毛昱良

引言

四川瀘州川南發(fā)電有限責(zé)任公司（方山電廠）正處于向家壩--上?！?00kV復(fù)奉直流超高壓直流輸電線路接地極附近，其中2013年復(fù)奉直流共發(fā)生6次不對稱運(yùn)行方式，方山電廠220kV中性點(diǎn)接地運(yùn)行的變壓器就出現(xiàn)了噪聲、振動明顯增大等情況，測得中性點(diǎn)最大直流電流為18A，數(shù)值大大超過了主變壓器額定允許流過的直流電流8.59A。直流偏磁現(xiàn)象對變壓器的正常運(yùn)行和使用壽命有著嚴(yán)重的影響，危害大型發(fā)電廠安全運(yùn)行，因此應(yīng)加以重視。

1、變壓器直流偏磁的原因

當(dāng)直流電流流入中性點(diǎn)接地變壓器的三相繞組時，會在鐵心磁通中產(chǎn)生直流分量，引起磁通偏移，從而使勵磁電流高度畸變，變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象。其原因主要有以下兩種：

a、太陽等離子風(fēng)活動引起的“地磁暴”會在地表產(chǎn)生電勢差，誘發(fā)的地磁感應(yīng)電流（近似直流）在中性點(diǎn)接地變壓器中產(chǎn)生直流偏磁；b、超高壓直流輸電單極大地回路運(yùn)行或雙極輸送功率不平均時，因交流系統(tǒng)的直流阻抗很小，會有直流電流流入中性點(diǎn)接地變壓器產(chǎn)生直流偏磁。

2、直流對中性點(diǎn)接地變壓器的影響分析

受到大地電阻的影響，直流電流在大地中流通總是從高電位流向低電位。那么兩個換流站接地極之間肯定會產(chǎn)生電位差，入地電流將由逆變器接地極流向整流器接地極。如果不同地點(diǎn)并聯(lián)運(yùn)行的中性點(diǎn)接地變壓器處在接地極附近，那么變壓器的中性點(diǎn)必然會有壓降。接地極的一部分入地電流將從地電位較高的變壓器1中性點(diǎn)串入其繞組，通過輸電線路進(jìn)入中性點(diǎn)地電位較低的變壓器2繞組，再由中性點(diǎn)流入大地，從而構(gòu)成直流回路。

圖1 構(gòu)成直流回路示意圖

如圖2所示：當(dāng)中性點(diǎn)電壓被抬升，有直流分量時（虛線），磁路工作在磁化曲線的非線性區(qū)域，使得變壓器磁通發(fā)生偏置，導(dǎo)致鐵芯半波飽和，產(chǎn)生很大的激磁電流。

圖2 變壓器直流偏磁原理圖

直流偏磁引起變壓器勵磁電流高度畸變，產(chǎn)生大量諧波。當(dāng)諧波頻率與變壓器有關(guān)部件的固有頻率接近時，發(fā)生共振噪音增大。嚴(yán)重磁飽和產(chǎn)生的漏磁通導(dǎo)致磁致伸縮加劇，變壓器振動加劇，同時磁滯損耗和渦流損耗使鐵損增加，鐵心的空載損耗增大。勵磁電流的增大使變壓器無功消耗增加，銅損增加，線圈發(fā)熱，損壞絕緣，降低變壓器使用壽命，威脅變壓器的安全運(yùn)行。

3、變壓器直流偏磁治理方法

根據(jù)變壓器直流偏磁的原因，目前主要有以下消除中性點(diǎn)直流電流的方法：

3.1中性點(diǎn)串聯(lián)電阻

在變壓器中性點(diǎn)串入一個低值電阻，這樣能夠有效地抑制流入中性點(diǎn)的直流電流。其優(yōu)點(diǎn)：原理簡易，容易實(shí)施，成本較低。缺點(diǎn)：a、無法完全消除流入中性點(diǎn)的直流；b、電阻值選取較大時變壓器中性點(diǎn)不能可靠接地；c、系統(tǒng)零序參數(shù)產(chǎn)生了變化，影響到繼電保護(hù)的整定；d、每當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行方式改變時，接地電阻需要重新計(jì)算阻值并更換?，F(xiàn)場應(yīng)用較少。

3.2中性點(diǎn)注入反向直流電流

借助有源注入直流電流直接抵消大地電流竄入變壓器中性點(diǎn)的直流電流。其優(yōu)點(diǎn)：使用靈活，無需改變系統(tǒng)參數(shù)。缺點(diǎn)：a、由于采用的是先檢測后抑制，存在滯后性，導(dǎo)致不能完全抵消中性點(diǎn)的電流；b、工程量大，必須為裝置建造一個獨(dú)立的接地極；c、裝置的成本和維護(hù)費(fèi)用較高。雖然國內(nèi)已有使用，但不適合推廣。

3.3在交流線路上串聯(lián)電容

變壓器繞組出線處串聯(lián)電容，能夠有效切斷直流回路。其優(yōu)點(diǎn)：a、完全隔離直流電流流入交流系統(tǒng)；b、能夠增加線路輸送的能力，大大提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：a、對電容自身的要求較高；b、電網(wǎng)中有自耦變壓器時，必須要安裝多個電容。

3.4變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)電容器

因?yàn)殡娙萜骶哂小案糁蓖ń弧钡奶匦?，所以將其串入變壓器中性點(diǎn)用來隔斷直流電流流入變壓器中性點(diǎn)。電容器組工頻阻抗很小，理論上可以認(rèn)為變壓器中性點(diǎn)是金屬接地，不需要修改變壓器繼保參數(shù)；在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，旁路保護(hù)裝置可以承受大電流短時沖擊和快速合上旁路開關(guān)，保證系統(tǒng)和隔直裝置的安全。因此，使用中性點(diǎn)串聯(lián)電容的方法較普遍。

圖3 中性點(diǎn)串聯(lián)電容器原理圖

4、方山電廠采取的治理方案

方山電廠#1、2主變?yōu)槿辔逯街貞cABB變壓器；啟備變?yōu)槿嗳教焱６ㄗ儔浩?。由于直流輸電接地極電流對不同結(jié)構(gòu)變壓器所產(chǎn)生的影響不同，根據(jù)研究結(jié)果表明，對三相五柱式變壓器影響較大，對三相三柱式變壓器影響較小，而實(shí)測結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。經(jīng)反復(fù)論證與技術(shù)評估，方山電廠于2014年最終采用變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)電容器技術(shù)僅對主變中性點(diǎn)直流電流進(jìn)行抑制。#1、#2主變共用一臺隔直裝置采用一拖二的結(jié)構(gòu)，但同一時間僅允許一臺主變通過該裝置中性點(diǎn)接地運(yùn)行。

以#1主變使用隔直裝置為例：在變壓器中性點(diǎn)新設(shè)一把K12隔離開關(guān)，為保證完全隔離直流電流，在隔直裝置投運(yùn)后，#1主變中性點(diǎn)接地隔離開關(guān)K11處于分?jǐn)酄顟B(tài)，新設(shè)隔離開關(guān)K12處于閉合狀態(tài)。當(dāng)變壓器中性點(diǎn)未檢測到直流電流，這時旁路開關(guān)K3處于合閘狀態(tài)，#1主變中性點(diǎn)通過旁路開關(guān)K3金屬接地，保證系統(tǒng)發(fā)生任何故障，變壓器中性點(diǎn)均不出現(xiàn)不接地狀態(tài)。當(dāng)變壓器中性點(diǎn)檢測到直流電流超限時，旁路開關(guān)K3立即斷開，使得電容器組投入運(yùn)行以隔斷直流電流，然后再通過電容器組兩端的直流電壓判斷變壓器中性點(diǎn)的直流電流已消失，則裝置合上旁路開關(guān)K3。裝置在電容接地運(yùn)行狀態(tài)下，一旦檢測到變壓器中性點(diǎn)的交流電流超限時，裝置判斷為電網(wǎng)發(fā)生不對稱短路故障，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，同時驅(qū)動旁路開關(guān)K3立即合閘，確保#1主變中性點(diǎn)迅速進(jìn)入直接接地運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 一拖二的變壓器中性點(diǎn)隔直裝置

5、結(jié)束語

綜上所述，直流偏磁現(xiàn)象嚴(yán)重危害中性點(diǎn)接地變壓器及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，與其他三種治理方法相比，變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)電容器法成熟實(shí)用，是治理直流偏磁比較理想的措施。本文結(jié)合方山電廠采取的治理方案驗(yàn)證了由該方法構(gòu)成的隔直裝置的可靠性，為大型發(fā)電廠變壓器直流偏磁防治提供了參考。

（作者單位：四川瀘州川南發(fā)電有限責(zé)任公司）