蔡茂，李佳，彭卿，朱磊，彭平

(1．國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)沙供電公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000； 2．國(guó)網(wǎng)湖南省電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

城市地區(qū)主變直流偏磁研究與處理

蔡茂1，李佳1，彭卿1，朱磊1，彭平2

(1．國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)沙供電公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000； 2．國(guó)網(wǎng)湖南省電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

主變直流偏磁會(huì)降低主變運(yùn)行的穩(wěn)定性及壽命。通過對(duì)一起實(shí)際案例分析研究，結(jié)合大量實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，明確了地鐵雜散電流是城市電網(wǎng)主變壓器直流偏磁的主要原因之一。研究采用一種新型電容隔直裝置，并在實(shí)際投運(yùn)過程中提出隔直裝置標(biāo)準(zhǔn)接入和不停電接入兩種方式，實(shí)際運(yùn)行效果良好，可解決城市地區(qū)主變直流偏磁的問題。

直流偏磁；地鐵雜散電流；電容隔直；變壓器中性點(diǎn)；主變?cè)肼?/p>

0 引 言

隨著城市地鐵項(xiàng)目和特高壓直流項(xiàng)目的加快建設(shè)，地鐵和特高壓直流線路的運(yùn)營(yíng)給城區(qū)電網(wǎng)帶來了一定的影響。地鐵雜散電流以及特高壓直流系統(tǒng)接地極流過較大電流可能導(dǎo)致城區(qū)電網(wǎng)主變壓器中性點(diǎn)出現(xiàn)超過變壓器直流承受能力上限的直流分量，這些直流產(chǎn)生的磁通將可能造成變壓器鐵芯嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流高度畸變，產(chǎn)生大量諧波，變壓器無功損耗增加，使系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置過載或系統(tǒng)電壓下降[1]，同時(shí)會(huì)引起變壓器噪聲和振動(dòng)，變壓器鐵心、螺栓、外殼等處過熱，局部溫升增大，破壞絕緣，變壓器金屬結(jié)構(gòu)件損耗增加，降低使用壽命，甚至有可能導(dǎo)致變壓器損壞[2-5]。因此，研究主變直流偏磁現(xiàn)象，消除直流偏磁給變壓器帶來的負(fù)面影響，對(duì)于地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[6]對(duì)特高壓直流單極大地回線運(yùn)行方式下?lián)Q流站接地極附近的中性點(diǎn)接地變壓器上產(chǎn)生直流分量的現(xiàn)象進(jìn)行建模分析，得出抑制流入變壓器中性點(diǎn)直流電流的最優(yōu)方法是在變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)電容。文獻(xiàn)[7]介紹了城區(qū)直流偏磁產(chǎn)生的機(jī)理，詳細(xì)介紹了地鐵閑散直流產(chǎn)生的機(jī)理，并介紹了6種主要的直流偏磁防治措施，并對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)選分析。文獻(xiàn)[8]介紹了一種串接電阻限制變壓器中性點(diǎn)直流的方法，但中性點(diǎn)電阻改變了交流系統(tǒng)零序阻抗，使用時(shí)需考慮保護(hù)配置的整定值。文獻(xiàn)[9]介紹了一種動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器注入變壓器的直流偏磁抑制策略，但僅在理論研究階段，工程中并未有實(shí)際應(yīng)用。

本文通過對(duì)長(zhǎng)沙電網(wǎng)主變直流偏磁現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的過程進(jìn)行梳理，對(duì)主變中性點(diǎn)直流實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，分析出長(zhǎng)沙電網(wǎng)主變中性點(diǎn)直流分量產(chǎn)生的原因。同時(shí)結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際情況，研究采用一種新型電容隔直裝置，在投運(yùn)過程中提出標(biāo)準(zhǔn)接入方式和不停電接入方式，并提出電容隔直裝置接入和退出原則，分析了電容隔直裝置對(duì)繼電保護(hù)的影響。

1 案例情況

2015年11月24日后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)沙電網(wǎng)中地鐵2號(hào)線附近變電站有多臺(tái)主變存在噪聲增大現(xiàn)象，其中220千伏某變電站#1主變(中性點(diǎn)接地)最為嚴(yán)重。2015年12月08日開始，通過開展在線局放特高頻檢測(cè)、紅外測(cè)溫、噪聲測(cè)量、油色譜檢測(cè)，諧波測(cè)試等。發(fā)現(xiàn)其大蓋螺栓發(fā)熱，其中最嚴(yán)重的熱點(diǎn)溫度達(dá)到183 ℃。噪聲超標(biāo)，超聲幅值隨異響而變化，具備機(jī)械振動(dòng)特征，但不具備局部放電特征。

12月15日進(jìn)行了某變電站兩臺(tái)主變中性點(diǎn)接地方式的互換，即改為#2主變中性點(diǎn)接地，#1主變中性點(diǎn)與地?cái)嚅_，隨后進(jìn)行了噪聲復(fù)測(cè)，其中#1主變?cè)肼暦重惔蟾毕陆担?2主變?cè)肼暶黠@增大。

12月16日進(jìn)行了#2主變高、中壓側(cè)中性點(diǎn)接地電流的測(cè)試，中壓側(cè)交流、直流分量均穩(wěn)定，高壓側(cè)交流穩(wěn)定，直流隨噪聲而變化，主要由大地流向變壓器，最大值達(dá)到15 A。

220千伏某變電站距地鐵2號(hào)線直線距離4.6 km左右。從地理位置上分析，出現(xiàn)中性點(diǎn)直流分量的變電站與地鐵線接地體間距離較近，過渡電阻很小，地鐵雜散電流具備流入變電站接地網(wǎng)的條件。2016年5月，長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線試運(yùn)行，距地鐵1號(hào)線直線距離1.1 km左右的220千伏某變電站接主變壓器(中性點(diǎn)接地)出現(xiàn)類似隱患，異常聲響達(dá)86.5 dB，中性點(diǎn)直流電流最大值達(dá)44 A。

2 原因分析

該變電站主變?cè)肼暜惓Ｉ呤窃摰貐^(qū)首次出現(xiàn)類似情況，公司立刻組織相關(guān)單位進(jìn)行主變?cè)肼曉蚍治?，先后做了主變鐵芯夾件電流、油色譜分析測(cè)試、超聲波局部放電檢測(cè)、諧波測(cè)試等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明主變鐵芯及夾件無多點(diǎn)接地現(xiàn)象，并同時(shí)排除變壓器內(nèi)部存在局部放電的可能，并證明流過#1主變高-中-低壓繞組的少量諧波電流對(duì)#1主變的噪聲可能會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但諧波并不是導(dǎo)致#1主變出現(xiàn)噪聲異常升高的主要原因。

圖1 #1主變正常運(yùn)行時(shí)噪聲測(cè)量值

圖2 #1主變異常聲響增大時(shí)噪聲測(cè)量值

圖3 #2主變正常運(yùn)行時(shí)噪聲測(cè)量值

隨后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)噪聲檢測(cè)，#1主變中性點(diǎn)接地，#2主變中性點(diǎn)不接地，測(cè)量位置及數(shù)據(jù)如圖1～圖3所示(單位為分貝-dB)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置均在離地面高度約1.5米處，離變壓器器身約1.0米處。

上述結(jié)果可以看出正常運(yùn)行時(shí)#1主變的噪聲明顯大于#2主變，#1主變異常聲響增大時(shí)噪聲測(cè)量值同樣增大明顯。

進(jìn)行兩臺(tái)主變中性點(diǎn)接地方式的互換(即改為#2主變中性點(diǎn)接地，#1主變中性點(diǎn)與地?cái)嚅_)后發(fā)現(xiàn)主變異常聲響隨中性點(diǎn)倒換而發(fā)生改變，始終為中性點(diǎn)接地變壓器存在異響。12月19日至21日，長(zhǎng)沙公司對(duì)#1、#2主變3天連續(xù)跟蹤測(cè)試結(jié)果如圖4所示。根據(jù)連續(xù)三天的跟蹤測(cè)試，#1主變?cè)肼暬颈３制椒€(wěn)，#2主變?cè)肼暠憩F(xiàn)出基本一致的規(guī)律：晚上00∶20左右噪聲明顯下降，早上5∶15左右噪聲明顯增大，與地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間規(guī)律基本一致。

圖4 12月19日至21日噪聲連續(xù)測(cè)試結(jié)果

為此公司立刻組織人員對(duì)主變中性點(diǎn)接地交、直流進(jìn)行測(cè)量(測(cè)量結(jié)果見表1)。

高壓側(cè)中性點(diǎn)直流電流幅值與異常聲響大小變化有相似規(guī)律。一小時(shí)檢測(cè)時(shí)間內(nèi)最大達(dá)15 A，交流電流穩(wěn)定在1.9 A左右；中壓側(cè)中性點(diǎn)無直流電流，交流電流穩(wěn)定在1.6 A左右。查閱相關(guān)資料，該變壓器每個(gè)繞組允許流過最大直流電流值為2.3 A(額定電流的0.5%)，為此可基本確定該主變?cè)肼暜惓Ｉ叩脑蚴堑罔F雜散電流流經(jīng)主變中性點(diǎn)，從而導(dǎo)致了主變直流偏磁現(xiàn)象的發(fā)生。經(jīng)過對(duì)該變電站周邊負(fù)荷進(jìn)行排查，排除了整流設(shè)備的運(yùn)行導(dǎo)致變壓器發(fā)生直流偏磁的原因。

紅外熱成像檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)#1主變第23片散熱片對(duì)應(yīng)的大蓋螺栓處最高溫度可達(dá)183 ℃,如圖5所示。

表1 主變中性點(diǎn)接地交、直流測(cè)量

圖5 #1主變大蓋螺栓發(fā)熱圖

2016年3月26日，在對(duì)#1主變進(jìn)行吊罩檢查后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)紅外發(fā)現(xiàn)的大蓋螺栓發(fā)熱是由于漏磁經(jīng)過螺栓感應(yīng)形成的電流導(dǎo)致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣相間墊塊有不同程度的竄位，高壓繞組縱向壓力失穩(wěn)，如圖6所示。如果此時(shí)變壓器遭受短路故障沖擊，將造成繞組損壞事故。

圖6 主變吊罩檢查圖片

研究分析整個(gè)過程，可以得出該變電站#1主變?cè)肼曉龃笫怯捎谥行渣c(diǎn)直流偏磁造成。同時(shí)主變長(zhǎng)時(shí)間直流偏磁導(dǎo)致變壓器內(nèi)部存在相絕緣撐條、相端部墊塊有不同程度的竄位，主變大蓋螺栓處局部過熱。而通過對(duì)周邊工業(yè)負(fù)荷的排查，排除直流負(fù)荷源的影響。為此長(zhǎng)沙電網(wǎng)主變壓器直流分量過高的直接原因是城市地鐵雜散直流電流侵入城市電網(wǎng)導(dǎo)致。

3 抑制措施

主變直流偏磁防治研究在國(guó)內(nèi)已有一些成熟案例[6-10]，目前解決直流偏磁問題，工程上常用有電阻限流、電容隔直兩種方法，其中電容隔直以其原理簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、安裝后不需要修改保護(hù)及安全自動(dòng)裝置定值等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，為有效解決該變電站主變存在的直流偏磁現(xiàn)象，特采用一種新型電容隔直方案：基于雙重化技術(shù)的電容隔直裝置,如圖7所示。

圖7 電容隔直裝置內(nèi)部一次系統(tǒng)原理圖

新型電容隔直裝置主要由電容及其輔助旁路回路構(gòu)成。電容為隔直的主要元件，串聯(lián)在變壓器中性點(diǎn)和地之間，容量約為3 200 μF。輔助旁路回路包括快速開關(guān)、晶閘管及過壓觸發(fā)單元等，構(gòu)成旁路保護(hù)回路。裝置從測(cè)量、控制、動(dòng)作的器部件均采用雙重化配置，包括電壓、電流傳感器、晶閘管保護(hù)模塊、控制裝置等均采用雙重化冗余配置，單一器件損壞不會(huì)造成成套裝置故障，極大提高了裝置的可靠性。利用大容量快速開關(guān)實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)的直接接地與電容器接地的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。正常運(yùn)行情況主變中性點(diǎn)經(jīng)電容接地，電容隔斷了中性點(diǎn)直流；一旦系統(tǒng)故障，中性點(diǎn)電流過大，引起電容兩端電壓超過過壓觸發(fā)門限值或過流保護(hù)動(dòng)作值時(shí)，則故障電流將觸發(fā)旁路系統(tǒng)，并驅(qū)動(dòng)快速開關(guān)閉合，保證中性點(diǎn)安全接地。

該套新型隔直裝置投運(yùn)后，主變?cè)肼曈稍瓉碜罡叩?9.5 dB左右降低為67.6 dB左右，噪聲明顯降低。中性點(diǎn)直流分量控制在0.5 A左右，隔直效果明顯。有效解決了交流變壓器在中性點(diǎn)直流電流影響下產(chǎn)生的偏磁和噪音問題。

4 電容隔直裝置的運(yùn)行

4.1 電容隔直裝置的接入

電容隔直裝置的接入一般采用標(biāo)準(zhǔn)接入方式，如圖8所示。由于考慮某些實(shí)際主變負(fù)荷過重，且無法輕易轉(zhuǎn)移負(fù)荷將主變停電接入隔直裝置，故研究采用主變不停電接入方式。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)接入方式和不停電接入方式

圖9 電容隔直裝置實(shí)物照片

主變壓器投運(yùn)后，方可投入相應(yīng)的中性點(diǎn)隔直裝置。電容隔直裝置安裝在變壓器中性點(diǎn)附近,如圖9所示。

4.2 電容隔直裝置的退出

正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)隔直裝置應(yīng)處于自動(dòng)工作模式。當(dāng)隔直裝置面板顯示Idc>1A時(shí)或其他異常信號(hào)時(shí)，立刻通知檢修人員并做好退出裝置準(zhǔn)備。

退出隔直裝置前，應(yīng)合上主變壓器中性點(diǎn)接地隔離開關(guān)。并且兩臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)不應(yīng)同時(shí)共用一臺(tái)中性點(diǎn)隔直裝置。標(biāo)準(zhǔn)接入方式的隔直裝置單獨(dú)檢修或故障處理時(shí)，應(yīng)將變壓器中性點(diǎn)直接接地，并將裝置與運(yùn)行變壓器中性點(diǎn)可靠隔離。不停電接入方式的隔直裝置單獨(dú)檢修或故障處理時(shí)，應(yīng)進(jìn)行接地中性點(diǎn)倒換，并將隔直裝置與運(yùn)行變壓器中性點(diǎn)可靠隔離。

4.3 新型電容隔直裝置對(duì)繼電保護(hù)措施的影響

由于相間故障不涉及變壓器零序阻抗，因此反映相間故障的主變各側(cè)過流保護(hù)不受影響。根據(jù)保護(hù)原理，主變差動(dòng)保護(hù)、110 kV線路的距離保護(hù)、縱差保護(hù)不受影響。對(duì)于單相接地、兩相接地故障的序網(wǎng)圖包括零序網(wǎng)絡(luò)，本裝置在電容接地狀態(tài)下，中性點(diǎn)交流對(duì)地容抗小于1 Ω，經(jīng)過對(duì)電網(wǎng)已有的繼電保護(hù)措施的影響進(jìn)行計(jì)算和分析，計(jì)算分析結(jié)果表明繼電保護(hù)及其它自動(dòng)裝置不需要重新整定。

5 結(jié)束語

本文從實(shí)際案例出發(fā)，從電網(wǎng)運(yùn)行的角度探索分析了問題產(chǎn)生的原因。經(jīng)過大量的試驗(yàn)和調(diào)查，確定了長(zhǎng)沙地區(qū)電網(wǎng)主變出現(xiàn)直流偏磁的主要原因是地鐵軌道雜散電流的影響。研究采用了一種新型電容隔直裝置。投運(yùn)過程中，結(jié)合實(shí)際情況，探索出標(biāo)準(zhǔn)接入方式和不停電接入方式，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。隔直裝置投運(yùn)后，主變?cè)胍裘黠@降低，中性點(diǎn)直流分量控制在0.5 A左右，隔直效果明顯。計(jì)算分析結(jié)果表明該裝置對(duì)繼電保護(hù)措施沒有影響。

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Research and Treatment of Main Transformer DC Magnetic Bias in Urban Areas

Cai Mao1, Li Jia1, Peng Qing1, Zhu Lei1, Peng Ping2

(1. State Grid Changsha Power Supply Co. Changsha Hunan 410000, China;2. State Grid Hunan Electric Power Science Research Institute, Changsha Hunan 410000, China)

The stability and life of the main transformer is reduced by its DC magnetic bias. Through an analysis of an actual case and under consideration of a large number of actual measurement data, it is proved that metro stray current is one of the main causes for the DC magnetic bias of the main transformer in urban power grid. A new type of capacitive DC blocking device is adopted in this study. In practical operation process, two access methods are presented for the device, namely standard?access and access without power cut. Practical operation achieves good result, thus solving the problem of main transformer DC bias in urban areas.

DC magnetic bias； metro stray current；capacitive DC blocking； transformer neutral point； main transformer noise

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.003

TM712

A

1000-3886(2017)01-0007-03

蔡茂(1989-)，男，湖南岳陽人，研究生，武漢大學(xué)，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化研究。

定稿日期: 2016-08-11