向注入電流。

2.1 串接電阻法 在變壓器中性點(diǎn)與地網(wǎng)之間串接一個(gè)較小的電阻，流過中性點(diǎn)的直流電流可以通過這個(gè)電阻進(jìn)行限制。這種方案不需要電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。這種方法最大的問題是沒能對(duì)直流偏磁現(xiàn)象進(jìn)行徹底治理，只是對(duì)電流大小進(jìn)行一定程度的限制。并且對(duì)串接電阻的選擇必須進(jìn)行精確計(jì)算：如果串接的電阻阻值超過一定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該變壓器中性點(diǎn)不能有效接地，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的零序參數(shù)造成影響，不利于繼保設(shè)備的穩(wěn)定性。系統(tǒng)運(yùn)行方式和相關(guān)參數(shù)變化時(shí)，為更好地限制直流電流大小，需要人為調(diào)整限流電阻的阻值，靈活度不高。

2.2 反向電流注入法 我們知道改變變壓器中性點(diǎn)的電位，可以有效限制直流電流向變壓器中性點(diǎn)流入，這樣就可以通過在變壓器中性點(diǎn)并聯(lián)一個(gè)直流電源，這個(gè)電源電流要能實(shí)現(xiàn)在線調(diào)控。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是：變壓器及其中性點(diǎn)系統(tǒng)沒有增加任何設(shè)備，本身系統(tǒng)沒有任何改變，不會(huì)對(duì)原系統(tǒng)和相關(guān)繼保設(shè)備定值整定產(chǎn)生不利影響。但是缺點(diǎn)也很明顯，此方法要在變壓器或廠站附近建設(shè)輔助接地極用于直流電流注入，施工工程量巨大，且由于增加了一套大容量的直流電源，設(shè)備維護(hù)工作量和成本都很大。同樣，注入電流的方法也不能完全消除直流偏磁的影響。

2.3 串接電容法 電容具有阻斷直流通交流的特性，電容型隔直裝置就是利用這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)的。將一組串聯(lián)的電容器，接入變壓器中性點(diǎn)與地網(wǎng)之間，就能有效阻隔直流，這種方案原理簡(jiǎn)單、效果良好，成為了目前抑制直流偏磁最常用、最可靠的方案。

①傳統(tǒng)有源電容隔直裝置都并聯(lián)了一個(gè)旁路裝置，用于起到及時(shí)限制電容器過電壓和過電流，保護(hù)電容器的目的。傳統(tǒng)有源電容型直流偏磁抑制裝置受電容器制作水平的限制，電容器性能的好壞與制造成本和體積大小有密切聯(lián)系，綜合考慮，容抗一般在1.2～0.1Ω范圍之間。當(dāng)主變出現(xiàn)不對(duì)稱短路故障時(shí)，主變中性點(diǎn)故障電流可達(dá)10kA甚至更高，那么在電容接地情況下，在電容器上產(chǎn)生的電壓將大大超過電容器的耐壓水平。為了保證電容器的安全運(yùn)行，增加了由可控硅、二極管原件等組成的過電壓、過電流保護(hù)回路等旁路模塊，隔直電容的投入和退出是通過與電容器并聯(lián)的轉(zhuǎn)換開關(guān)來來實(shí)現(xiàn)的。為了更好地實(shí)現(xiàn)整套裝置的控制，便于運(yùn)行人員及管理者對(duì)設(shè)備的監(jiān)控，配置了繁瑣的電流測(cè)量和信號(hào)控制設(shè)備。綜合上述原因，有源電容型直流偏磁抑制裝置的結(jié)構(gòu)、控制、運(yùn)行流程均很繁雜，可靠性不高，維護(hù)成本偏高，檢修維護(hù)技術(shù)難度較大。傳統(tǒng)有源電容隔直裝置原理如圖2所示。

②一種無源電容隔直裝置采用專用隔直電容器，在體積基本不變的情況下，電容器的額定電壓1200VDC（耐壓1800VDC），電容量增大了10倍以上。為了留有一定裕度，整套隔直裝置的電容值達(dá)到130000uf以上，容抗小于0.025Ω。當(dāng)故障電流為10kA時(shí)，在電容器組上產(chǎn)生的電壓為250V。故障電流20kA時(shí)，在電容器組上產(chǎn)生的故障電壓為500V，遠(yuǎn)小于電容器的耐壓值1200V。也就是說電容器的容量增加至足夠大后，在不采用外部保護(hù)回路的情況下，已經(jīng)完全可以耐受主變中性點(diǎn)最大故障電流的沖擊。無源電容隔直裝置可以完全擺脫外部保護(hù)回路獨(dú)立運(yùn)行，取消了旁路回路和控制單元，沒有了繁瑣的旁路回路和控制單元，可靠性大大增強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)免維護(hù)運(yùn)行。無源電容隔直裝置原理如圖3所示。

③兩種電容隔直裝置的比較。

1）傳統(tǒng)有源電容型直流偏磁抑制裝置受當(dāng)時(shí)電容器制作水平的限制，容抗一般在1.2～0.1Ω范圍之間。當(dāng)主變出現(xiàn)不對(duì)稱短路故障時(shí)，主變中性點(diǎn)故障電流可達(dá)10kA甚至更高，那么在電容接地情況下，在電容器上產(chǎn)生的電壓將大大超過電容器的耐壓水平。為了保證電容器的安全運(yùn)行，增加了由可控硅、二極管原件等組成的過電壓、過電流保護(hù)回路等旁路模塊，隔直電容的投入和退出是通過與電容器并聯(lián)的轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的；為了更好地實(shí)現(xiàn)整套裝置的控制，配置了電流測(cè)量和信號(hào)控制設(shè)備。因此，有源電容型直流偏磁抑制裝置的結(jié)構(gòu)、控制、運(yùn)行流程均很繁雜，可靠性不高，維護(hù)成本偏高，檢修維護(hù)技術(shù)難度較大。

2）無源電容型直流偏磁抑制裝置原理更簡(jiǎn)單，沒有與電容器并聯(lián)的快速開關(guān)，不需要繁雜的保護(hù)回路及控制回路，取消的部分均是故障率高，維護(hù)成本高，技術(shù)難度大的地方，大大降低了日常運(yùn)維成本。

為了特殊情況下保護(hù)點(diǎn)設(shè)備安全運(yùn)行，電容器組兩端安裝了石墨球間隙放電保護(hù)，球隙距大小為1mm左右，放電電壓3000～5000V。電容器組兩端裝設(shè)了放電電阻器，以達(dá)到消除電容器組直流電壓產(chǎn)生的影響。

裝置采用超低容抗電容器永久接入方案，隔直電容器組采用9組電容并聯(lián)，工頻阻抗小于0.025Ω，可以完全耐受50kA以上的短路電流沖擊。由于系統(tǒng)故障時(shí)不需要快速旁路系統(tǒng)來保護(hù)電容器組，具有本質(zhì)安全的可靠性。

通過對(duì)上述直流偏磁治理方法的比較，并結(jié)合直流偏磁測(cè)試的實(shí)際結(jié)果和運(yùn)維成本，景德鎮(zhèn)電廠兩臺(tái)主變都選用無源電容型隔直裝置來治理直流偏磁問題。

3 無源電容隔直裝置參數(shù)選擇

根據(jù)GB/T 1904.23-2019《電力變壓器第23部分：直流偏磁抑制裝置》的規(guī)定要求，變壓器中性點(diǎn)所裝設(shè)電容式隔直裝置電容在系統(tǒng)額定頻率50Hz下，容抗值一般≯1.2Ω。對(duì)市場(chǎng)上的隔直裝置及電網(wǎng)公司已安裝的隔直裝置調(diào)研發(fā)現(xiàn)，電容型隔直裝置一般采用33000uF及66000uF兩種容值規(guī)格，通過計(jì)算公式容抗：Xc（Ω）=1/2πfC得知，兩種容值對(duì)應(yīng)的容抗分別為0.1Ω和0.05Ω。經(jīng)咨詢調(diào)度保護(hù)處和設(shè)計(jì)院，中性點(diǎn)處增加電阻3Ω以下時(shí)對(duì)中性點(diǎn)接地電流及保護(hù)定值等影響較小，可基本忽略。但由于66000uF電容型隔直裝置與33000uF裝置相比較，容值增加一倍，裝置整體價(jià)格增加約25%，裝置體積約增加20%。電容值越大，整體裝置的尺寸和投資費(fèi)用均會(huì)增加，因此綜合比較可得，景德鎮(zhèn)電廠兩臺(tái)主變選用電容值不低于33000μF的電容式隔直裝置。

4 直流偏磁治理效果驗(yàn)證

景德鎮(zhèn)電廠完成兩臺(tái)主變隔直裝置接入后，于2021年6月19日參與雅中特高壓直流工程第三輪直流偏磁測(cè)試，此次測(cè)試完成了雅中直流江西側(cè)額定入地電流下的直流偏磁測(cè)試，入地電流最高為5000A。在5000A入地電流下，景德鎮(zhèn)電廠兩臺(tái)主變運(yùn)行狀況良好，對(duì)變壓器中性點(diǎn)直流電流幾乎無任何影響，變壓器噪聲、振動(dòng)、繞組溫升等各項(xiàng)參數(shù)均正常。#1、#2主變通過加裝無源電容隔直裝置，達(dá)到了直流偏磁治理的良好效果。景德鎮(zhèn)電廠兩臺(tái)主變直流偏磁治理前、后測(cè)試數(shù)據(jù)分別見表1、表2。

表1 直流偏磁治理前數(shù)據(jù)

表2 直流偏磁治理后數(shù)據(jù)

5 總結(jié)

雅中特高壓直流輸電工程投產(chǎn)運(yùn)行后，中性點(diǎn)直流偏磁問題對(duì)周邊區(qū)域變壓器的影響會(huì)日益突出，受影響的變壓器必須及時(shí)進(jìn)行直流偏磁治理。本文通過對(duì)比幾種抑制直流偏磁方案的優(yōu)缺點(diǎn)，景德鎮(zhèn)電廠最終采用無源電容隔直裝置，該裝置在隔離效果、成本、安全性、穩(wěn)定性等達(dá)到了最優(yōu)效果。通過多次試驗(yàn)測(cè)試，在變壓器中性點(diǎn)處安裝無源電容隔直裝置，能有效解決直流偏磁對(duì)主變的不利影響，提高了電廠及周邊系統(tǒng)的安全可靠性。