電廠主變壓器直流偏磁影響分析及對策

李吉生

（大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518124）

0 引言

隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，單極大地返回運(yùn)行方式下直流接地極入地電流對周邊地面、地下導(dǎo)體以及交流電網(wǎng)的不利影響日益突出[1-2]。消除高壓直流輸電系統(tǒng)單極運(yùn)行對電廠主變壓器的影響，對保證機(jī)組的安全運(yùn)行具有重要意義。

廣東省某廠區(qū)擁有較大面積的主接地網(wǎng)，接地狀況良好，且靠近海邊，接地電阻較小，主變壓器處于較理想的電位低洼處。由于該廠區(qū)位于廣東電網(wǎng)末端，電流通過500 kV 線路呈流入趨勢。近幾年，持續(xù)監(jiān)測了廠區(qū)主變壓器中性點(diǎn)直流電流，最大直流電流約15 A。本文以該廠區(qū)為例，分析了直流系統(tǒng)單極運(yùn)行時(shí)廠區(qū)附近局部交流電網(wǎng)的直流電流分布，通過分析變壓器直流偏磁的影響因素，比較抑制直流偏磁的措施，制訂適用于該廠區(qū)主變壓器的直流偏磁治理方案。

1 交流電網(wǎng)直流電流分布模型

1.1 土壤模型及電廠地表電位的簡化處理

計(jì)算地中直流電流分布時(shí)，最常用的土壤模型是水平分層模型，文獻(xiàn)[3]將土壤導(dǎo)電特性簡化為不同層數(shù)的水平分層結(jié)構(gòu)。為獲得合適的土壤模型，本文采用四極法和大地電磁測深法（Magnetotellu?ric Mehtod，MT）測量土壤電阻率，之后通過共軛梯度法、信賴域法、粒子群法等對分層土壤模型參數(shù)（層電阻率和厚度）進(jìn)行反演。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)和反演計(jì)算，將四極法和MT法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行整合，獲取由淺至深的土壤結(jié)構(gòu)，構(gòu)建適用于交流電網(wǎng)直流電流分布計(jì)算的土壤模型。廣東省境內(nèi)的直流接地極概況如表1所示。具體的分層土壤模型參數(shù)如表2所示。

表1 廣東省境內(nèi)的直流接地極概況

表2 深圳—惠州、長翠村、魚龍嶺、莘田和天堂地區(qū)分層土壤模型參數(shù)

觀音閣使用深圳—惠州的土壤模型，長翠村使用滇西北—長翠村接地極附近的土壤模型，魚龍嶺、莘田、天堂統(tǒng)一使用水平四層土壤模型。調(diào)研結(jié)果表明，當(dāng)距離直流接地極5 km 時(shí)，典型土壤結(jié)構(gòu)第一層中流過電流僅占總?cè)氲仉娏鞯?.61%；當(dāng)距離直流接地極100 km時(shí)，第四層中流過電流占總?cè)氲仉娏鞯?0.92%[4]。因此采用四極法測淺層土壤結(jié)構(gòu)時(shí)，只需測量直流接地極周邊5 km 以內(nèi)即可；采用MT 法測深層土壤結(jié)構(gòu)時(shí)，只需測量直流接地極周邊100 km以內(nèi)即可。

1.2 變電站模型和線路模型

交流系統(tǒng)直流電流分布模型除土壤模型外，還包括變電站模型和線路模型。變電站模型可分為地上部分和地下部分，地上部分由電力元件構(gòu)成，主要包括母線、變壓器和中性點(diǎn)串聯(lián)設(shè)備；地下部分則按戴維南定理進(jìn)行等效。線路模型是連接變電站三相母線的3 條電阻支路，其關(guān)鍵參數(shù)是直流電阻和接線方式。線路直流電阻一般很小，故線路接線方式是直流電流分布的重要影響因素。交流電網(wǎng)直流電流分布模型如圖1所示。

圖1 交流電網(wǎng)直流電流分布模型

2 廠區(qū)的直流電流分布

2.1 計(jì)算條件

該廠區(qū)共有兩個(gè)電廠，1 號電廠有兩臺主變壓器T1、T2，1 回500 kV 出線，3 回400 kV 出線，其中500 kV和400 kV母線通過3臺自耦聯(lián)絡(luò)變壓器T3、T4、T5 形成互聯(lián)；2 號電廠有4 臺主變壓器T6、T7、T8、T9，4回500 kV出線。某廠區(qū)500 kV/400 kV 系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 廠區(qū)500/400 kV系統(tǒng)模型

2.2 直流電流分布計(jì)算

在直流偏磁仿真軟件中，計(jì)算2025年廣東電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下，觀音閣、魚龍嶺、長翠村、莘田和天堂直流接地極單極運(yùn)行時(shí)，該廠區(qū)各變壓器的直流偏磁電流計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 2025年變壓器直流偏磁電流計(jì)算結(jié)果 A

2.3 直流偏磁影響分析

從表3 可知，對廠區(qū)主變壓器影響最大的直流接地極是觀音閣，魚龍嶺、長翠村、莘田、天堂距離該廠區(qū)較遠(yuǎn)，影響相對較小。1 號電廠主變壓器T2和2 號電廠主變壓器T6—T9 受直流接地極單極運(yùn)行的影響大，1 號電廠主變壓器T1 和自耦聯(lián)絡(luò)變壓器T3—T5受直流接地極單極運(yùn)行的影響較小。

3 主變壓器直流偏磁的影響因素

3.1 兩條直流線路同時(shí)單極運(yùn)行

在廣東電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，兩條直流輸電線路同時(shí)采用單極大地返回運(yùn)行方式時(shí)，會加重電廠主變壓器的直流偏磁，直流偏磁電流為0.46～11.46 A，其中最嚴(yán)重的是觀音閣和魚龍嶺直流接地極同時(shí)流入/流出直流電流。

3.2 接線方式和變壓器中性點(diǎn)運(yùn)行方式的改變

接線方式的改變會影響直流電流分布，如線路投切等，將導(dǎo)致直流電流分布的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變，從而影響變壓器的直流偏磁。變壓器中性點(diǎn)的運(yùn)行方式也會影響直流電流分布，如變壓器中性點(diǎn)直接接地、經(jīng)直流電流抑制裝置接地、不接地或者經(jīng)小電阻/小電抗接地等。

3.3 接地電阻對直流偏磁的影響

變電站接地電阻會影響交流系統(tǒng)的直流電流分布，而直流接地極的接地電阻并不會影響交流系統(tǒng)的直流電流分布。

3.4 廠區(qū)近區(qū)變壓器直流抑制的相互影響

計(jì)算模型考慮了整個(gè)廣東電網(wǎng)的直流偏磁抑制措施使用后的情況，如果使用中性點(diǎn)隔直裝置，直流電流不再流入站內(nèi)。經(jīng)核算，與廠區(qū)有線路聯(lián)系的3個(gè)變電站的總?cè)氲刂绷麟娏鳠o明顯變化。廠區(qū)遠(yuǎn)離直流接地極，加裝隔直裝置，不會引起地表電位波動(dòng)，不會導(dǎo)致周邊站點(diǎn)出現(xiàn)新的直流偏磁風(fēng)險(xiǎn)。

4 直流偏磁的治理

直流偏磁電流是變壓器繞組的等效直流，是引起變壓器直流偏磁問題的直觀反映。在實(shí)際工程中，不同類型變壓器的直流偏磁電流不同。由于大型電力變壓器常采用3個(gè)單相變壓器組成三相變壓器組，鐵心結(jié)構(gòu)的限制使其最易受直流偏磁的影響，特別是1000 kV 特高壓變壓器和500 kV 變壓器。在實(shí)際工程中，大型變壓器一般使用性能優(yōu)良的冷軋硅鋼片，正常工作時(shí)磁導(dǎo)率和磁密點(diǎn)較高，發(fā)生直流偏磁時(shí)鐵心半周磁飽和程度更深，因此直流偏磁電流限值較低。研究表明，以直流偏磁電流作為評價(jià)指標(biāo)的變壓器直流偏磁治理結(jié)果的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)[5]。綜合廣東省、云南省、湖北省等的直流輸電工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，兼顧主電源安全可靠性要求，電廠主變壓器的直流偏磁電流限值取4 A。

從表3 可知，2 號電廠主變壓器T6—T9 的直流偏磁電流超過了安全閾值。若只對2號電廠4臺主變壓器進(jìn)行隔直，1號電廠2臺主變壓器直流偏磁電流將升高，其中T2 將超過4 A；反之，若只對1 號電廠2臺主變壓器進(jìn)行隔直，則2號電廠4臺主變壓器直流偏磁電流將升高，且均超過4 A；將兩個(gè)電廠6臺主變壓器都隔直后，直流偏磁電流均在安全閾值內(nèi)，但3臺聯(lián)絡(luò)變壓器的直流偏磁電流接近4 A；將6臺主變壓器和3 臺聯(lián)絡(luò)變壓器全部隔直后，直流偏磁電流均在4 A內(nèi)。2025年不同工況下，電廠的主變壓器直流偏磁計(jì)算結(jié)果見表4。

5 直流偏磁抑制方法分析

目前，交流電網(wǎng)直流電流的抑制措施主要有變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)電容法、串聯(lián)電阻法、直流電流注入法[6]，以及其他直流偏磁治理的優(yōu)化措施[7-9]。

（1）在變壓器中性點(diǎn)加裝小電阻、電容或同時(shí)加裝電阻和電容，通過加裝隔離或限制裝置來抑制直流偏磁。該方法需要考慮對主變壓器、發(fā)電機(jī)保護(hù)設(shè)備定值的影響，以及對主變壓器中性點(diǎn)絕緣承受能力的影響。

表4 2025年不同工況下變壓器直流偏磁電流 A

（2）通過電容隔直裝置與可控硅裝置的配合來抑制直流偏磁。在系統(tǒng)/設(shè)備故障的情況下，通過控制回路切換到金屬導(dǎo)體直接接地導(dǎo)通，確保故障電流通過，避免過電壓對變壓器及保護(hù)定值的影響。

（3）在變壓器中性點(diǎn)注入相反方向的直流電流，改變變壓器中性點(diǎn)電位，從而抵消直流干擾電流。該方法有一定效果，但需要的直流抵消電流較大，只有20%的抵消效果，且需要一個(gè)閉環(huán)的監(jiān)測反饋系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測中性點(diǎn)直流，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果提供補(bǔ)償電流的極性和大小。從整個(gè)電力系統(tǒng)的角度來看，如果通過改變某些變壓器中性點(diǎn)電位來解決變壓器直流偏磁問題，直流電流可能會轉(zhuǎn)移至其他變壓器，有一定的局限性。

（4）在電廠所有輸電線路的出口串聯(lián)裝設(shè)電容器進(jìn)行直流電流隔離，該方法難以完全阻斷直流的影響，同時(shí)在線路上裝設(shè)串補(bǔ)電容，造價(jià)高，會使線路故障率增大，維護(hù)工作量增加。

綜合分析，廠區(qū)6臺主變壓器應(yīng)加裝隔直裝置，隔直裝置推薦采用利用中性點(diǎn)串聯(lián)電容器，并將放電間隙、整流橋、晶閘管和機(jī)械開關(guān)并聯(lián)構(gòu)成的中性點(diǎn)直流隔直裝置，該裝置可以同時(shí)避免對變壓器本體和發(fā)變組保護(hù)定值的影響。3臺聯(lián)絡(luò)變壓器的直流偏磁電流非常接近安全閾值，建議可考慮加裝隔直裝置或加強(qiáng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。

6 結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)內(nèi)主變壓器和特高壓直流輸電線路逐漸增多，變壓器直流偏磁現(xiàn)象也會越來越普遍。本文分析了廣東省境內(nèi)多個(gè)直流輸電工程對廠區(qū)主變壓器的影響，采取相應(yīng)的治理措施后，消除了電廠主變壓器的直流偏磁影響，治理措施對于同處類似電網(wǎng)的變壓器直流抑制具有借鑒意義。