变压器直流偏磁抑制设备的应用分析

张 露，阮 羚 ，潘卓洪，鲁海亮 ，文习山

（1.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072；2.湖北省电力公司 电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

直流输电因为输送距离长、输送容量大、损耗小、便于异步联网等优点在我国得到了越来越多的应用［1-2］。直流输电在调试或故障情况下可能会有大量电流通过直流接地极流入大地，可能导致交流电网内变压器直流偏磁危害，给电网的安全运行造成一系列不良影响［3-6］。

我国电网规模庞大，结构复杂，多个交直流输电网络共存。尤其是伴随我国高压直流输电工程项目的日益增多，直流输电工程单极投运时间、故障/检修造成的单极大地回线运行总时间大幅增加，变压器遭受直流偏磁的风险也大幅增加。

国内的学者对入地直流电流在交流电网中的分布问题已做了大量的研究［7-15］，另外，针对变压器直流偏磁问题，国内外的学者提出了众多的抑制方法［16-23］。

目前研究表明直流输电不可能完全避免直流偏磁危害，采用合理有效的抑制措施是保证交流电网安全运行的关键。目前，抑制交流电网直流电流分布的措施主要有变压器中性点串联电阻/电容法、直流电流注入法。从理论的角度来看，变压器中性点串联电容/电阻方法和电流注入法并不存在理论障碍，但从应用效果来看，抑制措施的选取、参数整定、效果评价均没有形成统一准则。研究如何限制变压器绕组上的直流电流，对于确保电力系统及其他电力设备的安全运行将起到非常重要的作用，经济效益和社会意义十分重大。

借助对抑制措施的理论分析和数值求解，本文将揭示上述抑制方法的工作原理、实施方式、性能和效果，从而为更好地开展直流偏磁的防治工作提供参考。

1 虚拟电网直流电流分布算例

本文采用的仿真模型与算法可以参考文献［7-15］。由于目前的变压器中性点直流电流监测网络的覆盖范围有限，故本文参考蒙特卡洛算法的思想，随机生成一个虚拟的大型电网，并在此基础上进行抑制措施模型的理论分析和数值求解。

本文生成的虚拟交流电网覆盖面积为400 km×250 km。电网内共有35个500 kV变电站（使用自耦变压器）和350个220 kV变电站。所有变电站随机分布在电网覆盖区域，所有500 kV和220 kV变压器中性点均直接接地运行，电网的地理信息接线图如图1所示。

图1 交流电网的地理信息接线图Fig.1 Geographic information wiring diagram of AC grid

图1中，圆点表示变电站，直线表示线路，小方框表示直流极（后同）。同一电压等级网络连接关系按某一特定原则确定，如500 kV网络的地理信息接线图见图2。线路长度取变电站间距离的1.4倍，500 kV自耦变压器公共绕组和串联绕组的阻值为0.05 Ω，220 kV绕组阻值为0.1 Ω。本文约定500 kV变电站接地电阻为0.378 Ω，220 kV变电站接地电阻为0.522 Ω。交流电网覆盖区域的等效土壤参数如表1所示。

图2 500 kV网络的地理信息接线图Fig.2 Geographic information wiring diagram of 500 kV network

表1 水平4层土壤的参数Tab.1 Parameters of 4-layer horizontal soil

2 变压器直流偏磁风险的评估量

变压器直流偏磁问题是非常复杂的非线性现象，目前难以形成统一有效的直流偏磁风险评估标准。变压器中性点直流电流是直流偏磁风险评价的重要依据，但中性点直流电流不能反映自耦变压器串联绕组上的直流电流。因此本文作如下约定：不考虑自耦变压器串联绕组直流电流的方向，取整个电网自耦变压器串联绕组直流电流总量Is，Is可细分为500 kV串联绕组直流总量Is500和220 kV串联绕组直流总量Is220。定义500 kV公共绕组入地方向（从中性点流入地网）直流总量IN500+和出地方向（从中性点流出地网）直流总量IN500-，类似有220 kV变电站220 kV绕组的IN220+和IN220-。定义220 kV变电站入地电流总量为I220+，出地总量为I220-。由于交流电网为直流无源网络，故绕组入地直流电流总量与出地直流电流总量应相等，任取其一作为电网中性点直流电流总量Iz。

本文算例除了对单一站点的抑制效果作分析外，也对交流电网的变压器绕组直流电流分布作分析，抑制措施能否总体上抑制交流电网的直流电流分布也有了量化的判定依据。

3 中性点串联电阻/电容方法

直流电流是从变压器接地的中性点进入交流电网的，故增大中性点支路直流电阻或者是隔断其直流通路是抑制直流电流进入电网的最有效手段。中性点串联电阻/电容方法的模型非常简单，中性点串联电阻法是在变压器中性点和变电站节点间接入电阻支路，电容法只是断开变压器中性点与变电站节点间的支路。

3.1 电容法的仿真分析

仿真时选取距离直流极最近的220 kV变电站M135作为电容法的实施对象。直流极附近220 kV变电站中性点直流电流分布的计算结果如图3所示，图中只显示中性点电流大于9 A的站点，“-”后的数字为相应站点中性点电流（A），后同。

图3 局部220 kV变电站中性点电流分布Fig.3 Neutral-point DC distribution of partial 220 kV substations

对比图 3（a）和（b）可以发现，变电站 M135 采用电容隔直后，与其有线路联系的变电站中性点直流电流均出现了增大的现象，不过其他变电站未受明显影响。这是由于变电站M135采用措施前对与其有线路连接的变电站输出电流，从而补偿了这些变电站的中性点直流电流。

电网总体直流分布参数如表2所示。

表2 电网的总体直流电流分布Tab.2 Total DC distribution of grid

图3和表2表明，虽然中性点串联电容可能会造成交流电网局部直流电流增加，但交流电网总体直流电流分布呈现下降趋势。

再观察500 kV变电站的直流电流分布，500 kV变电站中性点的直流电流分布计算结果见图4。

图4 局部500 kV变电站中性点电流分布Fig.4 Neutral-point DC distribution of partial 500 kV substations

从图4可以看出，采用电容法后，500 kV中性点的直流电流分布有所增加。与变电站H30的中性点直流电流较未采用措施时大接近20 A；相反地，变电站H30串联绕组的直流分布因220 kV变电站中性点串入隔直电容而下降超过20 A，如图5所示。

图5 500 kV变电站串联绕组电流分布Fig.5 Current distribution of series winding in 500 kV substation

图4和图5表明，变电站H30串联绕组和公共绕组的直流电流变化相互抵消，本文近似认为220 kV变电站M135采用电容隔直基本不改变500 kV变压器铁芯直流磁通。

3.2 电阻法的仿真分析

对本文随机算例中变电站M135使用电阻法，计算结果见表3。

计算结果表明，采用中性点串联电阻抑制直流和电容法一样可能会造成交流电网局部（中性点和串联绕组）直流电流增大，但交流电网总体直流分布仍呈现下降趋势，但串入电阻阻值对目标变电站中性点直流电流和电网中性点直流总量存在饱和效应，即当电阻增大至某一程度时（一般是大于5～10倍接地电阻），直流电流不会明显下降，这一现象可以使用电路理论来解释：假设当外接负载远大于电源内阻时，回路电流近似与负载电阻成反比。电阻阻值取无穷大时，电网直流电流分布和电容法相同，这与电路理论分析结论一致，即电容法相当于电阻法阻值取无穷大的情况。

3.3 中性点串联电阻/电容方法的实施方式

经过大量算例和实践检验，大规模交流电网大范围采用抑制直流电流措施的原则如下：

a.中性点串联电阻/电容方法应从中性点直流电流最严重和距离直流极最近的站点入手；

b.若仿真计算与实测结果有出入，仍然按照原则a开展抑制工作；

c.交流电网抑制直流后，若仍有站点超标，则沿用原则a继续开展抑制工作，直到所有站点达标为止；

d.在抑制工作已开展但电网参数改变的情况下，抑制直流分布工作仍应按原则a进行。

4 电流注入法

电阻/电容法是无源方法，而电流注入法属于有源方法，其本质是通过变压器中性点注入电流补偿变电站线路间电位差，它最突出的优点是不改变中性点状态。过去对电流注入法的研究不多，这妨碍了电流注入法的应用。南方某500 kV变电站曾由于控制原则选择不当和参数调整时裕度不足，发生了电流发生器烧毁事故，最后不得不取消所有500 kV变电站的电流注入法抑制方案。

下面对本文的随机算例中的220 kV变电站M135实施电流注入法。电流注入法的补偿接地极位于变电站正东方1 km处，调整注入电流，观察补偿站中性点直流电流变化，计算结果见表4。

表4 电网的直流电流分布Tab.4 DC distribution of grid

表4、图6和图7表明，补偿站中性点直流电流总量与注入电流呈现线性变化；交流电网中性点直流电流总量与注入电流呈现两段式线性变化关系（先减再增），拐点（最小值）就是补偿站中性点直流电流总量过零点对应的注入电流。

图6 补偿站中性点直流总量随注入电流的变化Fig.6 Total neutral-point DC of compensation substation vs.injected current

图7 交流电网中性点直流总量随注入电流的变化Fig.7 Total neutral-point DC of AC grid vs.injected current

图8为电流注入法全补偿情况下，500 kV变电站中性点电流分布（仅显示中性点电流大于9 A的站点），其和图4（b）非常相近，事实上，从整个电网的直流电流分布的角度来看，全补偿的电流注入法和电容法没有太多区别，工程上两者抑制效果是一样的。

图8 500 kV变电站中性点电流分布Fig.8 Neutral-point DC distribution of 500 kV substations

5 电阻法、电容法和电流注入法的对比

3种方法对本文虚拟电网直流电流的抑制效果见表5。综合前文的算例，表5数据表明，中性点串联电阻/电容法和电流注入法均可使交流电网直流电流总量下降，原因是中性点串联电阻/电容法相当于在整体上增大了交流电网地上直流网络的等效电阻，起到抑制直流电流从接地网进入交流电网的作用；电流注入法相当于从整体上降低了地下网络的电源幅值，从而使交流电网的直流电流总量下降。

表5 3种方法抑制效果的对比Tab.5 Comparison of restraint effect among three methods

3种方法的性能对比如下：

a.电阻/电容法属于无源方法，通过增大中性点支路直流电阻或者是隔断其直流通路从而抑制直流电流进入电网；电流注入法属于有源方法，其本质是通过变压器中性点注入电流补偿线路两端变电站中性点间压降。

b.3种方法均会造成交流电网局部（中性点和串联绕组）直流电流增大，但交流电网总体直流分布仍呈现下降趋势；电阻法对目标变电站中性点直流电流和电网中性点直流总量存在饱和效应，阻值取无穷大时，电网电流分布和电容法相同；补偿站中性点直流电流总量与注入电流呈现线性变化，交流电网中性点直流电流总量与注入电流呈现两段式线性变化关系，拐点就是补偿站中性点直流电流总量过零点对应的注入电流；从电网的直流电流分布的角度来看，全补偿的电流注入法和电容法没有明显区别，工程上两者抑制效果是一样的。

c.电流注入法在实际运行时采用欠补偿的方式运行（即注入电流增加至中性点直流电流小于某一限值就不再增加），故在实际情况下是电容法优于电流注入法。

d.3种方法中，电阻/电容法性能较优且可靠性和经济性较高，电流注入法造价昂贵且可靠不高，3种方法均不能完全抑制自耦变压器串联绕组的直流电流。

6 结论

a.使用电流注入法时，补偿站中性点直流电流总量与注入电流呈现线性变化，交流电网中性点直流电流总量与注入电流呈现两段式线性变化关系，电网最小电流总量对应的注入电流就是补偿站中性点直流电流过零点对应的注入电流。

b.分析了3种方法的实现方式和技术参数，证明了采用抑制措施后，交流电网局部直流偏磁危害加剧，但电网直流电流总量下降，总体上直流偏磁风险下降。

c.为了更有效地开展直流偏磁治理工作，提出了大规模交流电网大范围采用电阻法/电容法抑制直流偏磁的原则。

d.对比分析了3种方法的性能，电阻法对目标变电站中性点直流电流和电网中性点直流总量存在饱和效应；全补偿的电流注入法和电容法的抑制效果没有明显区别；实际情况下是电容法优于电流注入法和电阻法。