电容型隔直装置对电网设备及线路保护的影响分析

杨 鑫，冯正伟，汪铭峰，金春山

(1.国网浙江省电力公司检修分公司，浙江 金华 321000;2.国网杭州供电公司，浙江 杭州 310009)

电容型隔直装置对电网设备及线路保护的影响分析

杨 鑫1，冯正伟1，汪铭峰2，金春山1

(1.国网浙江省电力公司检修分公司，浙江 金华 321000;2.国网杭州供电公司，浙江 杭州 310009)

特高压直流输电单极运行时会造成换流站附近的变压器产生直流偏磁，对变压器的正常运行造成很大影响。结合四川溪洛渡—浙江金华±800 kV特高压直流输电工程，分析了溪浙特高压直流输电系统单极运行时产生的直流偏磁对浙江电网的影响，并对变压器中性点加装电容型直流偏磁抑制装置后对浙江电网、设备以及线路保护的影响进行了研究。

特高压直流;直流偏磁;线路保护;隔直装置

在特高压直流输电线路投入运行后的交直流混联输电过程中，当直流输电单极大地运行时，大地极电流一部分通过变压器中性点流入交流系统，对交流输电系统产生不同程度的影响。尤其是变压器中性点叠加直流分量后产生直流偏磁，造成磁通饱和，励磁电流严重畸变，给变压器带来铁芯过热、振动加剧、噪声增大等问题，影响了变压器及交流系统的安全稳定运行［1-2］。因此，在交直流混合运行的电网中，交流变压器中性点大多都加装了直流偏磁抑制装置。

本文以溪浙特高压直流工程受端浙江金华换流站金丝接地极附近500 kV变电站加装的变压器中性点电容型直流隔直装置为例，通过建立电网等值仿真模型，结合仿真和测试数据分析了电容型隔直装置对交流系统电网、设备以及线路保护带来的影响，并对电容型隔直装置对变压器直流偏磁的抑制效果进行了验证。

1 直流偏磁的抑制措施

目前，国内外抑制变压器直流偏磁大致有3种解决方案。

a. 反向直流注入法。在变电站外串入或并入直流电压源，根据实时测量的地中流入的直流电流值，动态调整电压源设置，提供反向的直流电流［3］。

b. 电容隔直法。利用电容器具有通交流阻直流的特点，将电容器串接到变压器中性点与接地极之间，可以有效抑制直流流入变压器，从而减小直流偏磁发生的概率［4-5］。

c. 电阻隔直法。在变压器中性线串联一个小电阻削弱直流，通过选取合理的电阻值，将直流偏磁的产生的影响限制在变压器可承受的合理范围内［6］。

2 电容型隔直装置

通过对3种直流偏磁抑制方案的比选分析，结合实测数据和仿真计算的结果，浙江电网500 kV变压器中性点直流偏磁抑制装置选型全部采用电容型隔直装置。

2.1 电容型隔直装置原理及结构

电容型隔直装置采用在变压器中性点接入电容器的方法抑制变压器中性点直流电流。利用与电容器并联的状态转换开关实现隔直装置直接接地运行状态和电容接地运行状态的转换。

图1为电容型隔直装置原理结构，当变压器中性点检测到越限的直流电流时，将状态转换开关断开;当变压器中性点直流电流消失时，延时将状态转换开关闭合。在电容接地运行状态下，当交流系统发生三相不平衡故障时，将有可能在电容器两端产生高电压。装置通过大功率晶闸管实现过电压快速旁路保护，并驱动状态转换开关闭合实现中性点金属性接地［7］。

图1 电容型隔直装置原理结构

2.2 电容型隔直装置的运行方式

电容型隔直装置的运行方式有2种，即直接接地运行和电容接地运行。

a. 直接接地运行方式。装置处于直接接地运行状态时，装置的测控单元监测到的中性点直流电流大于装置设定的状态转换电流门限时，在自动运行模式下，装置自动进入电容接地运行状态。

b. 电容接地运行方式。在电容接地运行状态下，装置内部设置了2个电压门限，即安全返回直接接地运行的低电压门限、过电压保护返回直接接地运行的高电压门限;当电容器两端电压小于“电压低门槛值”，且延时超过“电压低门槛延时”时，大容量旁路开关动作，隔直装置转为直接接地状态。

3 电容型隔直装置的影响

3.1 试验方案

根据浙溪工程直流偏磁的实测结果，同时考虑到工程设计，选择如图2所示的金华换流站及其周边150 km内的500 kV双龙变、500 kV丹溪变、220 kV温泉变、220 kV滢乡变及5个站间的线路作为研究对象，同时选择在万象站、宁德站、凤仪站、回浦站、吴宁站、夏金站、兰溪站等7座500 kV变电站做边界等值，建立浙江电网及保护的等值仿真模型，仿真加装隔直装置后对电网设备以及保护装置动作行为的影响，并结合溪浙工程直流偏磁抑制工作的试验结果、测试数据进行了分析和研究。

图2 金华换流站周边500 kV电网网络拓扑图

3.2 电容型隔直装置对电网的影响

a. 隔直电容投入运行期间，若系统发生不对称短路故障，隔直装置会根据检查到的短路电流，采取以下措施将电容退出运行，从而不会改变短接故障期间的电网序网结构，电网零序阻抗参数不受影响。

b. 当短路电流上升到800 A时，快速触发旁路晶闸管，通过闭合旁路开关将电容旁路，主变中性点恢复到原有接地方式。

c. 如旁路开关拒动，短路电流上升到2 500 A时，保护间隙击穿，将电容旁路，主变中性点恢复到原有接地方式。

d. 如保护间隙故障无法击穿，短路电流上升到3 500 A时，旁路晶闸管击穿，将电容旁路，主变中性点恢复到原有接地方式。

e. 正常情况下，隔直装置自身的旁路开关一直处于闭合状态，即隔直装置的电容被短接，变压器维持原有接地方式运行。隔直装置投入运行期间，若系统发生不对称短路故障，主变中性点流过的电流尚未上升到正常运行时的短路电流时，电容已退出运行，所以，不会因为中性点串接电容而引起主变中性点短路水平上升。

f. 隔直装置容抗数值 (约1 Ω)远远小于变压器短路阻抗。当出现直流单级大地运行方式时，隔直装置的电容与中性点小电抗串联运行，不会发生谐振。当系统发生不对称故障时，主变中性点流过的短路电流尚未达到额定值时，隔直装置的电容已退出运行，也不会与中性点小电抗产生谐振。

3.3 电容型隔直装置对设备的影响

a. 单一隔直设备退出运行后，实测各站点变压器中性点直流，最大时直流可达到70 A左右。而丹溪、双龙隔直装置同时退出后，丹溪变最大直流电流为64.73 A，双龙变最大直流电流为37.85 A。具体数据如表1所示。

表1 单一隔直装置退出后中性点直流情况

b. 由于其它站点的限制措施不变，个别站点的隔直装置退出并不会对整个电网造成太大影响。根据变压器厂家提供的分析报告，在隔直装置运行期间，发生极端情况，即:变压器发生近区短路，此时隔直装置退出运行，200 ms内的直流偏磁电流对变压器运行影响不大。因此由于短路故障导致某个站点隔直装置的短时退出不会影响变压器的正常运行。

3.4 加装隔直装置后直流偏磁对线路保护的影响

通过分析电路网络结构，以及直流接入点与各站点的地理位置，选择距接入点最近的500 kV丹溪变的1台变压器，以及与其相连线路中较短的双溪5461线路进行分析。研究在丹溪3台变压器加装电容型隔直装置后，直流偏磁后对线路保护的影响。

3.4.1 无直流偏磁情况下故障网络中直流含量情况

丹溪变的变压器未加直流偏磁情况下，通过在0.4 s设置双溪5461线双龙母线侧发生两相接地故障后，流过故障点故障相的工频电流量和直流电流量如图3所示。

图3 无直流偏磁时故障线路工频分量和直流分量

3.4.2 对线路分相差动保护的影响

在丹溪变、双龙变的变压器中性线均加装了直流隔离装置后，仿真分析双溪5461线路中流过170 A的直流量时，在双龙侧发生区外A相接地短路故障后，双溪5461线的差动保护动作情况。此时故障后，如图4所示线路中直流分量含量约为工频分量的3%，故障前后线路中所含直流含量均很小。此时A相保护制动电流均很大，但动作电流很小，保护可靠闭锁。保护动作电流如图5所示，图中电流均为二次值，线路电流互感器变比为4000/1。

图4 直流偏磁时故障线路工频分量和直流分量

图5 区外故障时A相差动保护的动作电流和制动电流

若此时故障发生在双龙侧发生区内A相接地短路故障后，如图6所示，A相保护动作电流很大，远大于保护制动电流，保护可靠动作。

图6 区内故障时A相差动保护的动作电流和制动电流

3.4.3 对线路距离保护的影响

a. 直流偏磁下线路区内金属性故障。在仿真系统双溪5461线每相加入117 A直流，设置故障点为双溪线距丹溪变20 km(40%)处，仿真后得出双溪5461线丹溪变侧的接地、相间距离保护的测量阻抗及距离保护动作情况如表2所示。

表2 直流偏磁情况下线路区内金属性接地故障阻抗值 Ω

b. 直流偏磁下线路区外金属性故障。在仿真系统双溪5461线每相加入117 A直流，设置故障点为双溪5461线的末端双龙变母线发生故障时，仿真后得出双溪5461线丹溪侧的接地、相间距离保护的测量阻抗及距离保护动作情况如表3所示。

c. 直流偏磁下线路非金属性接地故障。在仿真系统双溪5461线每相加入117 A直流，设置故障点为双溪5461线的区内外发生非金属性单相接地故障，即存在过渡电阻。由于过渡电阻的存在会对距离保护产生影响，且过渡电阻值的大小对距离保护产生的影响大小也不同。通过分别仿真过渡电阻10 Ω和100 Ω时，加入直流电流后，距离保护的动作情况。得出当过渡电阻为10 Ω且有直流存在时，区内故障时距离保护可靠动作;当过渡电阻为100 Ω且有直流存在时，区内故障时距离保护拒动。过渡电阻为100 Ω时，接地、相间距离保护的测量阻抗及距离保护动作情况如表4所示。

表3 直流偏磁情况下线路区外金属性接地故障阻抗值 Ω

表4 直流偏磁情况下线路区内非金属性接地故障阻抗值 Ω

通过以上的仿真分析可知:变压器中性点安装电容型隔直装置后，当线路保护区内外发生接地故障，在变压器的中性点上会产生过电压，此时隔直装置动作短接隔离电容。

a. 线路差动保护的差动电流、制动电流与系统无直流偏磁电流时的数值未发现明显变化，差动保护无不正确动作行为。

b. 在金属性故障时，距离保护的测量阻抗与系统无直流偏磁电流时的数值相比未发现明显变化，无不正确动作行为。只有经较大过渡电阻接地时，无论有无直流存在，区内故障时距离保护会拒动。

4 结论

便于长距离输电的特高压直流输电技术，近年来被广泛应用并得到了迅速的发展［8-9］。但直流输电产生的直流偏磁对交流电网变压器带来的影响却不容忽视，因此在大多数的直流输电工程中，其相应的交流电网变压器中性点都加装了直流偏磁抑制装置。

通对溪浙特高压直流输电工程中浙江电网内的交流变压器加装的电容型隔直装置进行分析，得出了加装电容型隔直装置后对电网的影响，同时通过测试和研究特高压直流带线路保护的影响以及加装隔直装置后直流对线路保护的影响，为今后浙江电网特高压直流输电对线路保护的影响提供了数据依据，并为以后进一步的分析研究奠定了基础。

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Influence Analysis of Power Equipment and Line Protection for Capacitive Type Blocking DC Device

YANG Xin1，FENG Zheng-wei1，WANG Ming-feng2，JIN Chun-shan1
(1.The Maintenance Branch of State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd.，Jinhua，Zhejiang 321000，China;2.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou，Zhejiang 310009，China)

The DC magnetic bias produced by UHVDC can cause a great impact on normal operation of AC transformer.This paper takes Sichuan Xiluodu-Zhejiang Jinhua ±800kV UHVDC transmission system as the research object，the influence of DC magnetic bias to Zhejiang Power Grid is analyzed，and the influence of capacitive type blocking DC device to Zhejiang Power Grid，electrical equipment and line protection are discussed.

UHVDC;DC magnetic bias;Line protection;Blocking DC device

TM773

A

1004-7913(2015)08-0027-05

杨 鑫 (1982—)，男，学士，工程师，主要研究方向为电网安全运行维护。

2015-05-27)