±800kV晋北-南京特高压直流输电对安徽电网交流变压器直流偏磁影响分析与治理

邱欣杰，王刘芳，丁国成，陈庆涛，田 宇，吴兴旺

(1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601；2.国网安徽省电力有限公司,安徽 合肥 230022)

0 引言

±800kV晋北-南京特高压直流输电为双极线路，工程起于山西晋北换流站，止于江苏南京换流站，受端的南京换流站接地极位于安徽和江苏两省交界处，当发生双极运行故障时，系统自动转换至单极运行状态，防止系统停运对交流输电系统造成的较强功率冲击影响。单极运行状态以大地作为电流回路，满负荷运行时，5000A直流电流注入接地极，直流电流通过大地扩散，有可能会造成接地极一定范围内的中性点接地交流变压器流过直流电流，引起直流偏磁[1～4]。

直流偏磁是交流变压器的一种异常工作状态，即在交流变压器励磁电流中出现了直流分量，由于变压器的原边等效阻抗对直流分量只呈现电阻特性，且电阻很小。因此，很小的直流分量就会在绕组中形成很大的直流激磁磁势，直流磁势与交流磁势一起作用于变压器原边，造成交流变压器铁心发生半波饱和，变压器铁芯的工作磁化曲线发生偏移，呈现关于原点不对称的情况。直流偏磁可能导致交流变压器谐波含量增大及噪声增大，部分部件过热，严重时可能导致交流变压器损坏，需要对接地极影响范围内的直流偏磁分布情况进行计算分析，并提出相应的治理措施[5～6]。

1 直流偏磁仿真计算

1.1 接地极概况

根据系统规划设计，±800kV晋北-南京特高压直流输电工程的受端换流站接地极系统主要运行条件是：额定入地电流5000A，最大过负荷电流5335A(2小时)。该接地极为同心双圆环结构，如图1所示：

图1 塔河接地极环布置方案

接地极外环半径225m，内环半径165m，埋深均为3.5m。外环馈电棒截面直径70mm，焦炭截面0.6m×0.6m，内环馈电棒截面直径60mm，焦炭截面0.5 m×0.5 m。

1.2 接地极址的土壤电阻率获取

接地极位于江苏省泗洪县峰山乡塔河村，位于南京换流站西北侧，距离南京换流站约70km，接地极极址以麦田为主，周围有少量树木。

根据仿真需要，对接地极附件土壤参数进行了测定，包括土壤电阻率、热导和热容等，浅层采用四级法，深层采用MT法测得极址附近的土壤电阻率模型按表1选取。

表1 土壤电阻率模型

1.3 直流电流分布计算

首先基于复镜像法、边界元法和矩量法求解直流接地极入地电流产生的地中恒流场，获得接地极入地电流产生的地表电位分布。再根据交流线路的长度、线路走向、变电站接地电阻、变压器绕组的直流电阻等参数，采用电路理论即可计算得到变压器中性点中的直流电流大小。

直流输电系统入地电流进入交流输电系统的路径如图2所示：

图2 直流入地电流进入交流系统示意图

如图2所示，进入变压器中性点的直流电流可用下式估算：

(1)

式(1)中，RA、RB分别为变电站A和变电站B的接地电阻，RTA、RTB分别为两变电站主变单相绕组直流电阻，RZ为两站之间输电线路单相导线直流电阻。

1.4 仿真计算结果

仿真计算范围包括接地极约120km内的110kV及以上变电站662个，线路747条，建立直流接地极及附近电网的模型如图3所示：

图3 塔河接地极对交流电网影响计算模型

根据图3模型，在南京换流站接地极入地电流5000A时，仿真计算得到的接地极附近主要变电站的变压器直流电流如表2所示：

表2 南京接地极单极满负荷运行时安徽电网变压器的直流偏磁电流

根据直流偏磁仿真计算结果，偏磁电流较大的变电站主要有220kV钟阳变、洪武变、虹乡变等变电站。

2 现场测试情况

根据仿真计算结果，选择220kV洪武变、钟阳变等变电站作为现场重点测试对象。

现场测试使用霍尔电流传感器采集变压器中性点接地引下线的直流电流，经过直流电流检测装置与监控后台实时测量流过变压器中性点的直流电流，测试原理图如图4所示：

图4 变压器中性点直流电流检测原理图

霍尔传感器开口为103.5mm×23mm，测量量程为25A。霍尔传感器与检测装置之间采用电缆直接连接，检测装置置于主变附近，检测装置和后台监控通过串口进行数据传输。

当单极入地电流为5000A时，220kV钟阳变直流偏磁电流为17.7A，220kV洪武变直流偏磁电流为18.2A。

变压器容许多大的直流电流在很大程度上取决于变压器设计，即变压器结构、铁心材料、磁通密度取值等。单相变压器具有独立的磁回路，其磁阻低，直流容易引起磁饱和，绕组中只能容许较少的直流电流。三相五柱式变压器有磁回路，但一般铁心面积只有单相变压器的39%。因此，绕组中能允许较大的直流电流(是单相变的2.5倍)。三相三柱变压器没有独立的磁回路，直流电流引起的磁通只能通过外壳返回，直流磁阻大，绕组中能允许更大的直流电流[7]。

根据DL/T 437-2012《高压直流接地极技术导则》[8]规定：交流变压器每相绕组的允许直流电流为：单相变压器为额定电流的0.3%，三相五柱式变压器为额定电流的0.5%，三相三柱变压器为额定电流的0.7%。因此，对220kV钟阳站和220kV洪武站进行了治理。

3 直流偏磁超标治理

目前，国内外学者提出了多种直流偏磁治理方法和措施[9～14]，如中性点串接电阻法、中性点串接电容法、反向注入电流法、线路串接电容法及增加变压器接地点等。考虑到220kV钟阳变、洪武变电流超标不是很严重。因此，220kV钟阳变1号主变和220kV洪武变1号主变中性点均安装了电阻型直流偏磁抑制装置，抑制装置原理图如图5所示：

图5 电阻型直流偏磁抑制装置原理图

加装直流偏磁抑制装置后，经过实测，220kV钟阳变和洪武变的直流偏磁电流均显著减小，其中入地电流为5000A时，220kV钟阳变的直流偏磁电流分别为2.5A，220kV洪武变的直流偏磁电流为1.3A。

4 结论

本文通过仿真、实测及加装偏磁抑制装置前后电流比对分析，得到以下结论：

(1)仿真和实测结果表明，±800kV晋北-南京特高压直流输电工程单极大地回线运行会对安徽电网部分交流变压器产生明显直流偏磁影响，需要采取措施抑制偏磁电流影响。

(2)直流偏磁仿真时应充分考虑接地极附近土壤电阻率、接地变压器的接线方式等因素，这样才能使仿真计算结果尽可能反映真实情况，而且仿真和测试站点应涵盖接地极周边至少50km以内的交流变压器。

(3)对受影响较严重的交流变压器采用电阻型抑制装置能够有效降低变压器直流偏磁电流。