特高壓直流輸電接地極附近的土壤結構對變壓器直流偏磁的影響

范勝

摘要：電力是推動我國經濟發展的重要動力。由于我國地域較廣且土壤結構差異較大，從而引發許多高壓直流輸電線路中的科學技術問題。為了使電流能夠在高壓電線中持續穩定的運輸，減少土壤結構等因素對變壓器直流偏磁的影響。本文根據土壤結構對變壓器直流偏磁影響的原理與直流偏磁基本內容展開試驗探究。實驗開始前需要建立土壤結構模型和查找土壤結構對應的地表電位計算公式，根據接地極周圍土壤的結構和性質，以接地極為中心點測量不同距離的地表電位。根據土壤地質參數和地表電位計算偏磁電流的大小，深入研究偏磁電流對變壓器勵磁電流畸變率的影響。通過試驗得出結論：流入變壓器中的電流隨著土壤電阻率的增加而增加，直流偏磁效應越發明顯。

關鍵詞：土壤結構 直流偏磁 變壓器 高壓直流輸電

為使我國的電力行業能夠迅速的發展，需要在全國推廣特高壓直流輸電線的建設。輸電線路的增多能夠提高我國電力的運輸效率，加快我國電力行業的發展，有利于解決我國電力分配不均勻的情況，將電力安全、穩定、高效的送至用電單位。目前，我國在特高壓直流輸電系統以及變壓器的研究領域取得了突破性的進展，部分技術已經超越發達國家。國家的高壓輸電工程也逐步采用先進的雙極直流輸電系統。相對于單極直流輸電系統來說，雙極直流輸電系統具有較高的穩定、安全性。在高壓電力運輸過程中，如果其中一個電極出現問題或者需要檢修、維護時，該輸電系統會迅速轉化為單極運行。在單極運行時會有較大的直流電流輸入土壤中，導致接地點周圍電位升高。

一、建立土壤結構模型，探究對接地點周圍電位的影響

當電力輸電采用雙極運行系統時，一旦遇到接地極故障或者檢修，為了保證輸電系統能夠正常工作，高壓直流輸電方式將會切換為單極運行。在單級運行的情況下，地表電位的梯度將直接決定著變壓器中的直流電流大小，地區土壤的結構與土壤電位的變化有直接的聯系，需要建立土壤結構模型來分析地電位變化和影響。土壤結構模型在建立的時候需要重點考慮高壓電線接地極附近土壤與直流電流所成形成的電位梯度之間存在的聯系。一般來說，土壤的電阻率與土壤結構復雜程度和地質環境差異成正相關。綜合各方面因素考慮，本文選取的土壤結構模型是將接地極附近的土壤看做成一個復雜的分層結構，并且保證接地極附近土壤的電阻值有差異，

二、土壤地電位對偏磁的影響

2.1偏磁原理

為了能夠更加深入的探究土壤結構對偏磁效應的影響，需要對變壓器直流偏磁的原理進行深入的研究。通過查閱相關資料，可以了解到直流偏磁原理是經繞組的直流電流變成變壓器勵磁電流的一部分。而這部分直流電流使的變壓器中的鐵芯產生偏磁，改變了原有變壓器的工作點，促使原有的磁化曲線工作區發生偏移。并移動到鐵芯磁飽和區，導致變壓器中勵磁電流轉化為堅定波，進而造成變壓器振動幅度變大。變壓器發生直流偏流的影響因素眾多，其中最為主要的是輸電系統接地極通過較大的直流電流。高壓直流的輸電系統在單機方式運行的情況下電流流向以及土壤電位分布研究是至關重要的。通過對變壓器直流偏磁效應原理進行深入的分析，可以從中了解到高壓直流電的流向。首先電流通過變壓器的接地極進入土壤中，電流在土壤中形成土壤的電位分布，通過大地為回路經過逆變站流向接地極。如果通入土壤中的電流存在一部分進入變壓器的繞組中形成電網回路，則會造成磁化曲線工作點進入飽和區域，導致電流偏磁效應的發生。實驗設計時需要考慮到勵磁電流的大小與變壓器的規格之間的關系。

2.2偏磁分析模型

本文采用的是CAD軟件建立電流偏磁的仿真模型，使用Matlab軟件來計算接地極土壤的電位。通過建立土壤結構模型來計算大地電位值，根據土壤結構情況來確定加入變電器等效電路的情況。

三、不同土壤電阻率對大地電位及直流偏磁的影響

接地極附近的土壤電阻率以及經過電力設備的直流電流大小與通入土壤中的直流電流大小有著密切的關系。除此之外，在接地極土壤條件相同的情況下換流站接地點之間的距離也是影響直流電流大小的因素。本文主要從這兩個方面著手進行仿真實驗，希望能夠通過此實驗，為我國電力設備選擇合理的建筑地址提供參考依據。在實驗開始前需要對接地及附近的土壤進行采樣，將接地極附近的土壤分為兩層，保證兩層土壤的電阻率有明顯差別，選取兩份上、下級土壤做為探究土壤結構對直流偏磁影響的實驗材料。將選取的兩份土壤采用控制單一變量的原則進行區分，第一組實驗材料僅考慮上層土壤電阻率的變化，第二次組材料僅考慮下層土壤電阻率的變化。第一組材料的下層土壤和第二層材料的上層土壤分別按照等梯度的電流變化進行實驗，設置接電極電流的起始值為3500A。通過對實驗數據的觀察分析可以看出：上層土壤電阻率一定的情況下，下層土壤的電阻率與土壤電位分布呈正相關，既土壤的電阻率越大，電流在土壤的電位值也越大。當下層土壤電阻率不變的情況下，上層土壤電阻率與土壤電位分布成也呈正相關，但是其增長的幅度較之前有大幅度的降低。并且在土壤結構和電阻率不變的情況下，接入土壤的電流值越大，則土壤電位的值也越大。并且土壤電位值的增加會導致勵磁電流畸變程度的增加。由此可以得出以下結論：直流偏磁狀態下勵磁電流會發生畸變現象，畸變程度與直流電流呈正向相關。畸變程度越大，直流電流的值也越大，進而產生的直流電磁效應也就越強烈。

四、結束語

在選擇變電站地址的時候，需要首先建立直流輸電接立即與變電站之間的土壤結果模型，通過相關信息的采集，計算可能存在的偏磁電流和畸變率，通過計算的數據和研究結論合理地確定變電站的選址。減少直流輸電接地極附近土壤結構對變電器直流偏磁的影響，促進我國電力事業的不斷發展。

參考文獻：

[1]劉春明，黃彩臣，潘明明，楊嘉楠，閆旭東. 抑制變壓器直流偏磁的電容隔直裝置優化配置[J]. 高電壓技術，2016（07）

[2]劉從法，殷飛，周楠，魏德軍，梁明. ±1100 kV古泉換流站接地極對變壓器直流偏磁的影響[J]. 電力工程技術，2018（03）