500 kV变压器中性点交直流分量分析

李沛准，陈创，罗小丹

(1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院，广州 510663；2.中国南方电网公司广州供电局，广州 510600)

500 kV变压器中性点交直流分量分析

李沛准1，陈创2，罗小丹1

(1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院，广州 510663；2.中国南方电网公司广州供电局，广州 510600)

500 kV自耦变压器中性点加装小电抗是解决电网单相短路电流超标的有效措施之一。工程中需要分析主变中性点交直流分量，研究在投切过程中中性点的暂态电压变化，以此确定小电抗的投切方式。研究中以某500 kV变电站加装小电抗实际工程为例，实测变压器中性点的交直流数据，分析了中性点交直流分量的特点及其来源。通过仿真分析研究了投切电抗器带来的中性点的暂态电压变化，并给出了中性点刀闸的参数选择要求。

中性点小电抗；交直流分量；投切方式；中性点刀闸

0 前言

近年来广东电网装机容量不断增加，网架结构增强，同时也出现了短路容量超标的问题。部分500 kV变电站甚至出现单相短路电流高于三相短路电流的现象，成为限制电网运行和发展的主要问题之一。

解决单相短路电流超标问题，一种有效的措施是在500 kV自耦变压器中性点加装小电抗[1-2](下文简称加装小电抗)。通过加装小电抗，有效控制了电网单相短路电流水平增长，提高了运行方式的灵活性。在工程建设中，变压器中性点的交直流分量及中性点小电抗投切方式都是需要分析研究的问题。

文中首先介绍了加装小电抗工程的电气接线，分析了两种投切方式。以500 kV广南变电站 (以下简称广南站)为例，在研究该变电站中性点交直流分量实测值的基础上，分析了中性点电抗器投切的相关过程，最后给出了中性点刀闸的参数选择要求，并对下一步需开展的工作给出建议。

1 中性点电抗器电气接线

加装小电抗器工程电气接线如下。

图1 加装小电抗电气接线

500 kV自耦变压器中性点与主地网间串接小电抗，在小电抗前并联放电间隙、避雷器，在小电抗两端装设旁路刀闸K1。通过旁路刀闸K1，变压器可以实现直接接地和经小电抗接地之间的切换。小电抗后串接低压零序电流互感器和直流电流测量装置，保证变压器在两种接地方式下均能监测到中性点电流。

在该种接线方式下，中性点小电抗有两种投切方式。一种是小电抗与主变同投停，旁路刀闸K1仅在小电抗检修时起作用，鉴于干式空芯小电抗事故率较低，其检修考虑结合主变的停电试验或检修进行。根据国家电网中国电力科学研究院研究报告[3]，带小电抗合空载变压器，主变中性点的操作过电压最高值为78.6 kV。广东电网公司500 kV主变中性点耐压水平如下：一分钟工频耐压140 kV(有效值)，雷电冲击全波耐受电压350 kV(峰值)。根据研究报告，采用带小电抗直接投主变的方式，操作过电压小于主变1分钟工频耐压值，且有较大裕度，对主变不会产生不利影响。

中性点小电抗的另一种投切方式是通过刀闸K1投切。主变投运时，先合上中性点接地刀闸K1，主变从高压侧或中压侧充电，待主变过渡过程稳定后再分开K1，此时小电抗即发挥作用。退出主变时，先合上K1，再分开主变各侧开关。分、合K1前应检查中性点有无明显交流和直流电流。

小电抗投切过程中，主变中性点的交直流分量基本较小，一般在20 A以内。但某些变电站受交流负荷不平衡及直流线路单极大地回路运行影响，主变中性点的交流及直流分量较大。广南站加装小电抗的过程中，遇到了#1自耦变压器中性点交直流分量偏大，给小电抗投运带来困难的问题。

2 中性点交直流分量分析

2.1 加装中性点小电抗概况

电站有500 kV变压器3组，站内完成了#3、#4变压器中性点电抗器的投运。在接下来#1主变中性点设备投运过程中，站内测得#1主变中性点交流分量及直流分量均偏大的问题，需要对中性点交直流分量及刀闸投切能力进行分析。

2.2 变压器中性点交流分量分析

研究过程中对广南站主变中性点4月底至8月初记录得到的数据进行分析。录波装置每隔1个小时记录一次数据，录得主变中性点交直流分量有效值。其中#3、#4主变中性点交流数据如下：

图2 #3变压器中性点交流分量

图3 #4变压器中性点交流分量

分析图2以及图3可知，#3、#4变压器中性点交流分量在4月份主要分布于10～25 A之间。5月初小电抗投产后，交流分量有明显的降低，主要分布于0～5 A之间。主要原因是小电抗投入之后，#3、#4变压器中性点与地网之间由直接接地变为由15 Ω电抗器接地，中性点对地的交流阻抗增大，该交流不平衡分量的通路受到抑制。#1变压器交流分量录波如下：

图4 #1变压器中性点交流分量

由图4可知，#1变压器中性点交流分量一直偏大，4月份处于20～60 A之间。其中性点电抗未与#3、#4变压器中性点设备同期投入。在5月初#3、#4变压器小电抗投产初期，#1变压器中性点交流分量变化不显著，后至7月、8月份开始逐步上升，部分值甚至达到60～80 A。原因可从两个方面进行分析：

1)由系统接线图可知，广南站220 kV采取分母运行，#3、#4变压器接入#5M、#6M，所接220 kV出线为谭村甲乙、黄埔电厂甲乙、瑞宝甲乙；#1变压器接入#1M、#2M，该两段母线下的芳村甲乙线经芳村站后转供昌岗站、广铁站、铁南牵引站。芳村站附近的鱼窝头牵引站与广南站# 1M、#2M也存在电气联系。铁路牵引站下带电力机车牵引负荷为波动性很大的大功率单相整流负荷。由于电力机车的非线性、单相、冲击特性，电力机车运行过程中会产生大量的谐波和负序电流[4-5]。谐波如不能得到及时有效的治理，将注入电力系统，造成电网三相负荷不平衡，反映到电网变压器中性点即为交流分量偏大。

2)500 kV变压器为自耦变，高中压侧公用一个中性点，高中压侧除存在磁耦合外，也存在电气联系。#3、#4变压器中性点电抗器投入之后，由于其中性点对地交流阻抗变大，交流不平衡分量趋于流向交流阻抗更低的通路。因此5M、6M所带负荷中的不平衡电流经过#3、#4变压器与#1变压器高压侧联系后串入了#1变压器中性点，造成#1变压器中性点交流分量逐步增大。

2.3 变压器中性点直流分量分析

直流分量方面，#3、#4变压器中性点直流值集中分布于-5 A～+5 A之间，少部分处于+5 A～+ 10 A以及-10 A～-5 A之间。#1变压器中性点直流值分布于0 A～+20 A之间，且有部分处于+20 A～+40 A之间。#3、#4及#1变压器中性点直流分量数据如下：

图5 #3变压器中性点直流分量

图6 #4变压器中性点直流分量

图7 #1变压器中性点直流分量

由图5～图7可知，变压器中性点电抗投入之后，#1、#3、#4变压器中性点直流分量并无明显变化。且#1变压器中性点直流分量较#3、#4偏大。原因分析如下：

1)根据小电抗器厂家设备数据可知，小电抗的直流电阻值约为0.02 Ω。该数值对直流阻抗的影响较小，因此#3、#4变压器中性点直流分量在小电抗投入前后变化不大。

2)变压器中性点直流分量，普遍认为是由直流系统采用大地回线运行方式造成的[6]。特别是当直流输电系统采用单极大地回线方式运行时，直流输送电流由接地极注入大地。若两个交流变电所位于接地极的电流场范围内且电势不同，所内变压器采用直接接地，直流电流将从一个变电站得变压器中性点流入，在另一个变电站的变压器中性点流出，引起变压器直流偏磁。直流偏磁会给变压器带来磁饱和、振动及噪声增大等问题[7]。

南方电网内直流系统采用单极大地回线作为一种过渡运行方式，仅仅在部分时刻采用。2011年5月～8月份，查对相应时刻下广南站各组变压器中性点直流分量数值，基本无大幅增加，最大值 (绝对量)分别为+28.71 A，、-8.13 A(#3变压器、-10.87 A。在直流线路单极大地回线运行其他时刻，变压器中性点直流分量均较小。而由图5至7可以知，在5月～8月时间段内，广南站各组主变中性点直流分量一直存在，且最大值(绝对量)出现的时刻背离直流线路采用单极大地运行方式的时刻。就所研究时间段的内直流分量数据而言，广南站各组主变中性点直流分量与直流系统采用单极大地回线方式联系并不紧密。

实际上，流经交流变电站各变压器的直流电流的大小计算是一个复杂的过程，不仅与接地极的距离有关，同时与土壤导电性能、电力系统网络接线及参数 (主变容量及台数、导线地线型号及长度、各变电站接地电阻)等均有关系[8]。从直流通路方面分析，广南站各组变压器中性点可认与同一个地网直接相连 (#3、#4变压器中性点电抗的直流电阻可以忽略)，而各组变压器中性点直流分量并不同，特别是#1变压器中性点直流分量明显大于其它两组主变，说明中性点直流分量大小与交流系统的接线方式有关。

电站各组主变高压侧均接入同一个500 kV系统，由高压侧引入的直流分量对各组主变影响可认为一致。各组主变中压侧则因220 kV母线分段接入了不同的220 kV网络。因此下一步需要详细研究直流接地极通过220 kV网络与广南站交流地网之间的耦合关系。另外#1变压器所接的#1M，#2M下带部分铁路牵引站，其再下一级负荷为地铁线路用的35 kV变电站。这部分变电站将电网提供的35 kV电源降压、整流为地铁轨道交通用的DC750V或DC1500V电源。由于地铁直流侧负荷阻抗的不稳定性，地铁直流侧电压及电流容易产生振荡[9]，在该过程中，是否会因牵引变电站的隔离不及时，引起直流分量传递到上一层的电网系统当中，也需要做进一步的研究。

3)再次研究中性点直流分量数据可以发现，每日凌晨0：00至早晨5：00的时间段内，广南站各组主变中性点直流分量均较低且数值平稳，其中#1变压器中性点直流分量处于-1 A～0 A之间，其他时间段直流分量绝对数值较大且变化较快。而凌晨时间段内负荷处于波谷，进一步表明广南站变压器中性点直流分量与该变压器下带的负荷存在关联。直流分量较低的这个时间段，为广南站#1变压器中性点电抗的投入提供了良好的时间窗口。

3 中性点接地刀闸投切过程分析

投入小电抗之前，旁路刀闸K1闭合，变压器充电，此时K1中流过交流不平衡分量i，K1两端电压近似为零。待主变充电到达稳态后，再拉开K1，投入电抗。流过K1的电流将转移至小电抗回路。由于电抗中电流不能突变，K1两端即变压器中性点将承受暂态电压为L×di/dt。待到达稳态后，K1两端的稳态电压为：jωL×i(L为小电抗电感值， 为系统频率，i为中性点不平衡电流)。切除中性点电抗与之类似，K1两端仍会存在一个暂态电压。

若中性点不平衡电流幅值较大，且刀闸认为是理想开关瞬时切断电流，则K1两端即变压器中性点暂态电压大小受切断电流时的相位控制。在电流过零点附近切断电流时，暂态电压很小，和稳态电压接近；在电流过幅值附近切断电流时，暂态电压将会很大。由于刀闸类设备分合闸时间较长，在切合小电抗过程中可认为存在一个电弧熄灭过程，这对限制切合过程中的暂态过电压是有利的。

采用Mayr电弧模型对投切过程进行仿真[10]。仿真可知，即使在电流幅值投切电抗，暂态电压最大值仍在4 kV以下，中性点的电压及电流经过约3 ms的震荡之后，逐步达到稳态。由于电弧的存在，对限制暂态电压的限制效果十分显著。

4 中性点接地刀闸参数选择

电网主变中性点加装中性点电抗后，中性点的电压水平为66 kV，因此需采用额定电压为72.5 kV的刀闸设备。根据接地开关订货规程[11]，72.5 kV刀闸需具备的开合感应电流和感应电压的能力为 A类：50 A，0.5 kV；B类：100 A，4 kV。

由广南站工程实例，变压器中性点交流分量最大值可达近80 A，且存在一定的直流分量。变压器属于静止电机，中性点交流不平衡分量只要不超过各侧额定电流，不会对主变产生影响。主变对直流分量的耐受值为单相15 A，三相45 A。而根据南方电网公司标准技术条件书，单相变压器在正常运行时允许存在10 A的直流偏磁，三相即为30 A。结合工程实际情况及接地开关订货技术条件，推荐主变中性点刀闸具备B类投切水平，并允许投切过程中存在一定直流分量。

此外，对刀闸的操作寿命也需提出要求。根据接地刀闸相关订货条件[11]，接地开关开合感应电流试验次数为10次，10次 “开、合”并非表明其开断寿命，只是表明其触头的耐用能力 (电腐蚀)。实际工程中，变压器每投退1次，K1刀闸相应投切各1次，共计2次。若按照主变寿命30年，每年投退1到2次计算，K1刀闸在30年内需完成的投切次数为60～120次。因此，建议中性点刀闸至少具备100次投切寿命。

根据工程实践经验，运行单位制定了500 kV主变中性点刀闸操作规程：

1)小电抗投运按照以下顺序进行：先合上中性点接地刀，主变从高压侧或中压侧充电，待主变过渡过程稳定后再分开中性点接地刀，此时小电抗即发挥作用。

2).退出主变时，先合上中性点接地刀，再分开主变各侧开关。分、合接地刀前应检查中性点无明显交流和直流电流，不超过20 A时方可操作。

5 结束语

1)500 kV变压器中性点交流及直流分量，与电网结构、变压器所带的负荷有关。建议变电站在负荷波谷时段，直流分量较小时择机投入#1变压器中性点电抗器。并结合主变停电计划，在各变压器中性点加装电容隔直装置。建议进一步监测广东电网各变电站变压器中性点的交直流分量，并进行综合统计分析。

2)500 kV变压器中性点电抗器可以采用刀闸投切，即在主变充电达到稳态后，再通过旁路刀闸K1投入电抗。

3)500 kV变压器中性点用刀闸需满足B类接地开关投切能力。刀闸的投切寿命次数不小于100次。在用刀闸投切小电抗一定次数后，需检查刀闸触头烧蚀情况。

[1] 梁继峰，刘文颖，等.500 kV自耦变中性点串接小电抗对接地短路电流限制效果分析 [J].电力系统保护与控制，2011，39(13)：96-99.

[2] 程云志，叶幼军.500 kV自耦变压器中性点装设小电抗的应用研究 [J].华东电力，2006，34(11)：59-61.

[3] 中国电力科学研究院.广东500 kV主变中性点小电抗配置及绝缘配合研究 [R].2009.

[4] 李群湛.我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题[J].铁道学报，2010，32(4)：119-124.

[5] 吴传平，罗安，等.采用V/v变压器的高速铁路牵引供电系统负序和谐波综合补偿方法 [J].中国电机工程学报，2010，30(16)：111-117.

[6] 赵畹君.高压直流输电工程技术 [M].北京：中国电力出版社，2004.

[7] 曹林，曾嵘，等.高压直流输电系统接地极电流对电力变压器影响运行的研究 [J].高压电器，2006，42(5)：346-348，354.

[8] 王明新，张强.直流输电系统接地极电流对交流电网的影响分析 [J].电网技术，2005，29(3)：9-14.

[9] 孙大南，刘志刚，等.地铁牵引变流器直流侧震荡抑制策略研究 [J].铁道学报，2011，33(8)：53-57.

[10] 王其平.电气电弧理论 [M].北京：机械工业出版社，1982.

[11] DL/T 486-2000，交流高压隔离开关和接地开关订货技术条件 [S].

Analysis of the AC and DC Component on the 500 kV Transformer Neutral Point

LI Peizhun1，CHEN Chuang2，LUO Xiaodan1
(1.Guangdong Electric Design Institute，China Energy Engineering Group，Guangzhou，510663；2.Guangzhou Power Supply Bureau，China Southern Power Grid，Guangzhou，510600)

An effective solution to reduce the single-phase short-circuit current is to install small reactors on the neutral points of the 500 kV autotransformers.During the practical project，the AC and DC component as well as the transient voltage of the neutral points should be studied in order to determine the switch mode of the small reactor.This paper gave an example of installing small reactors in a 500 kV substation，analyzed the characteristic and the source of the AC and DC value through the recorded data on the neutral point.The simulation research is done to find the transient voltage during the switching process of the small reactors，also the parameters of the earthing switch used on the neutral points is given out.

small reactor on the neutral points；AC and DC components；switch mode；earthing switch used on the neutral points.

TM41

B

1006-7345(2014)05-0057-05

2014-06-17

李沛准 (1982)，男，硕士，工程师，中国能源建设集团广东省电力设计研究院，从事电网设计及电网技术研究工作 (email)lipeizhun＠gedi.com.cn。

陈创 (1975)，男，硕士，高级工程师，中国南方电网公司广州供电局，从事电网运行技术管理及研究工作。

罗小丹 (1982)，女，学士，中国能源建设集团广东省电力设计研究院，从事电网招投标及项目管理工作。