王瑤華 東電力設(shè)計(jì)院（上海交通大學(xué)）

滬西特高壓變電站1000kV主變直流偏磁抑制方案的實(shí)踐

王瑤華 東電力設(shè)計(jì)院（上海交通大學(xué)）

高壓直流輸電單極運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大地直流電場(chǎng)，在中性點(diǎn)直接地系統(tǒng)的變壓器鐵芯中產(chǎn)生直流偏磁，對(duì)變壓器及整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。以國(guó)內(nèi)外首個(gè)治理直流偏磁的特高壓站為實(shí)例，介紹電阻限流法治理直流偏磁問(wèn)題的應(yīng)用以及優(yōu)缺點(diǎn)。

高壓直流輸電；直流偏磁；直流偏磁抑制方案；電阻限流法

超高壓直流輸電工程通常情況下采用雙極接線的方式，但在工程建設(shè)前期或者故障情況下將采用單極運(yùn)行的方式。單極運(yùn)行時(shí)，流入接地極的直流電流將對(duì)周邊中性點(diǎn)接地的交流變壓器產(chǎn)生直流偏磁影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起變壓器勵(lì)磁電流畸變，使變壓器噪聲增大、變壓器震動(dòng)加劇、變壓器鐵心損壞、系統(tǒng)諧波波形畸變、繼電保護(hù)誤動(dòng)等諸多問(wèn)題，對(duì)變壓器及整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1000 kV滬西變電站位于在上海市西南部，周邊10km范圍內(nèi)有華新?lián)Q流站接地極，滬西變電站受直流系統(tǒng)影響大于規(guī)范控制要求，作為首個(gè)治理直流偏磁的特高壓站，在綜合比較了國(guó)內(nèi)、外各種治理方案后，滬西變電站選擇了主變中性點(diǎn)串接小電阻的限制直流偏磁方法。

1 特高壓?jiǎn)栴}的特點(diǎn)及方案選擇

（1）按照對(duì)直流偏磁能力抵抗力由弱到強(qiáng)依次為單相、三相五柱、三相四柱、三相三柱?？紤]運(yùn)輸限制與節(jié)能需求，特高壓變電站多采用單相自耦變壓器。

（2）文獻(xiàn)[1]認(rèn)為“特高壓變壓器線路采用了提高輸送功率的串補(bǔ)裝置，故而可以不考慮特高壓線路帶來(lái)的直流電流問(wèn)題”。實(shí)際情況則是，串補(bǔ)設(shè)備價(jià)格昂貴，滬西等現(xiàn)有的幾個(gè)特高壓交流站大部分不采用串補(bǔ)裝置。由于直流電流可以通過(guò)線路在相鄰變電站之間傳播，而特高壓線路較低的直流電阻反而增加了交流特高壓站的直流偏磁問(wèn)題嚴(yán)重性。

（3）隨著現(xiàn)在500kV以上變電站中壓側(cè)單相短路電流問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，很多變電站都在中性點(diǎn)加裝了限流電抗器。電抗器的接入使得電容隔直法存在了一定的諧振風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際工程中需要計(jì)算校驗(yàn)。

以上特點(diǎn)可以看出直流偏磁對(duì)特高壓主變的影響更為嚴(yán)重，解決方案也有一定的特殊性。由于電阻法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、無(wú)諧振問(wèn)題、無(wú)頻繁投切需要，同時(shí)滬西站土壤電阻較小，選擇較小阻值的限流電阻即可滿足直流抑制需求。

2 電阻限流法

電阻型直流抑制法有別于反向注入法，是一種無(wú)源方案，屬于疏通限制而非隔絕直流。做法是在變壓器中性點(diǎn)回路中串聯(lián)電阻Zr，將流過(guò)變壓器中性點(diǎn)的直流電流限制在變壓器可承受范圍內(nèi)。

2.1 限流目標(biāo)

根據(jù)DL/T437-2012《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定,單相變壓器為額定電流的0.3%，則常規(guī)500kV以上電壓等級(jí)的單相變壓器中性點(diǎn)三相繞組允許通過(guò)的直流電流約在：7.8A～10.4A之間?？紤]各個(gè)制造廠生產(chǎn)差異以及安全系數(shù)，實(shí)際工程中限流目標(biāo)為：該變電站與周邊變電站變壓器中性點(diǎn)三相繞組允許通過(guò)的直流電流不大于6A。

2.2 阻值選取

文獻(xiàn)[1]推算認(rèn)為串入的電阻阻值為接地電阻10倍以上時(shí)，可以較好的限制直流偏磁。但阻值選取上不能過(guò)大，影響主變中性點(diǎn)絕緣水平?，F(xiàn)特高壓變壓器中性點(diǎn)、調(diào)壓變調(diào)壓線圈、補(bǔ)償變補(bǔ)償線圈工頻耐受電壓（有效值）分別為：185 kV、140kV、275kV。則：

Zg：接地電阻。

ZL：中性點(diǎn)電抗器阻抗，根據(jù)DL/T620-2011規(guī)定，中性點(diǎn)接地電抗器電抗值與變壓器零序電抗比小于等于1/3。

In：不對(duì)稱短路時(shí)主變中性點(diǎn)短路電流，特高壓主變In一般為10kA-16kA左右。

1000 kA滬西特高壓變電站以及其它500kA變電站中，限流設(shè)備電阻值均選在1Ω～3Ω范圍。經(jīng)計(jì)算操作過(guò)電壓、雷電過(guò)電壓均可滿足要求，設(shè)備投運(yùn)至今運(yùn)行良好。

2.3 仿真計(jì)算

利用CDEGS軟件搭建模型對(duì)1000kA滬西變電站極其周邊地區(qū)500kV以上變電站、換流站進(jìn)行仿真計(jì)算。選取奉賢±800kV直流特高壓接地極單極運(yùn)行時(shí)，近期、遠(yuǎn)景規(guī)劃下，當(dāng)1000kV滬西變電站采用3Ω小電阻接地前后，各個(gè)變電站主變中性點(diǎn)直流偏磁情況列表對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 奉賢接地極單極大地運(yùn)行（4000A）

仿真計(jì)算表明，滬西變電站1000kV主變中性點(diǎn)串接小電阻后能產(chǎn)生如下效果：

（1）串接3Ω小電阻可以有效的解決直流偏磁問(wèn)題。

（2）當(dāng)滬西站經(jīng)電阻接地后，練塘站、周邊變電站甲、乙、丁主變中性點(diǎn)的直流有增大現(xiàn)象。這是由于直流會(huì)通過(guò)與其有直接或者間接連接的線路進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

（3）雖然針對(duì)單個(gè)變電站，有直流偏磁略微增大的情況，但是全地區(qū)總體直流電流分布呈下降趨勢(shì)。

（4）遠(yuǎn)景和近期數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出2個(gè)問(wèn)題：一方面，不斷增加的變壓器造成各個(gè)站變壓器總的直流電阻下降，同地電位下出現(xiàn)更大的直流電流；另一方面，由于分流效應(yīng)，每臺(tái)主變實(shí)際承受的直流電流又會(huì)減少。由此可見(jiàn)，電阻裝置的限流效果受到整個(gè)電網(wǎng)參數(shù)與運(yùn)行方式影響。

2.4 實(shí)際應(yīng)用

滬西變電站1000kV主變中性點(diǎn)的小電阻限流裝置見(jiàn)圖1。

圖1 滬西變電站1000kV主變中性點(diǎn)的小電阻限流裝置

圖2 設(shè)備外形圖示意圖

圖3 電阻限流法的接線

實(shí)際工程中在電阻前串接一個(gè)接地開(kāi)關(guān)以滿足多種運(yùn)行策略需求。電阻設(shè)備內(nèi)含有一個(gè)穩(wěn)定可靠的石墨間隙以防暫態(tài)過(guò)電壓損壞電阻設(shè)備。設(shè)備基礎(chǔ)較高且不封閉（詳見(jiàn)圖2），一來(lái)考慮帶電體對(duì)地電氣距離，二來(lái)考慮利用電阻器本身的“煙囪效應(yīng)”，便于空氣自然流通散熱。設(shè)備外形尺寸約為：2.9m（長(zhǎng)）×2.1m（寬）×2.4m（不含套管高）。

3 電阻限流法的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造。因大部分電阻型裝置耐壓能力較電容型裝置高，正常運(yùn)行時(shí)可直接接入中性點(diǎn)回路，設(shè)計(jì)時(shí)僅需考慮電阻設(shè)備本身保護(hù)間隙，無(wú)考慮需旁路開(kāi)關(guān)。因此設(shè)備的旁路回路設(shè)計(jì)造價(jià)相對(duì)成本較低。

（2）串入電阻后，短路阻抗增大，短路電流變小。（3）不存在諧振風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 缺點(diǎn)

（1）電阻抑制效果有飽和效應(yīng)，阻值過(guò)大將影響主變中性點(diǎn)絕緣；阻值過(guò)小限流效果不理想。當(dāng)接地電阻過(guò)大時(shí)，因（Zg+ZL+Zr）×In＜U工頻可能導(dǎo)致選不出合理的Zr值。

（2）計(jì)算量較大：由于電阻裝置直接串接入中性點(diǎn)回路，一定程度上受整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行方式影響（如表1）。計(jì)算時(shí)需考慮電網(wǎng)近期及遠(yuǎn)景規(guī)模，系統(tǒng)改變時(shí)需要重新計(jì)算校驗(yàn)，計(jì)算工作量大。

（3）對(duì)繼電保護(hù)影響：變壓器中性點(diǎn)接入電阻性偏磁抑制裝置后使主變壓器中性點(diǎn)零序方向過(guò)流保護(hù)和線路零序方向過(guò)流保護(hù)靈敏度降低；在保護(hù)正方向近端帶過(guò)渡電阻故障時(shí),使距離保護(hù)的保護(hù)區(qū)縮短。因此，對(duì)于線路的零序方向過(guò)流保護(hù)和接地距離保護(hù)定值則需要重新校核和整定分析。

4 結(jié)論

1000 kV滬西特高壓站對(duì)直流偏磁的治理實(shí)例中改進(jìn)了以前工程實(shí)例中空氣間隙的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了電容隔直方案復(fù)雜的旁路開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，造價(jià)與占地相對(duì)較小，在土壤電阻率較低的地區(qū)具有更好的應(yīng)用效果。

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1000 kV變電站主變直流電流抑制方案研究技術(shù)報(bào)告[R]上海:華東電力設(shè)計(jì)院，2011.

[3]劉振亞.特高壓直流輸電技術(shù)研究成果專輯（2009年）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009年.

[4]曹浪恒.關(guān)于消除電網(wǎng)系統(tǒng)主變壓器直流偏磁問(wèn)題的分析[J],廣東科技, 2008,11:82-84.

責(zé)任編輯：宋飛 朱挺
來(lái)稿時(shí)間：2014-11-13