HVDC/GIC型直流偏磁的差異性分析

馬書民，夏少連，熊 瑋，林湘寧，李正天，鄭宇超，吳宇奇，徐海波

HVDC/GIC型直流偏磁的差異性分析

馬書民1，夏少連2，熊 瑋2，林湘寧1，李正天1，鄭宇超1，吳宇奇1，徐海波3

(1.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.國家電網(wǎng)公司華中分部，湖北 武漢 430074；3.易事特集團(tuán)股份有限公司，廣東 東莞 523808)

考慮到地磁感應(yīng)電流(geomagnetically induced current, GIC)具有低頻性，過去一直將其近似等效為高壓直流輸電(high voltage direct current, HVDC)誘發(fā)的不平衡電流進(jìn)行研究。然而，與HVDC型直流偏磁相比，GIC型直流偏磁具有顯著的隨機(jī)性與時(shí)變性，因此簡單地將兩者完全等效處理并不合理，在特定場景下應(yīng)加以區(qū)分。為此，首先，從理論上分析了兩種類型直流偏磁在誘發(fā)原因及特點(diǎn)上的差異。其次，通過研究直流偏磁對變壓器本體以及電流互感器的不利影響，進(jìn)一步探究兩種類型直流偏磁對電網(wǎng)一/二次設(shè)備的影響差異，為后續(xù)的偏磁治理提供有效參考。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建了等效仿真模型，并通過仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。

HVDC型直流偏磁；GIC型直流偏磁；變壓器飽和；CT飽和；變壓器差動保護(hù)

0 引言

直流偏磁現(xiàn)象根據(jù)其誘因的不同主要分為兩種，即高壓直流輸電系統(tǒng)引起的不平衡電流所誘發(fā)的直流偏磁現(xiàn)象(稱之為HVDC型直流偏磁)，以及太陽磁暴引起的地磁感應(yīng)電流所誘發(fā)的直流偏磁現(xiàn)象(稱之為GIC型直流偏磁)。發(fā)生任意一種直流偏磁時(shí)，偏磁電流均會通過大地入侵變壓器的中性點(diǎn)繞組，從而造成變壓器噪聲增大、振動加劇、周邊埋地金屬管道腐蝕以及變壓器保護(hù)失效等一系列不良后果[1-3]，對區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來威脅。

為應(yīng)對直流偏磁誘發(fā)的不良后果，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量深入研究并提出了許多有效治理策略，包括中性點(diǎn)串聯(lián)電阻/電容法、中性點(diǎn)反向電流補(bǔ)償法、接地極互聯(lián)法以及斷面功率支援法等[4-8]。然而，考慮到地磁感應(yīng)電流具有低頻性(主要頻率波動位于0.001~0.1 Hz)，且兩者誘發(fā)直流偏磁的機(jī)理類似，絕大部分專家在研究中并沒有意識到HVDC型與GIC型直流偏磁之間的差異性，而是統(tǒng)一將偏磁電流視作大小恒定的直流電流，因此部分文獻(xiàn)所得結(jié)論在實(shí)際使用過程中存在一定局限性。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于接地極互聯(lián)的系統(tǒng)級偏磁治理策略，通過改善直流電流在大地中的分布實(shí)現(xiàn)了對直流偏磁的有效治理。然而，該方法只適用于HVDC型直流偏磁，無法對GIC型直流偏磁產(chǎn)生治理作用。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于多直流功率支援的直流偏磁治理策略，該策略利用同一輸電斷面內(nèi)多條直流輸電線路可進(jìn)行功率支援的特點(diǎn)在中性點(diǎn)主動生成反向不平衡電流。然而，考慮到GIC型電流的時(shí)變性，該方法同樣只適用于大小恒定的HVDC型直流偏磁。特別是在極端場景下若不加選擇地選取偏磁治理策略甚至可能增大故障發(fā)生的概率，如文獻(xiàn)[9]指出在GIC型直流偏磁下采用中性點(diǎn)串聯(lián)電容法治理接地極電流，會使包括換流站在內(nèi)的一些站點(diǎn)的GIC電流增大，進(jìn)而增大了變壓器故障概率以及地磁暴引發(fā)電網(wǎng)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

事實(shí)上，與HVDC型直流偏磁相比，GIC型直流偏磁具有顯著的隨機(jī)性與時(shí)變性[10]，特別是當(dāng)其長時(shí)間作用于電網(wǎng)后，其所誘發(fā)直流偏磁的程度與方向?qū)⑴cHVDC型直流偏磁產(chǎn)生顯著區(qū)別，因此簡單地將兩者完全等效處理并不合理[11]。此外，目前偏磁治理相關(guān)的規(guī)章制度均以HVDC型直流偏磁為研究或者規(guī)范對象，尚無針對GIC型直流偏磁的治理標(biāo)準(zhǔn)。若在治理GIC型直流偏磁的過程中套用HVDC型直流偏磁的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，很可能會出現(xiàn)治理過剩甚至治理不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象，在經(jīng)濟(jì)性或者可靠性上不滿足需求[12]。

綜上，目前鮮有文獻(xiàn)或?qū)t針對兩類偏磁電流對電網(wǎng)中一/二次設(shè)備的影響開展研究或者加以區(qū)分，也并未提出兼顧兩類偏磁電流差異性的偏磁治理策略，因此這種單一化的偏磁治理手段對現(xiàn)場運(yùn)行的指導(dǎo)作用較為有限。事實(shí)上，若能深入探究HVDC型與GIC型直流偏磁對電網(wǎng)一/二次設(shè)備正常運(yùn)行造成的差異，將有助于研究能同時(shí)適用于不同類型直流偏磁的協(xié)同式治理策略，從而更好地消除直流偏磁帶來的不利影響。

為此，本文對HVDC型直流偏磁與GIC型直流偏磁的差異性開展了研究，以運(yùn)行變壓器為對象，研究不同類型的直流偏磁對變壓器一次設(shè)備以及相關(guān)二次設(shè)備的影響差異。首先，介紹了兩種典型直流偏磁現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，并針對兩種偏磁現(xiàn)象的特性進(jìn)行歸納對比。進(jìn)一步地，分別針對變壓器以及保護(hù)用電流互感器，研究對比了HVDC型/GIC型直流偏磁在誘發(fā)不同電氣設(shè)備磁飽和過程中的差異性，總結(jié)了兩種直流偏磁對電網(wǎng)一/二次設(shè)備正常運(yùn)行造成的不利影響，并對兩種直流偏磁類型的危害程度進(jìn)行了討論。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建了不同直流偏磁的等效模型，仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 不同類型直流偏磁的產(chǎn)生機(jī)理分析

HVDC型直流偏磁是由直流輸電系統(tǒng)的不平衡運(yùn)行方式導(dǎo)致的。目前直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行方式主要分為以下三種，分別是雙極平衡運(yùn)行、單極-金屬回線運(yùn)行以及單極-大地回線運(yùn)行，其中將單極-金屬回線運(yùn)行和單極-大地回線統(tǒng)稱為不平衡運(yùn)行方式。若直流輸電工程線路發(fā)生單極故障或進(jìn)行檢修，此時(shí)直流輸電系統(tǒng)由雙極平衡運(yùn)行方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴黄胶膺\(yùn)行方式，特別是當(dāng)線路處于低損耗、高經(jīng)濟(jì)性的單極-大地回線運(yùn)行方式時(shí)，由接地極流入大地的電流幅值可高達(dá)數(shù)千安培，在周邊將形成顯著的不平衡電流[13]。進(jìn)一步地，不平衡電流在接地極周圍形成了一個(gè)恒定的電流場，當(dāng)周邊任意兩臺變壓器之間存在輸電線路連接時(shí)，就會形成由變壓器接地裝置、繞組、輸電線路和大地構(gòu)成的直流通路，最終誘發(fā)HVDC型直流偏磁，其原理如圖1所示。研究表明，HVDC型直流偏磁常發(fā)生在直流工程落點(diǎn)周邊50 km范圍內(nèi)，且持續(xù)時(shí)間等同于線路檢修時(shí)間或故障切除時(shí)間，往往不長于3 h[14]。

圖1 接地極和變電站系統(tǒng)形成的閉合回路原理圖

除直流輸電工程引起的HVDC型直流偏磁外，由太陽風(fēng)和射線流襲擊地球產(chǎn)生的磁暴會與地球本身磁場相互作用，進(jìn)而在距離地球表面數(shù)百公里處形成了一個(gè)環(huán)繞地球的極電流，并對地磁場產(chǎn)生擾動現(xiàn)象，形成地磁暴?？紤]到土壤具備顯著的導(dǎo)電能力，當(dāng)?shù)卮疟┌l(fā)生時(shí)，會在土壤中形成一個(gè)低頻(一般在0.1 Hz以下)且具有一定持續(xù)時(shí)間的地磁感應(yīng)電流，并由此在大地表面誘發(fā)電位梯度，將其稱為地表電勢，其數(shù)值大小通常處于1~10 V/km[15]。與HVDC型直流偏磁的機(jī)理類似，由地磁感應(yīng)電流產(chǎn)生的地表電勢最終在周邊互相連接的接地變壓器之間誘發(fā)直流偏磁現(xiàn)象，即GIC型直流偏磁。考慮到GIC型直流偏磁的產(chǎn)生機(jī)理，其常發(fā)生在地面電導(dǎo)率較小的地區(qū)，東西走向、處于高緯度地區(qū)的輸電線路尤其容易受到GIC型直流偏磁的影響[16]。此外，GIC型直流偏磁的持續(xù)時(shí)間與太陽磁暴的持續(xù)時(shí)間相關(guān)，具有極大的不確定性，一般持續(xù)幾個(gè)小時(shí)至幾天不等[17]。

經(jīng)歸納可知，HVDC型與GIC型直流偏磁在生成機(jī)理上存在以下不同之處：

1) 不同直流偏磁類型的等效電流存在差異。在直流輸電系統(tǒng)模式以及交流電網(wǎng)接地拓?fù)湮锤淖兊那疤嵯?，HVDC型偏磁電流大小恒定，而GIC型偏磁電流是一種頻率較小(0.1 Hz以下)、幅值波動的交流電流。

2) 不同直流偏磁類型的影響區(qū)域存在差異。HVDC型直流偏磁主要影響直流接地極周邊的交流電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其影響半徑由土壤電阻率、交流電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及接地極入地電流的大小共同決定，一般在接地極周邊50 km范圍內(nèi)。相比于HVDC型直流偏磁，GIC型直流偏磁是由全球性的地磁場變化導(dǎo)致的，常見于高緯度地區(qū)，具有極大的影響范圍。

3) 不同直流偏磁類型的作用時(shí)間存在差異。HVDC型直流偏磁是直流輸電工程不平衡運(yùn)行導(dǎo)致的，該現(xiàn)象主要發(fā)生在直流輸電工程建設(shè)初期以及發(fā)生故障的情況下，因此其持續(xù)時(shí)間一般較短且可控。與之相反的是，太陽磁暴的發(fā)生比較突然，且持續(xù)時(shí)間一般長達(dá)幾個(gè)小時(shí)甚至幾天，因此GIC型直流偏磁的持續(xù)時(shí)間更長且難以預(yù)測。

2 不同類型直流偏磁對電網(wǎng)一次設(shè)備影響的差異化分析

除研究機(jī)理差異外，還應(yīng)探究不同類型的直流偏磁對電網(wǎng)一次設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的影響。研究表明，目前直流偏磁對電網(wǎng)一次設(shè)備的影響主要集中在對電力變壓器的不利影響上，一旦偏磁電流侵入變壓器中性點(diǎn)繞組，將會造成變壓器噪聲增大、振動加劇等不良后果[18]。因此，直流偏磁電流的存在將對變壓器本體產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害，且直流電流越大，對變壓器本體的損害越嚴(yán)重[19]。然而，上述研究主要集中在HVDC型直流偏磁對變壓器的影響上，GIC型直流偏磁作為一種常見的直流偏磁現(xiàn)象，卻鮮有人研究HVDC型直流偏磁與GIC型直流偏磁對變壓器影響的差異性。事實(shí)上，若能獲得兩者對一次設(shè)備的影響差異，則對不同類型偏磁電流治理的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制定具有重要作用。為此，本節(jié)主要研究不同直流偏磁對變壓器的影響差異。

圖2 直流偏磁影響下的接地變壓器等效模型

考慮到變壓器的三相對稱性，接下來分析均以A相為例，其余相同理，不贅述。根據(jù)圖2列寫電壓、電流以及磁鏈方程，如式(1)—式(3)所示。

上述定性分析證明了同等條件下HVDC型直流偏磁對變壓器本體的影響大于GIC型直流偏磁。事實(shí)上，還可以通過仿真定量研究直流偏磁對變壓器本體的影響。為此，本文第5節(jié)選擇勵(lì)磁電流和磁通大小作為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)一步進(jìn)行了相關(guān)仿真驗(yàn)證。其中，勵(lì)磁電流大小和勵(lì)磁諧波含量直接反映了變壓器的飽和程度，數(shù)值越大，變壓器飽和程度越深，并進(jìn)一步引起變壓器振動加劇、噪聲增大、發(fā)熱增加等嚴(yán)重后果；類似地，磁通大小也反映了變壓器鐵心的飽和程度。

3 不同類型直流偏磁對電網(wǎng)二次設(shè)備影響的差異化分析

除對一次設(shè)備的不利影響外，直流偏磁還會對電力系統(tǒng)二次設(shè)備的正常工作產(chǎn)生威脅。研究表明，長時(shí)間的直流偏磁會誘發(fā)磁飽和，影響測量元件的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致繼電保護(hù)器件的誤動拒動，危害電網(wǎng)的可靠運(yùn)行[21-22]。為此，本節(jié)主要對比研究不同直流偏磁對電網(wǎng)內(nèi)部測量元件的影響。

截至目前，鐵磁式電流互感器仍是我國國內(nèi)最常見、也是使用最廣泛的磁路閉合式電流互感器，該設(shè)備主要是利用電磁感應(yīng)的基本原理將電網(wǎng)一次側(cè)大電流按繞組匝比轉(zhuǎn)變?yōu)槎蝹?cè)小電流，為電力系統(tǒng)中測量、控制、保護(hù)環(huán)節(jié)提供了重要支撐。事實(shí)上，電流互感器已經(jīng)成為關(guān)聯(lián)電網(wǎng)一次側(cè)和二次側(cè)的重要聯(lián)絡(luò)設(shè)備[23-24]。從功能角度出發(fā)，可以將電流互感器大致分為測量用電流互感器和保護(hù)用電流互感器兩大類。其中，測量用電流互感器主要工作于電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)的場合，保護(hù)用電流互感器則主要是在線路中出現(xiàn)數(shù)值較大的故障電流時(shí)才開始工作。

圖3 電流互感器的簡化等效模型原理圖

結(jié)合上述電路圖，分別對未發(fā)生直流偏磁、發(fā)生HVDC型直流偏磁以及發(fā)生GIC型直流偏磁這3種情況進(jìn)行分析。

3.1 未發(fā)生直流偏磁

根據(jù)基爾霍夫電流定律，保護(hù)用CT正常工作時(shí)均滿足式(6)所示等式。

氣相色譜法同時(shí)測定麝香追風(fēng)止痛膏中5種揮發(fā)性成分的含量 …………………………………………… 黃傳俊等（14）：1931

3.2 HVDC型直流偏磁對CT的影響分析

可以看出，相比于未發(fā)生直流偏磁的情況，發(fā)生HVDC型直流偏磁時(shí)勵(lì)磁繞組的電流始終存在一個(gè)直流偏置，其將對鐵心磁通的工作點(diǎn)產(chǎn)生偏置影響，且偏置量恒定。當(dāng)直流偏磁偏置方向與故障電流非周期性直流分量方向相同時(shí)，將導(dǎo)致CT更容易發(fā)生暫態(tài)飽和且飽和程度更深，進(jìn)而可能對變壓器保護(hù)產(chǎn)生不良影響。

3.3 GIC型直流偏磁對CT的影響分析

綜上，在相同電流大小下，HVDC型直流偏磁對CT飽和的影響程度大于GIC型直流偏磁對CT飽和的影響程度，因此HVDC型直流偏磁更容易誘發(fā)繼電保護(hù)誤動。然而，值得注意的是，實(shí)際中GIC型直流偏磁的幅值往往大于HVDC型直流偏磁，且GIC型直流偏磁的變化更為復(fù)雜，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 偏磁電流對變壓器偏磁程度的影響研究

首先，探究不同類型的偏磁電流對變壓器本體的影響，為此，構(gòu)建如圖2所示的仿真模型，部分重要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型的元器件參數(shù)

表2 不同類型直流偏磁對變壓器本體的影響

4.2 不同偏磁電流誘發(fā)CT飽和以及對保護(hù)影響的差異性驗(yàn)證

結(jié)合第3節(jié)分析可知，直流偏磁易導(dǎo)致CT的傳變特性發(fā)生畸變，進(jìn)而造成以變壓器差動保護(hù)為代表的繼電保護(hù)的可靠性顯著降低。事實(shí)上，為緩解CT磁飽和對變壓器差動保護(hù)正常運(yùn)行造成的潛在威脅，現(xiàn)已提出了多種有效解決方法，包括時(shí)差法、二次諧波制動法和附加制動區(qū)法等。但在設(shè)計(jì)這些方法的時(shí)候并沒有考慮直流偏磁的影響，因此這些方法在直流偏磁場景下的適用性有待驗(yàn)證。

為此，本節(jié)選取時(shí)差法和二次諧波制動法作為研究對象，探討不同類型的直流偏磁對上述CT飽和識別判據(jù)的影響差異。

1) 不同偏磁對時(shí)差法的影響差異分析

時(shí)差法的原理為：由于電感電流不能突變，因此在故障發(fā)生后的短時(shí)間內(nèi)(3~5 ms)CT不會發(fā)生飽和，其具有正常的傳變特性。因此，當(dāng)CT飽和與故障發(fā)生之間的時(shí)差大于門檻值時(shí)，應(yīng)將差動保護(hù)閉鎖。

為探究直流偏磁對上述方法的影響，本節(jié)搭建了圖4所示模型，研究發(fā)生外部相間短路故障時(shí)CT的飽和特性。其中，元器件的部分重要參數(shù)如表3所示，線路參數(shù)如前文所述，在此不贅述。

圖4 直流偏磁影響下的含變壓器的典型電路

表3 仿真模型中部分元器件參數(shù)及仿真條件參數(shù)

仿真對比變壓器T1一次側(cè)保護(hù)用CT的電流波形，觀察二次側(cè)電流畸變程度，仿真結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為未發(fā)生直流偏磁時(shí)的電流波形，圖5(b)為發(fā)生HVDC型直流偏磁時(shí)的電流波形，圖5(c)為發(fā)生GIC型直流偏磁時(shí)的電流波形。

由圖5可知，在不同偏磁類型下，當(dāng)0.2 s發(fā)生區(qū)外單相金屬性接地故障時(shí)，變壓器星型側(cè)保護(hù)用CT均會發(fā)生飽和進(jìn)而導(dǎo)致其二次側(cè)電流發(fā)生明顯畸變。在未發(fā)生偏磁、發(fā)生HVDC型偏磁、發(fā)生GIC型偏磁這三種情形下的起始飽和時(shí)間分別為0.2044 s、0.2031 s以及0.2043 s?？梢钥闯觯l(fā)生外部相間短路故障后，CT在未發(fā)生偏磁時(shí)的起始飽和時(shí)間與發(fā)生GIC型直流偏磁時(shí)的起始飽和時(shí)間近似相同，而在發(fā)生HVDC型直流偏磁時(shí)CT的起始飽和時(shí)間明顯小于前兩者，其差值約為1.2 ms。

圖5 不同偏磁類型下電流互感器的起始飽和時(shí)間

上述數(shù)據(jù)說明了HVDC型直流偏磁加速了CT的起始飽和過程，使得故障后CT線性傳變的時(shí)間縮短，而GIC型直流偏磁對CT的起始飽和過程幾乎不產(chǎn)生任何影響。因此，HVDC型直流偏磁會對傳統(tǒng)時(shí)差法判據(jù)的判別準(zhǔn)確性產(chǎn)生不良影響，而GIC型直流偏磁則幾乎不會對時(shí)差法產(chǎn)生影響。

2) 不同偏磁對二次諧波制動法的影響差異分析

二次諧波制動法的原理為：CT飽和時(shí)將產(chǎn)生大量的諧波電流，其中若CT處于暫態(tài)飽和時(shí)，諧波以2次諧波為主；若CT處于穩(wěn)態(tài)飽和時(shí)，諧波以3次諧波為主。由于區(qū)外故障CT保護(hù)一般均為暫態(tài)飽和，因此也常利用二次諧波含量構(gòu)造CT閉鎖判據(jù)，即當(dāng)差流中二次諧波含量大于門檻值時(shí)，差動保護(hù)閉鎖。結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)際，后文仿真中選取二次諧波含量門檻值為15%。

(1) 無直流偏磁發(fā)生

無直流偏磁發(fā)生時(shí)，流入變壓器中性點(diǎn)的電流大小為0 A，此時(shí)變壓器T1兩側(cè)差動電流的波形及對應(yīng)的二次諧波含量波形如圖6所示。

圖6 無偏磁情況下變壓器二次諧波制動法結(jié)果

由圖6可知，發(fā)生區(qū)外故障后，由于CT飽和，差動電流顯著增大且含有大量二次諧波分量，在2.02 s的二次諧波含量為41.7%，大于門檻值15%，差動保護(hù)閉鎖；2.576 s時(shí)二次諧波含量減至門檻值15%以下，差動保護(hù)開放，但由于此時(shí)差動電流標(biāo)幺值為0.24 p.u.，已小于制動電流0.62 p.u.，差動保護(hù)不會誤動。綜上，無偏磁情況下變壓器差動保護(hù)不會誤動。

(2) 發(fā)生HVDC型直流偏磁

當(dāng)發(fā)生HVDC型直流偏磁時(shí)，設(shè)置流入變壓器中性點(diǎn)的電流大小為10 A，此時(shí)變壓器T1兩側(cè)差動電流的波形及對應(yīng)的二次諧波含量波形如圖7所示。

由圖7可知，在HVDC型直流偏磁下，發(fā)生區(qū)外故障后，由于CT飽和，差動電流顯著增大且含有大量二次諧波分量，在2.02 s時(shí)刻二次諧波含量為19.4%，大于門檻值15%，差動保護(hù)閉鎖。此外，故障后二次諧波含量始終大于15%，因此差動保護(hù)始終閉鎖，HVDC型偏磁下變壓器差動保護(hù)不會誤動。

圖7 HVDC型直流偏磁下變壓器的差動電流大小和二次諧波含量曲線

(3) 發(fā)生輕度GIC型直流偏磁

由圖8可知，在幅值較小的GIC型直流偏磁下，發(fā)生區(qū)外故障后，差動電流顯著增大且含有大量二次諧波分量，在2.02 s時(shí)刻的二次諧波含量為33.5%，大于門檻值15%，差動保護(hù)閉鎖。此外，故障后二次諧波含量同樣始終大于15%，差動保護(hù)始終閉鎖，幅值較小的GIC型直流偏磁下變壓器差動保護(hù)不會誤動。

(4) 發(fā)生重度GIC型直流偏磁

圖9 重度GIC型直流偏磁下變壓器的差動電流大小和二次諧波含量曲線

由圖9可知，在幅值較大的GIC型直流偏磁下，CT飽和時(shí)間迅速提前，飽和程度顯著加深，其測量得到的二次電流相對于一次側(cè)發(fā)生更明顯的畸變。此時(shí)一旦發(fā)生區(qū)外故障，該CT測量的差動電流為傳變誤差電流，該電流波形中的間斷角明顯減小，進(jìn)而造成其二次諧波含量顯著減少，在2.02 s時(shí)的二次諧波含量僅為8.14%，小于門檻值15%，差動保護(hù)開放；此時(shí)差動電流數(shù)值遠(yuǎn)大于制動電流0.71 p.u.，差動保護(hù)誤動作。因此，幅值較大的GIC型直流偏磁下變壓器差動保護(hù)可能發(fā)生誤動。

5 結(jié)論

本文分析了HVDC型和GIC型直流偏磁在各個(gè)方面的差異性，并在PSCAD中搭建了等效仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，最終形成了以下結(jié)論：

1) 當(dāng)HVDC型直流偏磁和GIC型直流偏磁在變壓器中性點(diǎn)產(chǎn)生相同大小的偏磁電流時(shí)，相比于GIC型直流偏磁，HVDC型直流偏磁誘發(fā)的變壓器直流偏磁程度更為嚴(yán)重，將對變壓器本體造成更大威脅。

2) 在偏磁電流大小相同及作用時(shí)間一致的前提下，HVDC型直流偏磁對CT造成的影響比GIC型直流偏磁更為嚴(yán)重。值得注意的是，考慮到GIC型直流偏磁的嚴(yán)重程度以及持續(xù)時(shí)間波動較大，因此在實(shí)際過程中GIC型直流偏磁對CT的影響更為復(fù)雜，需要結(jié)合現(xiàn)場情況討論。

3) 針對現(xiàn)有的CT飽和應(yīng)對策略，HVDC型直流偏磁加速了CT的起始飽和過程，使得時(shí)差法失效，而嚴(yán)重的GIC型直流偏磁會顯著降低故障后差動電流的二次諧波含量，最終導(dǎo)致二次諧波分析法失效。

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Difference analysis of HVDC/GIC type DC bias

MA Shumin1, XIA Shaolian2, XIONG Wei2, LIN Xiangning1, LI Zhengtian1, ZHENG Yuchao1, WU Yuqi1, XU Haibo3

(1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Central China Branch, State Grid Corporation of China,Wuhan 430074, China; 3. EAST GROUP CO., LTD., Dongguan 523808, China)

Considering that geomagnetically induced current (GIC) has low frequency, it has been approximately equivalent to the imbalance current induced by high voltage direct current (HVDC). However, compared with the HVDC-type DC bias, the GIC-type DC bias has significant randomness and time-varying, so it is not reasonable to simply treat the two as completely equivalent, and they should be distinguished in specific scenarios.For this reason, first, the differences in the induced causes and characteristics of the two types of DC biases are analyzed theoretically. Second, by studying the adverse effects of DC magnetic bias on transformer body and current transformer, the differences of the influences of the two types of DC magnetic bias on primary/secondary equipment of power grid are further explored to provide effective reference for subsequent magnetic bias treatment.Finally, an equivalent simulation model is built based on the PSCAD/EMTDC simulation platform, and the correctness of the theoretical analysis is verified by simulation.

HVDC type DC bias; GIC type DC bias; transformer saturation; CT saturation; transformer differential protection

10.19783/j.cnki.pspc.220559

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(51877088)；東莞市引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目資助(201536000200036)

This work is supported by the General Project of National Natural Science Foundation of China (No. 51877088).

2022-04-19；

2022-06-01

馬書民(1998—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹绷飨到y(tǒng)保護(hù)與控制；E-mail: 1007057798@qq.com

夏少連(1967—)，男，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行控制和電力市場相關(guān)研究；E-mail: xsl2185@163.com

熊 瑋(1986—)，男，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行控制、源網(wǎng)荷儲、電力市場及電網(wǎng)人工智能調(diào)控技術(shù)方面的研究。E-mail: xiongw86@126.com

(編輯 魏小麗)