變壓器直流偏磁在線監測系統在遼寧電網的應用

王茂軍，劉 齊

(1.營口理工學院，遼寧 營口 115014；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

呼倫貝爾至遼寧±500 kV直流輸電工程起點位于內蒙古伊敏換流站，終點位于遼寧穆家換流站，線路全長908 km，額定輸送容量300萬kW，是我國首個采用直流輸電技術的煤電基地電力外送工程。該輸電工程作為東北電網“十一五”主網架的重要組成部分，在東北電網中具有十分重要的地位和作用。呼遼直流系統采用雙極運行方式，但在調試或者故障情況下，不可避免要從雙極運行方式切換到單極運行方式，此時將會有高達幾百甚至幾千安培的電流從直流接地極注入大地，造成遼寧電網部分變電站的中性點接地變壓器出現直流偏磁問題，導致相關變壓器出現損耗和溫升增加，噪聲增大，振動加劇；并可能造成系統電壓降低，繼電保護誤動作等情況，嚴重危害變壓器和電網的安全穩定運行[1-3]。

目前，遼寧電網變電站運維人員監測變壓器直流偏磁的方法主要是使用鉗形電流表對變壓器中性點接地引出線的電流進行定期巡檢測量，通過測量結果來判斷變壓器是否存在直流偏磁問題。但在現場強電磁環境干擾下，鉗型電流表檢測結果的準確性和重復性都存在問題，而且當呼遼直流系統單極運行時，可能會導致該系統兩側換流站接地極附近及線路沿線的多個變電站中性點接地變壓器出現直流偏磁現象。此時，運維人員需要分別到受影響的多個變電站進行測量，這種方法不僅費時費力，而且無法及時有效地掌握受直流偏磁影響變壓器的分布范圍及受影響程度[4]。因此為提高電網直流偏磁的監測技術和預警水平，本文研制開發一種變壓器直流偏磁在線監測系統，以滿足智能運檢建設和現場實際需求。

1 在線監測系統概述

在線監測系統由霍爾電流傳感器、監測主機、變電站后臺屏柜和設備運檢部門的監控中心組成[5-6]，如圖1所示。高精度可拆卸的霍爾電流傳感器用于測量流經變壓器中性點接地引線處的直流電流；監測主機通過對電流傳感器二次側轉換輸出的模擬電流信號進行提取，數字化處理來實現監測功能，監測主機不僅可以顯示和存儲監測信息，還可通過RS-485總線將監測信息傳送到變電站后臺進行詳細分析和展示；變電站后臺通過電力調度數據網將監測信息上送至遠方的設備運檢部門的監控中心；監控中心對監測裝置的測量周期、通信參數、報警閾值和時鐘等工作參數進行遠程設置，實現對變電站內變壓器直流偏磁現象的遠程實時監控[7]。

圖1 變壓器直流偏磁在線監測系統結構

a.霍爾電流傳感器

采用HNC40HKC系列霍爾電流傳感器，該傳感器額定量程為直流-40～40 A，經轉換后二次側輸出直流為4～20 mA。4 mA代表傳感器能夠保證精度的最小測量范圍為-40 A；12 mA代表傳感器原邊直流電流為0；20 mA代表傳感器能夠保證精度的最大測量范圍為40 A。

b.監測主機

監測主機主要由數據采集模塊、控制器模塊、顯示屏、時鐘模塊、存儲模塊及通信模塊等組成[8-9]，如圖2所示。

圖2 監測主機組成

由于傳感器數據經過監測主機信號轉換和調理、數據計算處理等環節存在累積誤差，為驗證監測裝置整體測量精度，裝置在遼寧省計量科學院進行第三方性能測試。實驗室測試數據如表1所示。

表1 實驗室測試數據 單位：A

由表1可知，監測裝置量程為直流-40～40 A，測量精度滿足設計和現場實際要求。考慮到監測裝置工作在電磁環境惡劣的500 kV變電站，通信電纜RS-485會受到現場操作、雷電過電壓和復雜電磁干擾的影響，為保證通信的可靠性，對RS-485通信端口設計了必要的硬件防護措施，其保護電路如圖3所示。

圖3 RS-485通信端口保護電路設計方案

保護方案說明如下：①通信接口采用二級保護電路，每級都采用差模、共模保護，具有高性能、高可靠性；②第1級保護采用陶瓷氣體放電管用于浪涌電流釋放；③第2級保護采用瞬態抑制二極管TVS，能將過電壓降到被保護器件承受的電壓范圍；④第1級保護和第2級保護的協調和電流保護通過自恢復保險絲完成。

c.變電站后臺屏柜

目前遼寧電網大部分220 kV以上電壓等級的變電站機房內均安裝狀態接入控制器作為在線監測系統的統一后臺，該后臺能以標準方式對變電站內各類綜合監測單元或狀態監測裝置進行狀態監測信息的獲取、轉發及控制，可用于就地采集與轉發變電站內與狀態監測相關的其他數據。直流偏磁監測數據按照要求接入狀態控制器，通過該控制器實現數據的就地監視、存儲和遠傳等功能[10]。

2 實際應用

在線監測系統已經在國網遼寧徐家500 kV變電站得到應用，主要監測變電站內2臺主變壓器中性點直流分量的大小和方向，以此來判斷變壓器是否存在直流偏磁現象。

徐家變電站有2組三相分體主變壓器，每組主變壓器的中性點均通過電抗器接地，為了防止中性點電流分流，霍爾電流傳感器安裝在電抗器接地銅排上，用于測量流入主變壓器中性點的直流分量，同時為了防止變壓器中性點過電壓時擊穿傳感器，在傳感器與變壓器接地銅排間進行絕緣處理，使其能承受短時過電壓脈沖，如圖4所示；監測主機安裝在電抗器的金屬支架上，與傳感器相連接，如圖5所示；狀態接入控制器安裝在變電站內機房，主要負責各路監測數據的集中處理和對各監測裝置進行配置和管理等工作，如圖6所示。

圖7為徐家500 kV變電站1號主變壓器某時間段的中性點直流分量現場監測數據，監測裝置按照默認設置的采樣間隔，每1 h采集1次數據，按照規程要求，監測裝置預設置了“注意值1 A”和“報警值3 A”。由圖7可知，該時段變壓器中性點直流電流均在注意值以下，最大值為200 mA，未引起直流偏磁現象。

圖4 霍爾電流傳感器安裝現場

圖5 監測主機安裝現場

圖6 狀態接入控制器

圖7 徐家變電站直流偏磁在線監測數據

3 結語

目前，變壓器直流偏磁在線監測系統已經在500 kV徐家變電站現場運行近3年，現場應用情況表明，本裝置設計合理、長期運行可靠性高，解決了該站2組變壓器(3×250 MVA及3×334 MVA的變壓器各1組)直流偏磁現象無法進行有效實時監測的問題，充分滿足了現場實際需求。此外，裝置還陸續在遼寧500 kV王石變電站、220 kV牛莊變電站、220 kV劉二堡變電站等試點變電站得到推廣應用，為遼寧電網變壓器偏磁抑制方案的研究奠定了堅實的基礎。