變壓器直流偏磁抑制措施的經濟技術分析

邵武剛

摘 要：文章簡單介紹了小電阻法、電容隔直法、電位補償法及直流電流注入法四種直流偏磁電流的抑制方法；對這些方法的優點、缺點進行分析與比較，對于不同的場合、不同的技術要求給予了不同方法的選擇建議。文章可用于學者研究交流系統抑制直流偏磁電流措施的參考。

關鍵詞：直流輸電；變壓器；直流偏磁；抑制；比較

直流輸電系統單極大地回線方式是一種故障應急運行方式，當直流輸電系統某極發生故障時，常采用此方法進行應急處置。這種大地回流方式經常會有發生，難以避免，一般用于單極建成初期的運行，是導致交流電網中性點接地變壓器產生直流偏磁的主要原因。這種事故發生會帶來一系列的問題，例如，主變噪聲、波形畸變、主變故障和電容器組損壞等。因此，對于變壓器直流偏磁問題的抑制措施的研究十分重要，這種措施技術在交流系統中有重要的應用價值。以下對直流偏磁電流抑制方法進行簡單說明與對比。

為了避免接地變壓器由于中性點流入直流電流導致的直流偏磁問題，常采用以下幾種方法來進行控制。

1 串小電阻法

這種方法是通過串入限流小電阻來保護高電壓旁路的過程，這個小電阻要串聯在變壓器中性點與變電站地網之間。這種方法的優點主要有兩點，一是投資小，費用較低；二是此裝置為無源裝置，結構相對簡單，安裝、運行與維護都比較容易。這種方法的缺點相對較多，主要表現在以下幾方面：一是此方法不能消除中性點的直流電流；二是有些系統內，串聯的電阻阻值較大，會導致變壓器中性點接地效果不好；三是中性點串入電阻，影響系統的零序參數，從而影響繼電保護；四是電阻的串入，也影響著方向保護的靈敏度；五是當系統故障時，采用旁路裝置對該電阻旁路，則會造成系統接地阻抗不連續，從而導致繼電保護配置復雜化；六是當電網系統結構發生變化時，例如增加或減少變壓器等，就需要重新計算接地電阻值，更換串接電阻。

2 直流電流反向注入法

這種方法通過改變變壓器中性點電位以全部或部分消除流入變壓器繞阻的直流電流，操作方式是通過在變壓器中性點串入一個可控反向直流電流源、在變電站地網與輔助接地極之間注入直流電流來完成。從根本的原理上說，還是通過改變變壓器中性點直流電位來完成。這種方法的優點較多，主要表現在以下幾方面：一是因為在變壓器中心點與地網之間沒有串入其他設備，所以可以保證變壓器中心點可靠接地，不會發生過電壓狀況；二是不會影響系統現有的保護配置；三是反向電流的注入具有靈活性，可以針對不同的中性點流入的直流電流值，動態地選擇注入不同的反向電流。這種方法的缺點主要為：一是造價高，費用大；二是需要連接電源，較無源方式的可靠性差；三是必須在變電站外建造獨立的接地級，工程量大，施工困難，安裝運行維護都比較困難。

3 中性點電容隔直法

這種方法是通過在變壓器中性點與接地極之間串入電容器來實現的，通常稱為中性點串電容法。電容器的主要作用為隔離直流，使通交流，所以通過此方法串聯電容器后，可以消除流過變壓器的直流電流，而且對于交流電流的連接也不影響。

下面簡單介紹一下此方法的基本原理：將電流旁路裝置與電容器并聯，當電容器兩端電壓過高，超過規定限值時，或是流過電容器的電流超過最大限值時，則會使并聯的電流旁路裝置連通，使電容器兩端短接，從而起到降壓與分流的作用，這樣能夠保護電容器不被高壓或大電流損壞。當電力系統恢復正常后，電流旁路裝置便會自動復位，使電容器重新恢復正常運行。此方法的優點主要為：一是裝置為無源裝置，安全性較高；二是隔直效率高，效果好；三是對系統繼電保護的影響很小；四是能夠確保變壓器中心點為小阻抗接地，通過旁路保護措施可有效防止變壓器中心點發生過電壓事故；五是與直流電流注入法比較，運行維護方便。這種方法的缺點是：電容器的旁路保護系統較復雜。當發生交流系統短路故障，或雷擊等系統故障時，變壓器中性點會流過很大的電流，這時就要采取有效的保護措施，防止產生幅值很高的過電壓損壞電容器。所以說，為了保證變壓器和隔直電容器可靠安全的運行，必須要為隔直電容器配置一套可靠的有效的旁路保護系統。

4 電位補償法

這種方法需要在變壓器中性線中間串聯一個0.5-2.0歐姆的小電阻，再通過外部的可控電源控制此電阻的電流，使形成直流電位，通過調節變壓器中性點的直流電位，達到減少通過變壓器繞阻的直流電流的目的，并且此電阻也需要有保護旁路。電位補償法可以說是揉合了以上三種方法的特點，例如它有固定值的小電阻、需要額外的直流電流電源及保護旁路裝置。這種方法的優點主要體現在以下幾個方面：一是所采用的小電阻阻值比串小電阻法的小，其對繼電保護的可能影響也較串小電阻法小，對于雷擊時變壓器中性點，電位的變化也相對較小；二是在保持變壓器中性點有效接地的同時，能完全消除變壓器中性點直流電流；三是此方法需要配置直流電流源，屬有源裝置，但與直流電流反向注入法相比，無需另建輔助接地極（網），因而不存在輔助接地極入地電流對周邊環境的影響，其電流源容量通常小于直流電流反向注入法。同時，這種方法也存在一些缺點：一是若取最小電阻，即0.5歐姆的電阻，則要求其對其電流承受能力相當強，造價會相對較高；若選擇電阻相對較大，即2歐姆的電阻，則仍然無法避免其對系統零序參數的影響，進而影響繼電保護的整定，方向保護的靈敏度等。二是此方法仍然需具備旁路保護裝置。三是此方法可靠性較無源方式差；四是由于電阻抗直流電流能力強，對其質量、造價要求會較高，總體造價較直流電流注入法低，但比其他兩種方法高。

5 綜合比較

以上4 種直流偏磁電流的抑制方法，從接入方式上可以分成2類：第一類是小電阻法、電容隔直法、電位補償法，這3種方法均需在在變壓器中性點與變電站地網間串入設備；第二類是直流電流注入法，此方法不改變變壓器中性點原來的接地方式。

5.1 小電阻法、電容隔直法、電位補償法的比較

對于第一類的這三種抑制方法，共同點是均需要串入電阻設備，且串入的設備也都需要做旁路保護。就單從旁路保護的安全可靠性方面來說，三種方法的旁路保護要求基本一致，即對于小電阻法使用的可靠的旁路保護系統，也可用于電容隔直法的旁路系統。但事實并非如此，這兩種方法的旁路保護系統的技術要求、技術條件不一致，自然難以使其達到一致的可靠性與安全性。對于不同的方法，當我們要求其旁路系統達到一致的技術條件和安全可靠性時，對比第一類的三種抑制方法，使用電容器隔直法來抑制直流偏磁電流是最佳的選擇。

5.2 抑制措施比較小結

在500kV變電站，基于變壓器的重要性及運行規程，推薦采用直流電流注入法；在220kV變電站則推薦采用電容隔直裝置。

（1）“直流偏磁抑制措施的研究”部分分析比較了四種抑制方法，推薦使用電容隔直法，而直流電流注入法可用于特殊要求的場合；作者開發研制投運的阻容抑直裝置提供了一種更加簡單、經濟、安全、高效的直流偏磁電流抑制方案。

（2）就直流電流注入法和電容隔直法兩種方法比較，各有優劣。應針對不同的應用場合選擇不同的抑制措施。在500kV變電站，基于變壓器的重要性及運行規程，推薦采用直流電流注入法，當然應考慮安裝接地極的可能性；在220kV變電站則推薦采用電容隔直裝置。

5.3 結束語

需根據不同的場合、不同的特點、不同的使用要求，選擇適宜的方法，來抑制變壓器直流偏磁電流，即滿足電力生產的安全性要求，又達到簡單、經濟、安全、高效的目的。

參考文獻

[1]薛更新，譚浩文，席曉麗，等.改善750kV變電站進出線電磁環境研究[J].2010.