變壓器中性點加裝電抗及隔直裝置接線設計

姜海博，陳海焱，鄧長紅

(電力規劃設計總院，北京 100120)

1 概述

隨著電網結構的不斷加強，目前電力系統中大量采用自耦變壓器等，變電站的單相短路電流往往先于三相短路電流接近甚至超過斷路器的遮斷容量。在負荷密度較高的華東和廣東地區，單相短路電流超標的問題更為嚴重，所以限制短路電流和簡化優化電網潮流已成為電力系統發展需面對和解決的重要問題，目前常見的措施是在變壓器中性點加裝中性點電抗器來限制單相短路電流超標。

在交直流混合輸電電網中，當直流輸電單極大地運行時，直流電流通過交流系統的變壓器中性點流入交流系統，變壓器中性點疊加直流分量后產生磁偏，造成磁飽和，使變壓器產生諧波、振動、噪聲、過熱等問題，嚴重時可引起變壓器損壞，并可能引起保護的誤動，嚴重影響變壓器及電網的安全穩定運行。目前在華東、廣東地區，作為大量直流工程的落點，直流偏磁尤為嚴重。目前比較常用的辦法是在變壓器中性點上加裝電阻型或者電容型隔直裝置，也有采用反向注入式直流抑制裝置的工程應用實例。

為了同時抑制主變壓器中性點短路電流和直流電流，在華東、廣東地區的部分變電站主變中性點需同時裝設中性點電抗和隔直裝置，保證主變壓器的安全運行。目前還未有關于同時加裝中性點電抗和隔直裝置的變壓器中性點回路的接線研究見諸報告，各設計院在實際工程中的接線各不相同，本文綜合考慮其運行靈活性、檢修方便性、技術經濟性對中性點加裝電抗器及隔直裝置主接線設計進行了研究，分別針對電阻型直流抑制裝置和電容型直流抑制裝置提出了推薦的主接線方案，對保障變電站在設備檢修情況下的安全穩定運行具有一定的參考價值。

2 變壓器中性點直流抑制措施比較

為了解決直流系統單極大地運行對交流變電設備的影響，國內電力行業相關單位著手進行了針對直流偏磁的抑制方法研究，并在實際工程中成功應用了多種類型的直流抑制裝置。

1.1 電阻型直流抑制裝置

電阻型直流抑制裝置的原理十分簡單明確：在中性點和地網之間串入一個阻值為數歐姆的小電阻，可以使得中性點流入的直流電流明顯減小，達到工程上可以接受的程度。由于其概念明確，相對易于實現，對系統的影響較小、結構簡單、經濟可靠等優勢，在國內外受到直流偏磁影響但不十分嚴重的變電站中被普遍采用。

1.2 電容型直流抑制裝置

電容型直流抑制裝置主要由直流抑制一次設備(隔直電容)、旁路系統(限流電抗器、換向整流橋、狀態轉換開關)及控制監測裝置(交直流傳感器、數字測控裝置)三部分構成。其結構見圖1。

圖1 中國電科院NCBD電容型抑制裝置

電容型直流抑制裝置的優點是隔離直流比較徹底，目前在國內直流偏磁較為嚴重的地區采用電容型直流抑制裝置。

1.3 反向注入式直流抑制裝置

反向注入式直流抑制裝置在變壓器中性點串入一個直流電壓源，根據所檢測到的直流電流值，動態調整該電壓源設置，實時提供反向的直流電流。這種裝置的優點在于不在變壓器中性點與地網之間串入其他設備,能保證變壓器中性點可靠接地而無過電壓問題,對系統現有保護配置不產生影響，目前國內僅江蘇武南500 kV變電站采用該裝置來限制直流偏磁。

上述三種直流偏磁抑制方法的比較見表1。

表1 三種直流偏磁抑制方法的比較

由于目前國內大部分變電站的隔直裝置均采用電阻隔直裝置和電容隔直裝置，故本文僅對這兩種隔直裝置進行分析。

3 中性點回路主接線設計工程實例分析

目前實際工程中中性點同時加裝電抗器及隔直裝置主要有兩種接線方式(接線方案一和接線方案二)，下面以桐鄉和杭變500 kV為例分別對兩種接線進行闡述，分析其優缺點。

圖2為杭變500 kV變電站中性點部分的主接線圖。

圖2 接線方案一(杭變500kV變電站中性點部分的主接線圖)

該方案在變壓器中性點出口設置一把接地開關，在中性點電抗器前裝設一把隔離開關，在電抗器與隔直裝置之間裝設一把接地開關。采用這種接線方式時，若隔直裝置需要檢修，則可將接地開關K3閉合，此時運行方式變為中性點帶小電抗接地，檢修隔直裝置的過程中仍可限制系統的單相短路電流。當電抗器需要檢修時，則可閉合接地開關K1同時打開隔離開關K2，此時切換到主變中性點直接接地的運行方式，值得注意的是此時隔直裝置同時退出運行，即若此時產生較大的直流偏磁，會對變壓器造成不利的影響。

圖3為桐鄉500 kV變電站中性點部分的主接線圖。

圖3 接線方案二(桐鄉500 kV變電站中性點部分的主接線圖)

此種接線對接線方案一進行了改進，主要區別主要是取消了隔離開關K2。當需檢修電抗器時，接地開關K1需閉合接地，由于隔直裝置的尾端同時接地，正常運行情況下電抗器電位接近為0，即便發生不對稱短路，地電位升高，接觸電勢仍近似為0，不會對運行人員的安全造成危害。

4 中性點回路主接線推薦方案及應用分析

接線方案一與接線方案二共同的問題是在檢修電抗器時，隔直裝置必然退出運行，中性點電抗器的檢修時間較長，若此時產生比較嚴重的直流偏磁的問題，會對變壓器造成較為嚴重的影響。為解決此問題，本文提出了接線方案三，見圖4。

圖4 接線方案三

區別于前兩種接線方式，接線方案三增加了中性點電抗器的旁路隔離開關K1，與電抗器和隔直裝置之間的接地開關K2組合成一把單接地的隔離開關。同時取消了變壓器中性點出口的接地開關。

正常運行時，K1和K2均打開，中性點串電抗器和隔直裝置運行。

當隔直裝置需要檢修時，則合上接地開關K2，K1仍打開，此時變壓器帶中性點電抗運行。

當中性點電抗器需要檢修時，首先需要將電抗器退出運行，此時需同時合上K1和K2，由于電抗器兩端均為0電位，可以同時解開電抗器兩端的連接線，再對電抗器掛地線，采用此種操作可使運行人員在不停電的前提下對電抗器進行檢修操作；完成解線操作后應保持K1處于導通狀態，同時打開接地開關K2，此時變壓器中性點帶隔直裝置運行，區別于前兩種接線，此種接線可以保證在檢修電抗器的同時變壓器中性點帶隔直裝置運行，進而削弱直流偏磁對變壓器的影響。

另外此種接線也可以根據調度要求切換到變壓器直接接地的運行方式(同時閉合K1和K2)。

從技術上來看，方案三的運行方式更靈活，在滿足方案一、二所有運行方式的基礎上，還可以在檢修中性點電抗器時實現帶隔直裝置運行；從布置上來看，相比于方案一、方案二，方案三的設備數量更少(只需增加一把單接地的隔離開關)，布置更靈活；從經濟上來看，相比于方案一，方案二和方案三分別比方案一節省1把隔離開關和1把地刀，其經濟性均好于方案一。

綜上，接線方案三的優勢主要是在檢修中性點電抗器時仍可以帶著隔直裝置運行，故接線取決于調度對運行工況的要求。由于目前國內工程中電容型直流抑制裝置一般加裝直流偏磁較為嚴重的地區，若檢修中性點電抗器時同時退出隔直裝置，直流偏磁可能對設備造成比較嚴重的影響，故此時推薦采用方案三的接線方式。

若采用電阻型直流抑制裝置，本文也推薦采用方案三的接線方式，但在征求調度、運行單位意見后也可采用方案二的接線方式，相比于方案三，方案二接線的操作、控制更為簡單。

5 結語

為保證在中性點電抗器檢修的工況下變電站的運行靈活性，本文在分析現有工程接線的基礎上，提出了一種中性點回路的接線方式。這種接線方式有著顯著的優點，可以在檢修電抗器的情況下帶隔直裝置運行，該種接線在直流偏磁較為嚴重(使用電容式隔直裝置)的地區有較大優勢，對于使用電阻式隔直裝置的變電站建議參考運行單位的意見后酌情使用。