一起主变压器直流偏磁装置故障原因分析

王立志,魏云

(1.国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750011 2.国网宁夏电力有限公司银川供电公司，宁夏 银川 750011)

远距离超高压和特高压直流输电中，当直流输电系统在单极运行或双极不平衡运行时，大电流注入接地极，致使处于接地极内变电站之间存在电位差。随着近些年超、特高压直流输电工程的大规模建设，单极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，严重危急系统中的主变压器，对电网的安全稳定运行产生了较大影响。危害主要表现为引起主变CT饱和，差动保护误动作，引起主变过激磁，过激磁保护动作[1-4]。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[5-6]。为了保障电网的安全、可靠运行，直流偏磁抑制装置已得到广泛应用。

本文通过一起主变压器直流偏磁抑制装置运行异常原因分析，提出了改进措施，避免类似异常再次发生，保障电网安全稳定运行。

1 抑制变压器直流偏磁的方式

目前，抑制流入变压器中性点直流电流的方法主要有以下3种[1,7-8]：

(1)反向注入法

该方法是在变电站附近建设1个小型的接地极，向大地注入反向电流，以抵消注入的直流电流。此法不改变变压器中性点原有的接线方式，对继电保护无影响，但需建造辅助接地极，投资较大且无法快速启动，辅助接地极的入地电流可能造成二次污染。

(2)电阻法

在变压器中性点装设电阻，限制直流电流的大小，此方法不能完全消除中性点电流，电阻值过大会对零序网络参数和主变压器的过电压能力造成影响。

(3)电容法

在变压器中性点装设电容，利用电容的通交流、阻直流的特性，阻断直流电流；但加装电容后，有可能改变变压器中性点直接接地的特性，对主变压器的过电压能力和继电保护造成影响。

某地区广泛采用以下2种电容式直流偏磁抑制装置。

1.1 有源式直流偏磁抑制装置

有源式直流偏磁抑制装置有2种运行方式[9-10]，如图1所示。方式1：正常运行时，Zd1刀闸在分，Zd2刀闸在合，高速旁路开关HSD在分，利用电容C隔直流通交流的作用，主变压器中性点通过电容器C接地运行。当电网发生非对称性短路故障时，有较大的短路电流流经主变压器中性点时，高速旁路开关HSD快速合闸，利用HSD开关将短路电流导入大地回路。方式2：正常运行时，Zd1刀闸在分，Zd2刀闸在合，高速旁路开关HSD在合，主变压器中性点通过HSD直接接地运行，当检测到系统有较大的直流分量时，断开HSD开关，此时主变压器中性点通过电容C回路接地运行，隔离直流分量。

图1 有源型直流偏磁抑制装置原理

无论是方式1还是方式2，都需增加快速开关进行分、合闸，优点是电容器本身不必承受非对称接地短路故障，运行可靠。缺点是快速开关本身需要接入可靠的交、直流电源，成本较高。

1.2 无源式直流偏磁抑制装置

图2 无源式直流偏磁抑制装置原理

装置运行原理如图2所示，正常运行时，GN2在分，GN1在合，主变中性点通过电容隔直装置接地，防止直流分量进入交流电网系统，当系统发生单相接地短路时，故障电流将会流过主变中性点，致使中性点电压抬升。设置氧化锌阀片限制电容器两端电压至可承受的900 V。为避免氧化锌避雷器长时间承受大电流，设置放电间隙，确保系统不至于失地运行。

2 故障情况和设备检查

该地区装设直流偏磁装置涉及5座变电站，分别以A、B、C、D、E区分，共11台主变压器配置直流偏磁抑制装置，1台有源式，10台无源式。2019年，该地区3座330 kV变电站5台主变压器中性点直流偏磁抑制装置电容器回路末端限流电阻片熔断，且有明显放电痕迹，此次损坏设备均为无源式直流偏磁抑制装置。

2.1 A站

A站1号、2号主变压器直流偏磁抑制装置电容末端连接铜片熔断，如图3所示。

图3 A站1、2号主变直流偏磁抑制装置电容末端电阻熔断

图4 B站1号主变直流偏磁抑制装置电容末端连接铜片烧黑

2.2 B站

B站1号主变直流偏磁抑制装置电容组接地侧连接电阻片烧黑，末端电阻片未烧断，见图4。2号主变直流偏磁抑制装置电容组接地侧连接电阻片烧黑，末端电阻片已烧断，有明显放电现象，如图5。

图5 B站2号主变直流偏磁抑制装置电容末端连接铜片附近放电痕迹

2.3 C站

现场检查C站3号主变直流偏磁抑制装置监测正常，检查发现柜内烧灼痕迹明显，电容器侧接地电阻片铜牌上所包裹的绝缘材料已经破裂，见图6—图7。

图6 C站3号主变电容器回路铜牌左上角木质螺丝烧断

图7 C站3号主变电容器回路铜牌绝缘胶套融化

3 故障原因及改进措施

3.1 故障原因

发生故障的直流偏磁抑制装置损坏处主要集中在电容器回路末端限流电阻片处，根据电容器隔直流、通交流的作用分析，直流分量无法进入电容器回路，无法造成本次故障。造成电阻片熔断的原因有3种可能：(1)变压器正常运行中流经中性点的长时小电流分量；(2)直流系统非正常运行状态下经中性点流入主变压器的直流分量；(3)系统发生非对称接地故障时流经中性点的短时大电流分量。

在变压器正常运行时，正常流经变压器中性点的电流很小，同时D、E站直流偏磁抑制装置电阻片与A、B、C站完全一致，中性点电流也相差不大，但D、E站直流偏磁抑制装置电阻片完好，说明长时小电流不是造成电阻片熔断的主要原因。

变压器正常运行时流经变压器中性点的交流量很小，而当系统发生非对称短路故障时，较大的短路电流要流经电容器回路。经统计，2016年至2019年间，发生异常的A、B、C站发生非对称接地故障统计如下：

A站：1号、2号、3号主变直流偏磁抑制装置自投运后，发生110 kV线路非对称接地故障12次，最大短路电流值12.84 kA。

B站：1号、2号、3号主变直流偏磁抑制装置自投运后，发生110 kV线路非对称接地故障8次，最大短路电流值7.650 kA。

C站：3号主变直流偏磁抑制装置自投运后发生110 kV线路非对称接地故障1次，最大短路电流值达到10.472 kA。

D站：1、2号主变并列运行，2号主变采用有源式直流偏磁抑制装置，发生非对称接地短路故障时，快速开关动作，主变中性点直流偏磁抑制装置电容器回路电阻片不会流过故障电流。

E站：1、2号主变直流偏磁抑制装置投运后，未发生非对称接地故障。

发生电阻片熔断的变压器中性点均受到短路电流的冲击，且未设置快速开关先行动作，同时短路电流万安级。电阻片设计电阻R=0.06 Ω，电阻片材质为304不锈钢，电阻率ρ=0.73 Ω·mm2/m，密度g=7.93 g/cm3，比热容c=0.5 kJ/(kg·K)，宽度a=20 mm,厚度b=1.5 mm,则

S=a×b=20×1.5=30(mm2)

(1)

(2)

此外，当系统发生单相接地故障时，主变中性点将有千安级的大电流冲击流过，以单相短路电流为10 320 A短路电流(取A、B、C站最大短路电流平均值)、持续时间为0.06 s(以主保护切除故障的固有时间考虑)，则温升

这个温升已超过电容器组限流电阻片的极限工作温度(不锈钢的熔点约为1 400 ℃，极限工作温度为800 ℃；足以造成不锈钢严重碳化，表面环氧板(绝缘层)烧糊。如果不锈钢限流电阻片遭受短时大电流冲击，温升更高且更易造成电容器组限流电阻片熔断。

3.2 改进措施及建议

(1)将在运主变压器无源直流偏磁抑制装置采用限流铝合金电阻片结构形式更改为采用面积为40×4 mm2铜排直接搭接的方式，减少电阻值，增加通流能力，减少发热量，避免发热熔断引起主变压器中性点失去接地，但装置能否经受大电流冲击，仍需进一步论证，目前经过改造的直流偏磁抑制装置运行正常。

(2)在今后的设备运维过程中，如果系统中直接接地主变压器经过非对称接地短路故障电流冲击，需详细检查主变压器中性点直流偏磁抑制装置，尤其是放电回路，以免造成主变压器中性点接地回路熔断导致变压器长时间失地运行。

(3)在新建直流偏磁抑制装置验收时，提出进行耐受短路电流冲击试验的具体要求，避免问题遗留至运维阶段。

4 结 论

通过以上分析，系统发生非对称短路接地时，产生的短路电流分量流经直流偏磁装置电容回路末端铝合金电阻片，引起电阻片发热熔断，是造成本次直流偏磁抑制装置损坏的原因，与直流换向时产生的直流分量或者运行中的交流分量无关。建议今后新投的直流偏磁抑制装置，出厂试验阶段要经过充分的短路电流耐受验证，避免问题遗留至运维阶段。加强对变电站附近环境的巡视，及时清除变电站、线路周围漂浮物，防止因线路外破、异物搭接引起的近区短路。当直接接地系统中的主变压器运行时，系统一旦发生非对称接地故障，运维人员应及时检查主变压器中性点及中性点直流偏磁抑制装置是否完好。