变压器直流偏磁仿真及抑制措施研究

2019-01-16王洪涛王耿耿袁智强

电力与能源 2018年6期

王洪涛，王耿耿，曹娜，袁智强

(1.青海省绿色发电集团股份有限公司，西宁 810000；2.上海电力设计院有限公司，上海 200025)

我国能源与电力负荷分布不均衡，西部欠发达地区资源丰富但负荷较小，而东部沿海地区负荷密集但资源较为匮乏，随着我国“西电东送”战略的实施，高压直流输电因输送距离远、输电功率大、输送损耗小等优势得到了广泛应用[1-2]。高压直流输电正常情况下采用双极运行方式，但在系统调试、检修或发生故障的情况下，会工作于单极大地回路运行方式。单极大地运行时会有较大直流电流注入大地，在地下形成直流电场，从而在各变电站间产生电位差，因站间回路直流电阻较小，会产生较大的直流电流，从而造成变压器偏磁，威胁变压器的正常运行[3-6]。随着近几年超高压和特高压直流输电工程的大规模建设，单极大地回路运行时导致直流接地极附近变压器大规模直流偏磁时有发生，对电网的安全稳定运行产生了较大影响。为了保障电网的安全、可靠运行，对直流偏磁现象及其抑制措施开展研究具有重要的意义。

1 直流偏磁对变压器的影响

1.1 变压器发生直流偏磁的原理

在正常情况下，变压器的磁路工作在对称的线性区域，正弦磁通建立的励磁电流基本也是正弦形式，其原理如图1所示[7-8]。

图1 变压器正常运行时的励磁电流

当有直流电流流经变压器绕组时，将导致变压器电流工作点上移，变压器电流工作点进入励磁曲线饱和区，正弦磁通建立的励磁电流正半周会发生严重的畸变，而负半周仍基本为正弦形式，其原理如图2所示[7-8]。在此状态下，变压器会发生直流偏磁现象，过大的直流电流可能引起变压器磁饱和，产生振动加剧、噪声增大、谐波增大、局部过热等问题，影响变压器的安全运行。

图2 直流偏磁状态下变压器的励磁电流

1.2 变压器直流偏磁限制要求

变压器本身具有一定的抗偏磁能力，主要与变压器的铁心结构、形式、材质等有关，变压器实际运行时应避免工作在较为严重的直流偏磁状态下，防止对变压器造成损害。国内外有关研究机构都对于变压器的抗偏磁能力进行了研究，主要研究成果如表1所示[9-11]。

目前中国电科院、上海电科院等几个科研院所在此领域展开了较多研究，提出限制流入变压器中性点电流的3种主要方法：(1)通过整流装置向变压器中性点注入反向直流，抵消偏磁电流；(2)在变压器中性点装设电容，阻断直流电流；(3)在变压器中性点装设电阻，限制直流电流的大小[12]。电流型直流抑制装置控制困难、占地较大、维护费用高；电容型直流抑制装置对电容的制造工艺要求高、造价昂贵。此外，华东地区一些500 kV变电站已陆续安装中性点小电抗以抑制短路电流，在这些变电站中采用电容型抑制装置可能引发高频谐振，威胁系统安全；而电阻型直流抑制装置简单、实用、可靠，因此目前电阻型直流抑制装置在治理变压器直流偏磁问题中得到了广泛的应用。

表1 不同机构提出的变压器直流偏磁限制要求

2 直流偏磁仿真建模研究

直流偏磁问题既与变电站的地电位及地下电流场的分布情况有关，同时也与变电站内变压器及站间输电线路的直流电阻有关，是电场与电路相结合的问题，研究过程较为复杂。本文中采用加拿大SES公司开发的CDEGS软件对变压器直流偏磁现象及抑制措施进行仿真建模研究。

2.1 仿真建模过程

采用CDEGS软件对直流偏磁现象进行仿真建模的流程图如图3所示。

(1)地理信息转换：CDEGS 软件采用的是标准的平面直角坐标，通过“高斯—克吕格”变换将各变电站及直流接地极的经纬度坐标转换为平面坐标。

(2)变电站接地网及主体建模：根据各变电站土壤电阻率和接地电阻，绘制变电站等效接地网。根据变电站主变参数和接地情况对变电站主体进行等效建模。

(3)直流接地极建模：根据直流接地极的形状、材料、埋深，适当简化后对直流接地极进行建模。

(4)电网拓扑建模：将所要研究的变电站站点通过站间线路连接，从而构成电网的基本拓扑结构。

(5)土壤模型确定：在有关地中直流的仿真计算中，水平分层土壤电阻率通常的取值范围如表2所示[13]。根据研究区域内土壤电阻率的实测结果，结合表2对区域内土壤模型进行简化设置。

表2 土壤分层的电阻率和厚度

(6)直流偏磁电流计算：完成电网拓扑结构的建立和土壤模型的设置后，运行仿真软件，查看仿真结果详细报告，获取各变电站主变中性点偏磁电流。

2.2 计算案例

基于某直流接地极周边电网结构，根据仿真建模流程，搭建仿真案例进行计算研究。仿真案例网架中包含5座500 kV变电站和1座220 kV变电站，输电线路包含500 kV线路和220 kV线路。网架拓扑结构如图4所示。

计算输入条件具体如下。

(1)土壤模型参数：仿真案例采用水平四层土壤模型，土壤模型参数如表3所示。

(2)变电站接地模型：各变电站接地网采用水平接地网格进行等效，各站接地电阻如表4所示。

(3)变电站主变参数：各变电站主变数量、容量和主变绕组的等效直流电阻如表5所示。

(4)站间输电线路参数：站间输电线路的等效直流电阻如表6所示。

(5)直流接地极注入电流：接地极激励电流取4 000 A。

2.2.1采取直流偏磁抑制措施前仿真结果

根据这些输入条件，各变电站直流偏磁电流的计算结果如表7所示。根据各机构提出的变压器可耐受偏磁电流指标，在本案例中选取三相变压器最严格的限制值，以0.45%额定电流值作为各变电站主变抗偏磁能力限值，500 kV主变可耐受偏磁电流宜控制在5.0 A以下，220 kV主变可耐受偏磁电流宜控制在2.8 A以下。从表7可以看出，仿真案例中4号站和5号站单台500 kV变压器的偏磁电流分别为7.4 A和5.4 A，6号站单台220 kV变压器的偏磁电流为4.1 A，直流接地极满容量单极大地运行时注入大地的直流电流对于4号站、5号站、6号站变压器的正常运行具有威胁，应采取直流偏磁抑制措施。

图4 仿真案例网架结构示意图

层数电阻率/(Ω·m)厚度/m1、浅沉积层103502、深沉积层或盐土层30010 0003、基岩层10 00050 0004、地幔至地心层100数百公里以上

表4 各变电站接地电阻 Ω

表5 各变电站主变绕组的等效直流电阻

表6 站间输电线路的等效直流电阻 Ω

表7 采取直流偏磁抑制措施前各变电站主变偏磁电流计算结果 A

2.2.2直流偏磁抑制方案研究

电阻型直流抑制装置简单、实用、可靠，因此本案例中采用主变中性点串联小电阻的方法抑制偏磁电流。在变电站配置电阻型直流抑制装置，可能会引起周边变电站直流偏磁电流增加，此外小电阻阻值不宜取过大以免对站内保护造成较大影响，因此需通过仿真计算指导小电阻阻值的选取。

对于仿真案例中直流偏磁电流超标的4号站、5号站和6号站，首先研究各站加装不同阻值的小电阻对直流偏磁电流的抑制效果，仿真结果如图5所示。由图5可以看出，串联小电阻可有效减少变压器偏磁电流，随着小电阻值的增大，偏磁抑制效果逐渐趋于饱和。仿真案例中，4号站和5号站加装1 Ω小电阻后，单台500 kV变压器偏磁电流可降到5 A以下；6号站加装1 Ω小电阻后，单台220 kV变压器偏磁电流可降到2.8 A以下。

图5 加装小电阻阻值与偏磁电流的关系曲线

此外，研究了4号站、5号站和6号站加装小电阻后对附近其他变电站偏磁电流的影响。以加装1 Ω小电阻为例，4号站、5号站和6号站加装1 Ω小电阻后对周边变电站偏磁电流的影响分别如表8～表10所示。4号站加装1 Ω小电阻后，2号站和3号站的主变偏磁电流增大，而1号站、5号站和6号站的主变偏磁电流有所下降；5号站加装1 Ω小电阻后，1号站、3号站和6号站的主变偏磁电流增大，而2号站和4号站的主变偏磁电流有所下降；6号站加装1 Ω小电阻后，1号站、3号站和5号站的主变偏磁电流增大，4号站主变偏磁电流基本不变，而2号站主变偏磁电流有所下降。安装电阻型直流抑制装置会对周边变电站偏磁电流有所影响，可能会引起周边部分站点偏磁电流增大，配置电阻型直流抑制装置时应统筹考虑网架中所有站点，避免引起周边变电站偏磁电流超标。

表8 4号站加装小电阻对周边变电站主变偏磁电流的影响

表9 5号站加装小电阻对周边变电站主变偏磁电流的影响

表10 6号站加装小电阻对周边变电站主变偏磁电流的影响

为使仿真案例中各变电站主变偏磁电流均在抗偏磁能力限制范围内，考虑在偏磁电流超标的变电站中安装电阻型直流抑制装置。通过表8可以看出，4号站加装1 Ω小电阻后，5号站单台500 kV变压器的偏磁电流也可降低到5 A以下，因此考虑在4号站和6号站加装小电阻抑制直流偏磁电流。通过仿真计算可得，在4号站主变中性点串联1 Ω小电阻、6号站主变中性点串联1 Ω小电阻后，各变电站500 kV变压器直流偏磁电流均小于5 A，220 kV变压器直流偏磁电流均小于2.8 A，能够适应直流接地极单极大地运行情况。采取直法偏磁抑制措施后各变电站主变偏磁电流计算结果如表11所示。