高压直流接地极单极运行对变压器脉动冲击

2022-04-21周加斌陈玉峰顾朝亮雍军赵文彬姜朋亮

电气传动 2022年8期

周加斌，陈玉峰，顾朝亮，雍军，赵文彬，姜朋亮

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南 250003；2.上海电力大学电气工程学院，上海 200090）

我国现已建成多条高压和特高压直流输电工程，直流输电系统通常是双极运行方式，此运行状态下，高压直流输电是由两条线路构成回路，所以双极是平衡运行，接地极没有电流流入。但是当直流输电工程投运调试或故障期间，将以单极大地方式运行，即双极转单极运行方式。直流电流通过接地极流入大地，以大地作为直流输电的另一根导线形成回路电流，此时在交流系统中会存在电位差，高达几kA的直流电流通过接地极流入大地，导致直流电流侵入交流系统，使得变压器绕组出现直流分量，导致直流偏磁现象发生，产生变压器的振动噪声增加和局部过热等问题，严重威胁交流电网运行的安全性[1-4]。

直流偏磁条件下的变压器运行在一种非正常工作状态，对于直流偏磁对交流电网变压器励磁特性的影响，国外内学者进行了广泛的研究与分析。目前对于交流电网的偏磁电流计算主要分为两种：电路法[3]和有限元法[5]。其中电路法是将地上交流网架与地下土壤模型相结合，建立统一直流偏磁模型进行偏磁电流分析，而土壤结构的精确建模对于偏磁电流大小影响至关重要[6-8]。目前主要从接地极选址、变电站选址和流通性分析等方面[9-12]，对未建变电站的直流偏磁进行预防；对于已建变电站直流偏磁问题主要是通过装设直流抑制装置进行抑制[13-14]。变压器直流偏磁问题是变压器绕组中的直流分量产生直流磁通，由于直流磁通的偏置特性，导致主磁通偏置，进而引发一系列电磁反应[15-16]。通过梳理近期研究，发现流入变压器中性点的直流偏磁电流为随时间变化且含有低频交流分量的脉动直流[17]。

综上所述，目前关于直流偏磁问题研究中的土壤精确建模、评估准确性和优化抑制方案等均是围绕幅值不变的稳恒偏磁电流展开，而脉动直流对变压器励磁特性影响的研究甚少。因此本文在直流输电工程双极转单极运行方式时，通过交流电网直流偏磁模型和变压器模型，建立了变压器直流偏磁联合仿真模型，分析了脉动直流对变压器励磁特性的影响规律。

1 直流偏磁联合仿真模型机理

1.1 接地极的影响机理

直流输电工程以单极大地方式运行时，直流输电系统通过接地极向大地注入直流电流，以接地极为中心会形成一个电位场。由于变电站位置不同，两站之间存在直流电位差，直流电流会通过变压器接地中性点流入交流系统。直流偏磁现象导致了变压器磁路出现饱和。变压器铁心为非线性铁磁材料，直流磁通与交流磁通的叠加使变压器总磁通向一侧偏移，当变压器工作点由线性区域转移到非线性区域时，会造成励磁电流的严重畸变。交流网架模型由地上网架部分与地下土壤部分两部分构成，对于m个变电站，b个独立的接地中性点，则有[18]：

式中：Um，Im分别为主变中性点直流电位、偏磁电流的列向量；Ub，Ib和Rb分别为各变电站相连支路的支路电压、支路直流和支路电阻的列向量；Gb为支路导纳矩阵；B为n×m的关联矩阵。

土壤模型为多层结构，如图1所示。hi，ρi分别为对应层的厚度和土壤的电阻率，i=1，2，3；g为直流接地极。假设地表电位为V，接地极g的入地电流为I0。

图1 多层土壤模型Fig.1 Multi-layer soil model

将式（8）、式（9）联立，对变电站地表电位及直流偏磁电流进行分析。

1.2 变压器直流偏磁机理

2 直流偏磁联合仿真模型

2.1 接地极近区交流网架模型

为分析直流输电工程单极大地方式运行时，交流网架的直流偏磁影响水平，本文采用CDEGS接地计算软件建立近区交流网架模型，电网拓扑结构如图2所示。选取接地极周边7座变电站，其中，3座500 kV站，4座200 kV站，对站内的主变、地网、站间线路及土壤进行精确建模，并进行各变电站偏磁电流的分析。相关参数如表1～表3所示。

图2 电网拓扑结构Fig.2 Network topology of power grid

表1 土壤模型参数Tab.1 Soil model parameters

表2 线路参数Tab.2 Line parameters

表3 变压器参数Tab.3 Transformer parameters

2.2 变压器直流偏磁模型建立

目前，直流偏磁问题所引起变压器的一系列电磁效应和直流承受能力尚未被系统地研究分析。因此，研究由脉动直流电流引起的直流偏磁对变压器励磁、振动和噪声特性的影响是十分必要的，其中脉动直流侵入条件下的变压器励磁特性变化规律尤为重要。因此，本文利用电磁仿真软件PSCAD搭建变压器仿真模型，模型电路图如图3所示[19-20]，变压器内部参数如下：变压器容量24 kV·A，初级绕组额定电压458 V，次级绕组额定电压230 V，长度比率2.0%，空载电流3%，泄漏阻抗0.17，绕组损坏0.1，面积比率1%。

图3 模型接线图Fig.3 Connecting diagram of model

在以往变压器直流偏磁问题研究中，均考虑偏磁电流为稳恒直流时变压器励磁特性变化，并没有考虑到脉动直流对变压器励磁特性的影响。利用本文建立的变压器直流偏磁模型，对脉动直流下的变压器励磁特性变化规律进行分析，可以更精确地模拟变压器的实际工作状态。

3 仿真结果分析

3.1 直流偏磁电流仿真结果分析

直流输电工程投运测试期间，直流接地极多次采用单极大地回线运行方式，入地电流为1 090 A。受测试影响，变压器中性点有直流电流流入，变压器的振动、噪声有所加剧，为此利用本模型搭建了接地极周边220 kV及以上站点的网架拓扑结构，计算各变电站直流偏磁电流，结果如表4所示。从表中可以看出，直流输电工程以单极大地方式运行时，变压器绕组中出现直流偏磁电流，其大小与变电站电压等级和地理位置相关，其中电压等级为500 kV的变电站B所受影响最为严重。

表4 各变电站直流Tab.4 DC bias currenl of each substation

进一步分析发现，当直流输电工程双极转单极大地运行方式时，直流接地极近区地表电位的变化如图4所示，接地极附近的地表电位呈现一种波动变化，地表电位的变化与离接地极距离有关，越靠近接地极，地表电位波动越大。选取算例中的变电站A和变电站B进行变压器偏磁电流分析，流入变压器的直流电流如图5所示，由图可知，直流输电工程双极方式转单极方式运行时，交流电网变压器绕组中的偏磁电流为随时间变化的脉动直流，从直流测量的角度看，该脉动直流仍为直流电流。

图4 地表电位变化Fig.4 Surface potential changes

图5 偏磁电流波形图Fig.5 Waveforms of magnetic bias current

3.2 变压器励磁特性分析

在无直流偏磁时，得到的变压器的励磁电流仿真值为1.45 A，与额定值1.5 A的误差小于5%，满足误差范围，验证了本文变压器直流偏磁仿真模型具有较高的准确性。

为研究脉动电流对变压器励磁特性的影响规律，在本文仿真模型的基础之上，通过在原边将低频交流电流源和直流电流源并联模拟流入变压器绕组中的偏磁电流。本文设置低频交流电流源频率为10 Hz，幅值分别为0.5 A，1 A和2 A，直流电流源幅值为5 A，仿真得到的变压器励磁电流如图6所示。

图6 不同工况下的励磁电流Fig.6 Excitation currents at different working conditions

直流电流越大，变压器铁磁材料越趋于饱和。直流电流细微的变化都会使励磁电流发生更严重的畸变，脉动电流侵入变压器绕组导致变压器励磁电流波形波动，不同幅值脉动电流下的变压器励磁电流峰-谷差值，如图7所示。随着脉动电流幅值的增加，励磁电流峰值与谷值的差值在增加，由此本文认为，脉动直流电流使得变压器铁磁材料工作点反复变化，导致励磁电流波形发生波动，脉动电流幅值越大，励磁电流波形波动越大。这会导致振动模式异常，当变压器长期处于异常振动模式下，可能会加剧噪声，使得铁心绕组和紧构件的松动、加速绝缘材料的机械老化，不利于变压器的安全稳定运行，本文为后续研究实际偏磁电流对变压器绕组振动、本体噪声及绝缘材料老化的特性，提供了一定依据[21]。