淺談變壓器直流偏磁現象及電容隔直原理

楊 猛 胡 諄 吳建洪

（杭州意能電力技術有限公司，浙江杭州310014）

0 引言

伴隨著我國大規模交直流混聯電網的迅速發展，直流輸電工程在調試或故障情況下單極大地回線運行時有發生。直流輸電線路在單極大地回線運行方式下，直流電流經直流系統接地極流入大地，同時在接地極附近形成不等電位。

不同發電廠（變電站）由于相對于接地極地理位置不同，其電位也不一樣，由于電位差的存在，直流電流經中性點接地變壓器流入變壓器繞組，從而引起變壓器直流偏磁現象。變壓器在直流偏磁下，直流與交流磁通相疊加，鐵芯飽和程度在與直流偏磁方向一致的半個周波增加，在另外半個周波減小，對應的勵磁電流波形呈現正負半波不對稱形狀。

變壓器直流偏磁的主要危害有變壓器噪聲和振動加劇、變壓器無功損耗增加、系統電壓波形畸變、產生大量高次諧波、繼電保護誤動等。

目前，國內抑制直流偏磁的方法主要有電容隔直法、小電阻限流法、中性點注入反向電流法、電位補償法。小電阻限流法只能減弱變壓器中性點直流電流且靈活性較差。注入反向電流法直流利用率低且會對相鄰變壓器造成直流污染，加劇直流偏磁程度，同時需另建直流接地極，投資較大。電容隔直法采用無源裝置，安全性較高，隔直效率高，對系統繼電保護影響很小，運行維護方便。綜合比較，本文所述電廠采用電容隔直裝置。

1 電容隔直裝置結構

電容隔直裝置由三個部分構成。

第一部分是戶內隔離刀閘，本裝置采用電動雙刀切換隔離刀，用于切換隔直裝置的投入與退出。

第二部分是串聯接入變壓器中性點的隔直裝置本體，包括電容器、整流二極管、晶閘管、限流電感、限流電阻、快速轉換開關等一次設備及二次控制單元。

第三部分是就地監控終端，供運維人員監測裝置的運行狀態，包括開關量、模擬量及保護定值的設置。

裝置原理接線圖如圖1所示。

2 電容隔直裝置工作原理

2.1 電容隔直裝置運行方式

電容隔直裝置通過投入刀閘（GZ12）和接地刀閘（GZ11）的切換實現投退的靈活轉換。GZ11斷開、GZ12閉合為隔直裝置投入運行，反之為退出運行。為保證變壓器中性點可靠接地，電動雙刀切換隔離刀為雙刀互鎖隔離刀，GZ11和GZ12不能同時處于分斷狀態。另外，利用與電容器并聯的轉換開關實現直接接地運行狀態和電容接地運行狀態的轉換。

圖1 裝置原理圖

運行方式接線圖如圖2所示。

圖2 電容隔直裝置運行方式

2.2 電容隔直裝置控制策略

隔直裝置有兩種運行模式：自動運行模式和手動運行模式。

正常運行方式下，電容隔直裝置快速轉換開關處于合閘狀態，隔直電容被短接，變壓器中性點為直接接地運行狀態。通過檢測變壓器中性點直流電流和系統故障情況，按照預設策略控制電容隔直裝置轉換開關的分、合閘。

2.2.1 隔直裝置直接接地運行狀態

在直接接地運行狀態下，當檢測到變壓器中性點直流電流超過設定限值且時間達到時限時，在自動模式下，裝置自動進入電容接地運行狀態；在手動運行模式下，裝置發出告警信號（直流電流越限告警），等待運行人員通過遠程終端手動進入電容接地運行狀態。

2.2.2 隔直裝置電容接地運行狀態

在電容接地運行狀態下，考慮到交流系統故障時中性點會出現過電壓和過電流的情況，為避免電容器被擊穿從而影響繼電保護無法正確動作，有如下3種控制策略：

策略1：交流系統無故障時，監視中性點電容器兩端電壓，當直流電壓低于設定限值并達到動作時間時，在自動模式下，裝置自動進入直接接地運行狀態；在手動模式下，發出直接接地安全提示信號，等待運行人員手動通過遠程終端操作進入直接接地運行狀態。

策略2：交流系統故障時，監視中性點電容器兩端電壓，當電壓超過觸發電壓限值時，過電壓觸發元件瞬時動作，快速進入直接接地運行狀態。

策略3：交流系統故障時，監視中性點交流電流，當電流超過觸發電流限值時，過電流觸發元件瞬時動作，快速進入直接接地運行狀態。

策略2、3是針對交流系統發生不對稱接地短路故障的情況，二者取“或”。因為快速轉換開關動作時間比晶閘管導通要慢，所以當中性點出現過電壓或過電流時，晶閘管會迅速導通對電容器形成旁路，故障電流會先通過晶閘管流向大地，達到快速保護電容器的目的。同時啟動相應的過電壓或過電流觸發元件，向快速旁路開關發出合閘指令，當快速旁路開關合上后，對電容器形成機械旁路，故障電流轉移到快速旁路開關，同時關斷晶閘管。

另外，若觸發元件故障或快速轉換開關拒動，可通過與電容器并聯的放電間隙保護電容器。

3 問題分析及處理

3.1 電抗器和電容器諧振問題

為防止電網發生單相接地故障時短路電流過大，該電廠采用變壓器中性點經小電抗接地方式（圖3）。由此，當電容器和電抗器參數選型不匹配時，可能會發生串聯諧振問題，使電容器和電抗器上出現過電壓，對設備帶來危害。以下對該電廠變壓器中性點諧振問題進行分析。

圖3 變壓器電氣接線方式

電抗器和電容器的工頻阻抗XL和XC計算公式為：

式中，ωB=2πfB，fB=50 Hz。

由串聯諧振發生條件ω2LC=1可得：

經查閱資料得知，小電抗工頻阻抗為60 Ω，電容器工頻阻抗為0.1 Ω，可計算出電抗器和電容器的諧振頻率為：

因諧振頻率遠小于基波頻率，故按現有設備參數不會發生基波或諧波諧振問題。

3.2 快速轉換開關控制問題

調試過程中發現，未設計電容隔直裝置直流電流越限告警信號和直接接地安全提示信號至集控室后臺供運行人員監視。若運行模式為手動，運行人員無法及時根據實際狀態手動操作轉換開關來切換電容隔直裝置的運行狀態。

方案1：設計增加電容隔直裝置直流電流越限告警信號和直接接地安全提示信號至集控室后臺信號回路。

方案2：修改測控裝置內部程序控制邏輯，當運行模式為手動時，經延時自動切換至自動運行模式。

經討論，考慮到保證變壓器安全運行，減輕運行人員的工作量，充分實現自動化控制，決定采用方案2——當運行模式為手動時，經延時自動切換至自動運行模式。建議直流偏磁投運行時，使用自動運行模式。

4 結語

隨著特高壓直流的快速發展，變壓器直流偏磁問題日益突出。電容隔直法因安全性較高，隔直效率高，對電力系統繼電保護影響很小，運行維護方便，從而得到普遍應用。熟悉掌握電容隔直裝置的工作原理及調試過程中需要注意的問題，對現場調試工作具有指導作用，同時對保障電網的安全穩定運行具有重要意義。

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