城市地区主变直流偏磁研究与处理

蔡茂，李佳，彭卿，朱磊，彭平

(1．国网长沙供电公司，湖南 长沙 410000； 2．国网湖南省电力科学研究院，湖南 长沙 410000)

城市地区主变直流偏磁研究与处理

蔡茂1，李佳1，彭卿1，朱磊1，彭平2

(1．国网长沙供电公司，湖南 长沙 410000； 2．国网湖南省电力科学研究院，湖南 长沙 410000)

主变直流偏磁会降低主变运行的稳定性及寿命。通过对一起实际案例分析研究，结合大量实际测量数据，明确了地铁杂散电流是城市电网主变压器直流偏磁的主要原因之一。研究采用一种新型电容隔直装置，并在实际投运过程中提出隔直装置标准接入和不停电接入两种方式，实际运行效果良好，可解决城市地区主变直流偏磁的问题。

直流偏磁；地铁杂散电流；电容隔直；变压器中性点；主变噪声

0 引 言

随着城市地铁项目和特高压直流项目的加快建设，地铁和特高压直流线路的运营给城区电网带来了一定的影响。地铁杂散电流以及特高压直流系统接地极流过较大电流可能导致城区电网主变压器中性点出现超过变压器直流承受能力上限的直流分量，这些直流产生的磁通将可能造成变压器铁芯严重饱和，励磁电流高度畸变，产生大量谐波，变压器无功损耗增加，使系统无功补偿装置过载或系统电压下降[1]，同时会引起变压器噪声和振动，变压器铁心、螺栓、外壳等处过热，局部温升增大，破坏绝缘，变压器金属结构件损耗增加，降低使用寿命，甚至有可能导致变压器损坏[2-5]。因此，研究主变直流偏磁现象，消除直流偏磁给变压器带来的负面影响，对于地区电网的安全稳定运行有着重要的现实意义。

文献[6]对特高压直流单极大地回线运行方式下换流站接地极附近的中性点接地变压器上产生直流分量的现象进行建模分析，得出抑制流入变压器中性点直流电流的最优方法是在变压器中性点串联电容。文献[7]介绍了城区直流偏磁产生的机理，详细介绍了地铁闲散直流产生的机理，并介绍了6种主要的直流偏磁防治措施，并对方案进行了优选分析。文献[8]介绍了一种串接电阻限制变压器中性点直流的方法，但中性点电阻改变了交流系统零序阻抗，使用时需考虑保护配置的整定值。文献[9]介绍了一种动态电压恢复器注入变压器的直流偏磁抑制策略，但仅在理论研究阶段，工程中并未有实际应用。

本文通过对长沙电网主变直流偏磁现象发现的过程进行梳理，对主变中性点直流实际测量实验数据分析，分析出长沙电网主变中性点直流分量产生的原因。同时结合地区电网的实际情况，研究采用一种新型电容隔直装置，在投运过程中提出标准接入方式和不停电接入方式，并提出电容隔直装置接入和退出原则，分析了电容隔直装置对继电保护的影响。

1 案例情况

2015年11月24日后，陆续发现长沙电网中地铁2号线附近变电站有多台主变存在噪声增大现象，其中220千伏某变电站#1主变(中性点接地)最为严重。2015年12月08日开始，通过开展在线局放特高频检测、红外测温、噪声测量、油色谱检测，谐波测试等。发现其大盖螺栓发热，其中最严重的热点温度达到183 ℃。噪声超标，超声幅值随异响而变化，具备机械振动特征，但不具备局部放电特征。

12月15日进行了某变电站两台主变中性点接地方式的互换，即改为#2主变中性点接地，#1主变中性点与地断开，随后进行了噪声复测，其中#1主变噪声分贝大副下降，#2主变噪声明显增大。

12月16日进行了#2主变高、中压侧中性点接地电流的测试，中压侧交流、直流分量均稳定，高压侧交流稳定，直流随噪声而变化，主要由大地流向变压器，最大值达到15 A。

220千伏某变电站距地铁2号线直线距离4.6 km左右。从地理位置上分析，出现中性点直流分量的变电站与地铁线接地体间距离较近，过渡电阻很小，地铁杂散电流具备流入变电站接地网的条件。2016年5月，长沙地铁1号线试运行，距地铁1号线直线距离1.1 km左右的220千伏某变电站接主变压器(中性点接地)出现类似隐患，异常声响达86.5 dB，中性点直流电流最大值达44 A。

2 原因分析

该变电站主变噪声异常升高是该地区首次出现类似情况，公司立刻组织相关单位进行主变噪声原因分析，先后做了主变铁芯夹件电流、油色谱分析测试、超声波局部放电检测、谐波测试等试验。试验结果表明主变铁芯及夹件无多点接地现象，并同时排除变压器内部存在局部放电的可能，并证明流过#1主变高-中-低压绕组的少量谐波电流对#1主变的噪声可能会产生一定的影响，但谐波并不是导致#1主变出现噪声异常升高的主要原因。

图1 #1主变正常运行时噪声测量值

图2 #1主变异常声响增大时噪声测量值

图3 #2主变正常运行时噪声测量值

随后进行现场噪声检测，#1主变中性点接地，#2主变中性点不接地，测量位置及数据如图1～图3所示(单位为分贝-dB)，每个测点的位置均在离地面高度约1.5米处，离变压器器身约1.0米处。

上述结果可以看出正常运行时#1主变的噪声明显大于#2主变，#1主变异常声响增大时噪声测量值同样增大明显。

进行两台主变中性点接地方式的互换(即改为#2主变中性点接地，#1主变中性点与地断开)后发现主变异常声响随中性点倒换而发生改变，始终为中性点接地变压器存在异响。12月19日至21日，长沙公司对#1、#2主变3天连续跟踪测试结果如图4所示。根据连续三天的跟踪测试，#1主变噪声基本保持平稳，#2主变噪声表现出基本一致的规律：晚上00∶20左右噪声明显下降，早上5∶15左右噪声明显增大，与地铁运营时间规律基本一致。

图4 12月19日至21日噪声连续测试结果

为此公司立刻组织人员对主变中性点接地交、直流进行测量(测量结果见表1)。

高压侧中性点直流电流幅值与异常声响大小变化有相似规律。一小时检测时间内最大达15 A，交流电流稳定在1.9 A左右；中压侧中性点无直流电流，交流电流稳定在1.6 A左右。查阅相关资料，该变压器每个绕组允许流过最大直流电流值为2.3 A(额定电流的0.5%)，为此可基本确定该主变噪声异常升高的原因是地铁杂散电流流经主变中性点，从而导致了主变直流偏磁现象的发生。经过对该变电站周边负荷进行排查，排除了整流设备的运行导致变压器发生直流偏磁的原因。

红外热成像检测过程中，发现#1主变第23片散热片对应的大盖螺栓处最高温度可达183 ℃,如图5所示。

表1 主变中性点接地交、直流测量

图5 #1主变大盖螺栓发热图

2016年3月26日，在对#1主变进行吊罩检查后发现，现场红外发现的大盖螺栓发热是由于漏磁经过螺栓感应形成的电流导致。同时发现绝缘相间垫块有不同程度的窜位，高压绕组纵向压力失稳，如图6所示。如果此时变压器遭受短路故障冲击，将造成绕组损坏事故。

图6 主变吊罩检查图片

研究分析整个过程，可以得出该变电站#1主变噪声增大是由于中性点直流偏磁造成。同时主变长时间直流偏磁导致变压器内部存在相绝缘撑条、相端部垫块有不同程度的窜位，主变大盖螺栓处局部过热。而通过对周边工业负荷的排查，排除直流负荷源的影响。为此长沙电网主变压器直流分量过高的直接原因是城市地铁杂散直流电流侵入城市电网导致。

3 抑制措施

主变直流偏磁防治研究在国内已有一些成熟案例[6-10]，目前解决直流偏磁问题，工程上常用有电阻限流、电容隔直两种方法，其中电容隔直以其原理简单、造价低廉、安装后不需要修改保护及安全自动装置定值等特点得到了广泛的应用，为有效解决该变电站主变存在的直流偏磁现象，特采用一种新型电容隔直方案：基于双重化技术的电容隔直装置,如图7所示。

图7 电容隔直装置内部一次系统原理图

新型电容隔直装置主要由电容及其辅助旁路回路构成。电容为隔直的主要元件，串联在变压器中性点和地之间，容量约为3 200 μF。辅助旁路回路包括快速开关、晶闸管及过压触发单元等，构成旁路保护回路。装置从测量、控制、动作的器部件均采用双重化配置，包括电压、电流传感器、晶闸管保护模块、控制装置等均采用双重化冗余配置，单一器件损坏不会造成成套装置故障，极大提高了装置的可靠性。利用大容量快速开关实现中性点的直接接地与电容器接地的状态转换。正常运行情况主变中性点经电容接地，电容隔断了中性点直流；一旦系统故障，中性点电流过大，引起电容两端电压超过过压触发门限值或过流保护动作值时，则故障电流将触发旁路系统，并驱动快速开关闭合，保证中性点安全接地。

该套新型隔直装置投运后，主变噪声由原来最高的89.5 dB左右降低为67.6 dB左右，噪声明显降低。中性点直流分量控制在0.5 A左右，隔直效果明显。有效解决了交流变压器在中性点直流电流影响下产生的偏磁和噪音问题。

4 电容隔直装置的运行

4.1 电容隔直装置的接入

电容隔直装置的接入一般采用标准接入方式，如图8所示。由于考虑某些实际主变负荷过重，且无法轻易转移负荷将主变停电接入隔直装置，故研究采用主变不停电接入方式。

图8 标准接入方式和不停电接入方式

图9 电容隔直装置实物照片

主变压器投运后，方可投入相应的中性点隔直装置。电容隔直装置安装在变压器中性点附近,如图9所示。

4.2 电容隔直装置的退出

正常运行时，中性点隔直装置应处于自动工作模式。当隔直装置面板显示Idc>1A时或其他异常信号时，立刻通知检修人员并做好退出装置准备。

退出隔直装置前，应合上主变压器中性点接地隔离开关。并且两台主变压器中性点不应同时共用一台中性点隔直装置。标准接入方式的隔直装置单独检修或故障处理时，应将变压器中性点直接接地，并将装置与运行变压器中性点可靠隔离。不停电接入方式的隔直装置单独检修或故障处理时，应进行接地中性点倒换，并将隔直装置与运行变压器中性点可靠隔离。

4.3 新型电容隔直装置对继电保护措施的影响

由于相间故障不涉及变压器零序阻抗，因此反映相间故障的主变各侧过流保护不受影响。根据保护原理，主变差动保护、110 kV线路的距离保护、纵差保护不受影响。对于单相接地、两相接地故障的序网图包括零序网络，本装置在电容接地状态下，中性点交流对地容抗小于1 Ω，经过对电网已有的继电保护措施的影响进行计算和分析，计算分析结果表明继电保护及其它自动装置不需要重新整定。

5 结束语

本文从实际案例出发，从电网运行的角度探索分析了问题产生的原因。经过大量的试验和调查，确定了长沙地区电网主变出现直流偏磁的主要原因是地铁轨道杂散电流的影响。研究采用了一种新型电容隔直装置。投运过程中，结合实际情况，探索出标准接入方式和不停电接入方式，具有实际指导意义。隔直装置投运后，主变噪音明显降低，中性点直流分量控制在0.5 A左右，隔直效果明显。计算分析结果表明该装置对继电保护措施没有影响。

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Research and Treatment of Main Transformer DC Magnetic Bias in Urban Areas

Cai Mao1, Li Jia1, Peng Qing1, Zhu Lei1, Peng Ping2

(1. State Grid Changsha Power Supply Co. Changsha Hunan 410000, China;2. State Grid Hunan Electric Power Science Research Institute, Changsha Hunan 410000, China)

The stability and life of the main transformer is reduced by its DC magnetic bias. Through an analysis of an actual case and under consideration of a large number of actual measurement data, it is proved that metro stray current is one of the main causes for the DC magnetic bias of the main transformer in urban power grid. A new type of capacitive DC blocking device is adopted in this study. In practical operation process, two access methods are presented for the device, namely standard?access and access without power cut. Practical operation achieves good result, thus solving the problem of main transformer DC bias in urban areas.

DC magnetic bias； metro stray current；capacitive DC blocking； transformer neutral point； main transformer noise

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.003

TM712

A

1000-3886(2017)01-0007-03

蔡茂(1989-)，男，湖南岳阳人，研究生，武汉大学，主要从事电力系统及其自动化研究。

定稿日期: 2016-08-11