王洪濤，王耿耿，曹 娜，袁智強(qiáng)

(1.青海省綠色發(fā)電集團(tuán)股份有限公司，西寧 810000；2.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

我國(guó)能源與電力負(fù)荷分布不均衡，西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)資源豐富但負(fù)荷較小，而東部沿海地區(qū)負(fù)荷密集但資源較為匱乏，隨著我國(guó)“西電東送”戰(zhàn)略的實(shí)施，高壓直流輸電因輸送距離遠(yuǎn)、輸電功率大、輸送損耗小等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。高壓直流輸電正常情況下采用雙極運(yùn)行方式，但在系統(tǒng)調(diào)試、檢修或發(fā)生故障的情況下，會(huì)工作于單極大地回路運(yùn)行方式。單極大地運(yùn)行時(shí)會(huì)有較大直流電流注入大地，在地下形成直流電場(chǎng)，從而在各變電站間產(chǎn)生電位差，因站間回路直流電阻較小，會(huì)產(chǎn)生較大的直流電流，從而造成變壓器偏磁，威脅變壓器的正常運(yùn)行[3-6]。隨著近幾年超高壓和特高壓直流輸電工程的大規(guī)模建設(shè)，單極大地回路運(yùn)行時(shí)導(dǎo)致直流接地極附近變壓器大規(guī)模直流偏磁時(shí)有發(fā)生，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了較大影響。為了保障電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行，對(duì)直流偏磁現(xiàn)象及其抑制措施開展研究具有重要的意義。

1 直流偏磁對(duì)變壓器的影響

1.1 變壓器發(fā)生直流偏磁的原理

在正常情況下，變壓器的磁路工作在對(duì)稱的線性區(qū)域，正弦磁通建立的勵(lì)磁電流基本也是正弦形式，其原理如圖1所示[7-8]。

圖1 變壓器正常運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流

當(dāng)有直流電流流經(jīng)變壓器繞組時(shí)，將導(dǎo)致變壓器電流工作點(diǎn)上移，變壓器電流工作點(diǎn)進(jìn)入勵(lì)磁曲線飽和區(qū)，正弦磁通建立的勵(lì)磁電流正半周會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的畸變，而負(fù)半周仍基本為正弦形式，其原理如圖2所示[7-8]。在此狀態(tài)下，變壓器會(huì)發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象，過(guò)大的直流電流可能引起變壓器磁飽和，產(chǎn)生振動(dòng)加劇、噪聲增大、諧波增大、局部過(guò)熱等問(wèn)題，影響變壓器的安全運(yùn)行。

圖2 直流偏磁狀態(tài)下變壓器的勵(lì)磁電流

1.2 變壓器直流偏磁限制要求

變壓器本身具有一定的抗偏磁能力，主要與變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)、形式、材質(zhì)等有關(guān)，變壓器實(shí)際運(yùn)行時(shí)應(yīng)避免工作在較為嚴(yán)重的直流偏磁狀態(tài)下，防止對(duì)變壓器造成損害。國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)都對(duì)于變壓器的抗偏磁能力進(jìn)行了研究，主要研究成果如表1所示[9-11]。

目前中國(guó)電科院、上海電科院等幾個(gè)科研院所在此領(lǐng)域展開了較多研究，提出限制流入變壓器中性點(diǎn)電流的3種主要方法：(1)通過(guò)整流裝置向變壓器中性點(diǎn)注入反向直流，抵消偏磁電流；(2)在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)電容，阻斷直流電流；(3)在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)電阻，限制直流電流的大小[12]。電流型直流抑制裝置控制困難、占地較大、維護(hù)費(fèi)用高；電容型直流抑制裝置對(duì)電容的制造工藝要求高、造價(jià)昂貴。此外，華東地區(qū)一些500 kV變電站已陸續(xù)安裝中性點(diǎn)小電抗以抑制短路電流，在這些變電站中采用電容型抑制裝置可能引發(fā)高頻諧振，威脅系統(tǒng)安全；而電阻型直流抑制裝置簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠，因此目前電阻型直流抑制裝置在治理變壓器直流偏磁問(wèn)題中得到了廣泛的應(yīng)用。

表1 不同機(jī)構(gòu)提出的變壓器直流偏磁限制要求

2 直流偏磁仿真建模研究

直流偏磁問(wèn)題既與變電站的地電位及地下電流場(chǎng)的分布情況有關(guān)，同時(shí)也與變電站內(nèi)變壓器及站間輸電線路的直流電阻有關(guān)，是電場(chǎng)與電路相結(jié)合的問(wèn)題，研究過(guò)程較為復(fù)雜。本文中采用加拿大SES公司開發(fā)的CDEGS軟件對(duì)變壓器直流偏磁現(xiàn)象及抑制措施進(jìn)行仿真建模研究。

2.1 仿真建模過(guò)程

采用CDEGS軟件對(duì)直流偏磁現(xiàn)象進(jìn)行仿真建模的流程圖如圖3所示。

(1)地理信息轉(zhuǎn)換：CDEGS 軟件采用的是標(biāo)準(zhǔn)的平面直角坐標(biāo)，通過(guò)“高斯—克呂格”變換將各變電站及直流接地極的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)。

(2)變電站接地網(wǎng)及主體建模：根據(jù)各變電站土壤電阻率和接地電阻，繪制變電站等效接地網(wǎng)。根據(jù)變電站主變參數(shù)和接地情況對(duì)變電站主體進(jìn)行等效建模。

(3)直流接地極建模：根據(jù)直流接地極的形狀、材料、埋深，適當(dāng)簡(jiǎn)化后對(duì)直流接地極進(jìn)行建模。

(4)電網(wǎng)拓?fù)浣＃簩⑺芯康淖冸娬菊军c(diǎn)通過(guò)站間線路連接，從而構(gòu)成電網(wǎng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(5)土壤模型確定：在有關(guān)地中直流的仿真計(jì)算中，水平分層土壤電阻率通常的取值范圍如表2所示[13]。根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)土壤電阻率的實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)合表2對(duì)區(qū)域內(nèi)土壤模型進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)置。

表2 土壤分層的電阻率和厚度

(6)直流偏磁電流計(jì)算：完成電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和土壤模型的設(shè)置后，運(yùn)行仿真軟件，查看仿真結(jié)果詳細(xì)報(bào)告，獲取各變電站主變中性點(diǎn)偏磁電流。

2.2 計(jì)算案例

基于某直流接地極周邊電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)仿真建模流程，搭建仿真案例進(jìn)行計(jì)算研究。仿真案例網(wǎng)架中包含5座500 kV變電站和1座220 kV變電站，輸電線路包含500 kV線路和220 kV線路。網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

計(jì)算輸入條件具體如下。

(1)土壤模型參數(shù)：仿真案例采用水平四層土壤模型，土壤模型參數(shù)如表3所示。

(2)變電站接地模型：各變電站接地網(wǎng)采用水平接地網(wǎng)格進(jìn)行等效，各站接地電阻如表4所示。

(3)變電站主變參數(shù)：各變電站主變數(shù)量、容量和主變繞組的等效直流電阻如表5所示。

(4)站間輸電線路參數(shù)：站間輸電線路的等效直流電阻如表6所示。

(5)直流接地極注入電流：接地極激勵(lì)電流取4 000 A。

2.2.1采取直流偏磁抑制措施前仿真結(jié)果

根據(jù)這些輸入條件，各變電站直流偏磁電流的計(jì)算結(jié)果如表7所示。根據(jù)各機(jī)構(gòu)提出的變壓器可耐受偏磁電流指標(biāo)，在本案例中選取三相變壓器最嚴(yán)格的限制值，以0.45%額定電流值作為各變電站主變抗偏磁能力限值，500 kV主變可耐受偏磁電流宜控制在5.0 A以下，220 kV主變可耐受偏磁電流宜控制在2.8 A以下。從表7可以看出，仿真案例中4號(hào)站和5號(hào)站單臺(tái)500 kV變壓器的偏磁電流分別為7.4 A和5.4 A，6號(hào)站單臺(tái)220 kV變壓器的偏磁電流為4.1 A，直流接地極滿容量單極大地運(yùn)行時(shí)注入大地的直流電流對(duì)于4號(hào)站、5號(hào)站、6號(hào)站變壓器的正常運(yùn)行具有威脅，應(yīng)采取直流偏磁抑制措施。

圖4 仿真案例網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖

層數(shù)電阻率/(Ω·m)厚度/m1、淺沉積層103502、深沉積層或鹽土層30010 0003、基巖層10 00050 0004、地幔至地心層100數(shù)百公里以上

表4 各變電站接地電阻 Ω

表5 各變電站主變繞組的等效直流電阻

表6 站間輸電線路的等效直流電阻 Ω

表7 采取直流偏磁抑制措施前各變電站主變偏磁電流計(jì)算結(jié)果 A

2.2.2直流偏磁抑制方案研究

電阻型直流抑制裝置簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠，因此本案例中采用主變中性點(diǎn)串聯(lián)小電阻的方法抑制偏磁電流。在變電站配置電阻型直流抑制裝置，可能會(huì)引起周邊變電站直流偏磁電流增加，此外小電阻阻值不宜取過(guò)大以免對(duì)站內(nèi)保護(hù)造成較大影響，因此需通過(guò)仿真計(jì)算指導(dǎo)小電阻阻值的選取。

對(duì)于仿真案例中直流偏磁電流超標(biāo)的4號(hào)站、5號(hào)站和6號(hào)站，首先研究各站加裝不同阻值的小電阻對(duì)直流偏磁電流的抑制效果，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，串聯(lián)小電阻可有效減少變壓器偏磁電流，隨著小電阻值的增大，偏磁抑制效果逐漸趨于飽和。仿真案例中，4號(hào)站和5號(hào)站加裝1 Ω小電阻后，單臺(tái)500 kV變壓器偏磁電流可降到5 A以下；6號(hào)站加裝1 Ω小電阻后，單臺(tái)220 kV變壓器偏磁電流可降到2.8 A以下。

圖5 加裝小電阻阻值與偏磁電流的關(guān)系曲線

此外，研究了4號(hào)站、5號(hào)站和6號(hào)站加裝小電阻后對(duì)附近其他變電站偏磁電流的影響。以加裝1 Ω小電阻為例，4號(hào)站、5號(hào)站和6號(hào)站加裝1 Ω小電阻后對(duì)周邊變電站偏磁電流的影響分別如表8～表10所示。4號(hào)站加裝1 Ω小電阻后，2號(hào)站和3號(hào)站的主變偏磁電流增大，而1號(hào)站、5號(hào)站和6號(hào)站的主變偏磁電流有所下降；5號(hào)站加裝1 Ω小電阻后，1號(hào)站、3號(hào)站和6號(hào)站的主變偏磁電流增大，而2號(hào)站和4號(hào)站的主變偏磁電流有所下降；6號(hào)站加裝1 Ω小電阻后，1號(hào)站、3號(hào)站和5號(hào)站的主變偏磁電流增大，4號(hào)站主變偏磁電流基本不變，而2號(hào)站主變偏磁電流有所下降。安裝電阻型直流抑制裝置會(huì)對(duì)周邊變電站偏磁電流有所影響，可能會(huì)引起周邊部分站點(diǎn)偏磁電流增大，配置電阻型直流抑制裝置時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮網(wǎng)架中所有站點(diǎn)，避免引起周邊變電站偏磁電流超標(biāo)。

表8 4號(hào)站加裝小電阻對(duì)周邊變電站主變偏磁電流的影響

表9 5號(hào)站加裝小電阻對(duì)周邊變電站主變偏磁電流的影響

表10 6號(hào)站加裝小電阻對(duì)周邊變電站主變偏磁電流的影響

為使仿真案例中各變電站主變偏磁電流均在抗偏磁能力限制范圍內(nèi)，考慮在偏磁電流超標(biāo)的變電站中安裝電阻型直流抑制裝置。通過(guò)表8可以看出，4號(hào)站加裝1 Ω小電阻后，5號(hào)站單臺(tái)500 kV變壓器的偏磁電流也可降低到5 A以下，因此考慮在4號(hào)站和6號(hào)站加裝小電阻抑制直流偏磁電流。通過(guò)仿真計(jì)算可得，在4號(hào)站主變中性點(diǎn)串聯(lián)1 Ω小電阻、6號(hào)站主變中性點(diǎn)串聯(lián)1 Ω小電阻后，各變電站500 kV變壓器直流偏磁電流均小于5 A，220 kV變壓器直流偏磁電流均小于2.8 A，能夠適應(yīng)直流接地極單極大地運(yùn)行情況。采取直法偏磁抑制措施后各變電站主變偏磁電流計(jì)算結(jié)果如表11所示。

表11 采取直流偏磁抑制措施后各變電站主變偏磁電流計(jì)算結(jié)果

注：4號(hào)站、6號(hào)站主變中性點(diǎn)均串聯(lián)1 Ω小電阻。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)直流系統(tǒng)單極大地運(yùn)行時(shí)，直流接地極中有激勵(lì)電流注入大地，會(huì)在周邊變電站間產(chǎn)生地電位差，從而在站間回路中產(chǎn)生直流電流，引起變壓器偏磁，威脅變壓器的正常運(yùn)行，需采取措施抑制直流偏磁。

(2)電阻型直流抑制裝置簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠，對(duì)于直流偏磁電流超標(biāo)的變電站，在主變中性點(diǎn)串聯(lián)小電阻可有效抑制變壓器偏磁。

(3)安裝電阻型直流抑制裝置會(huì)對(duì)周邊變電站偏磁電流有所影響，可能會(huì)引起周邊部分站點(diǎn)偏磁電流增大，配置電阻型直流抑制裝置時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮網(wǎng)架中所有站點(diǎn)，避免引起周邊變電站偏磁電流超標(biāo)。