共用接地极运行对周围变压器偏磁影响研究

刘从法，刘翰柱，肖应华，蔡文杰，魏德军

(1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610056；2.中国南方电网有限公司超高压输电公司昆明局，云南 昆明 650200)

0 引言

在直流输电系统中，接地极必不可少。当直流电流串入变压器后，超限的电流会使变压器发生直流偏磁[1-4]。导致变压器励磁电流中存在直流分量，造成磁化曲线异常。导致变压器温度升高、损耗增加以及噪声增大等问题，严重时甚至损坏变压器，影响电力系统安全运行[5-13]。

本文论述±800 kV乌东德直流工程昆北换流站和±500 kV云贵互联工程禄劝换流站的共用接地极与周边的±800 kV云广直流工程楚雄换流站接地极同时运行时，对共用接地极周围电力变压器进行偏磁研究。在实测土壤模型的条件下，对周围变压器偏磁电流分布情况进行计算分析。同时，结合变压器直流偏磁耐受电流和评估标准，来分析变压器是否发生偏磁，根据偏磁情况提出相应的治理方案和措施。

1 直流偏磁影响机理及治理标准

1.1 直流偏磁原理

接地极电流经过深层土壤进行扩散后，通过接地的中性点流入变压器，并经输电线路、终端变压器等构成回路，直流接地极入地电流串入交流系统示意如图1所示。

分析直流偏磁电流，需确立计算模型。根据获取的地表电位，交流系统的线路长度、导线型号、变压器接地电阻等参数，来计算得到变压器直流电流。然后再结合交流系统的电阻网络，建立直流接地极入地电流分布的场路耦合模型。

1.2 变压器直流偏磁的主要影响因素

影响直流偏磁的因素主要有变压器的相对位置、交流网络结构、大地土壤电阻率以及变压器类型等[14-15]。

1.3 变压器的直流偏磁耐受电流取值

关于变压器直流偏磁电流的评估标准，目前尚无非常权威的数据，实际工程中取值各异。

依据文献 [16-17]规定，变压器每相绕组的允许直流电流为：单相为0.3%Ie，三相五柱式为0.5%Ie，三相三柱式为0.7%Ie。

而《南方电网公司反事故措施(2018版)》(南方电网生技〔2018〕24号)第2.1.7条规定：110 kV及以上变压器配置直流偏磁抑制装置要求，500 kV变压器运行中实测中性点直流偏磁电流每相10 A， 110 kV和220 kV变压器运行中实测中性点直流偏磁电流每台10 A。

综上，本工程共用接地极按照《南方电网公司反事故措施(2018版)》治理标准执行。见表1所列。

表1 直流偏磁电流治理标准

2 实测土壤电阻率模型下的直流偏磁分析

2.1 共用接地极土壤电阻率

相对接地极本体尺寸而言，接地极与周围变压器的距离相对较远，属于大范围的电场分布问题。因此，在计算评估接地极入地电流对周围变压器影响时，采用深层土壤电阻率进行分析计算[18-20]。

本文共用接地极土壤分层采用表2所示的实测土壤电阻率模型。

表2 共用接地极土壤电阻率模型

2.2 共用接地极简述

本共用接地极为两个不同电压等级直流工程共用，其系统条件为额定电流±800 kV的昆北换流站5 000 A，过负荷电流为5 318 A；±500 kV的禄劝换流站3 000 A，过负荷电流为3 786 A；共用接地极双极不平衡电流为45 A。

根据系统条件、土壤电阻率以及接地极区域地形条件等，共用接地极采用双环跑道型布置，内、外环直线段为480 m，内环半径为120 m、外环半径170 m。电流通过电缆以及馈电元件连接后导入大地。

2.3 地表电位分布、电场分布及电流密度计算

1)在入地电流取5 333 A(含昆北换流站2 h最大过负荷电流5 318 A及禄劝换流站不平衡电流15 A)的情况下，根据表2，计算得到接地极半径方向的地表电位分布、电场分布及电流密度如图2～图4所示。

图2 接地极2～50 km地表电位分布曲线 (入地电流5 333 A)

图4 接地极2～50 km电流密度分布曲线 (入地电流5 333 A)

2)在入地电流取5 015 A(含昆北换流站额定电流5 000 A及禄劝换流站不平衡电流15 A)的情况下，根据表2，计算得到接地极半径方向的地表电位分布、电场分布及电流密度如 图5～图7所示。

图3 接地极2～29 km电场分布曲线 (入地电流5 333 A)

图5 接地极2～50 km地表电位分布曲线 (入地电流5 015 A)

图6 接地极2～29 km电场分布曲线 (入地电流5 015 A)

图7 接地极2～50 km电流密度曲线 (入地电流5 015 A)

评估直流接地极对周围变电站直流偏磁的影响时，计算时应考虑的交流电网范围至少应包括地表电位升大于3 V的区域[15-16]。由共用接地极地表电位分布计算结果，在最大过负荷电流5 333 A下，距离共用接地极24 km处的地表电位降为3 V。将该接地极周围云南省境内的全部中性点有效接地(即110 kV及以上)变电站、电厂纳入计算范围之中，有220 kV倘甸变、220 kV寻板桥、110 kV德卡变和220 kV清水海变电站共4个站。3 V范围以内及与其在电气上相关联的变电站网络模型示意图如图8所示，其计算结果见表3所列。

图8 3 V范围内变电站网络模型示意图

表3 3 V范围(24 km)变电站网络计算结果

2.4 直流偏磁电流计算

通过建立共用接地极对周围交流电网影响计算模型，计算得到各变电站总入地电流见表3所列。对比图8可以看出，距离接地极较近处的中性点入地电流相对较高，较远处的入地电流相对较低，但入地电流大小与距离并不直接成正比，还取决于该方向上的线路参数。

由以上计算结果可以看出，110 kV德卡变实际运行时中性点不接地，可不予考虑直流偏磁问题；220 kV寻甸板桥站、220 kV清水海站和220 kV倘甸站变压器中性点入地电流低于评估 标准。

3 共用接地极叠加单一接地极运行工况偏磁分析研究

因在该共用接地极附近约18 km处有±800kV云广直流工程楚雄换流站接地极,该接地极入地直流额定电流为3 125 A，不平衡电流为31.25 A，若单独考虑本接地极的偏磁影响是不够的。因此，仍需研究多个接地极同时运行工况对周围变电的影响。

1)运行方式一

共用接地极的入地直流为额定电流5 015 A(含昆北换流站额定电流5 000 A及禄劝换流站不平衡电流15 A)，叠加的楚雄换流站接地极入地直流为额定电流3 125 A，在这种情况下，极址周围变电站的变压器中性点直流电流分布计算结果如表4、图9所示。

图9 运行方式一接地极周围电网直流分布

表4 运行方式一云南直流偏磁计算结果汇总表

由以上计算结果可以看出，220 kV倘甸变(变压器中性点入地电流10.09 A)超过评估标准，建议装设1套隔直装置。

2)运行方式二

共用接地极的入地直流取5 333 A(含昆北换流站2 h最大过负荷电流5 318 A及禄劝换流站不平衡电流15 A)，叠加的楚雄换流站接地极的入地直流为不平衡电流31.25 A，在这种情况下，极址周围变电站的变压器中性点直流电流分布计算结果如图10、表5所示。

表5 运行方式二云南直流偏磁计算结果汇总

图10 运行方式二接地极周围电网直流分布

由以上计算结果可以看出，各变电站中性点入地电流均低于评估标准。

根据直流偏磁风险评估原则，考虑最严重情况，即共用接地极叠加楚雄换流站接地极同时以单极大地运行方式时，除220 kV倘甸变外，共用接地极周围所有变压器的直流偏磁电流并没有超限。

但由于接地极对周围变压器的直流偏磁影响与大地参数等诸多因素有关，最终需根据直流偏磁电流实测情况并结合变压器发热、噪声等综合考虑。

4 直流偏磁治理方案和抑制措施

直流偏磁的治理方案有多种，目前主要采用电容隔直法、串阻限流法以及反向电流注入法等，目前前两者在工程应用中相对成熟。结合国内接地极工程对直流偏磁的治理经验，一般优先采用隔直方案进行偏磁治理。

根据上述计算，在实测土壤电阻率模型下，有 1个站超标。因此，对该变电站采取加装隔直装置的方式进行直流偏磁治理。

5 结论

通过对共用接地极周围中性点有效接地的变电站、输电线路进行建模，对变压器直流偏磁电流分布、电位分布以及电场分布进行了计算分析，主要结论如下：

1)在实测土壤电阻率模型下，选取深层土壤电阻率，通过计算分析，共用接地极在叠加单一接地极的工况下对周围变压器的影响较小，仅1个220 kV倘甸变接近直流偏磁治理标准。

2)不同的接地极运行工况下，直流偏磁的影响结果不同，变压器偏磁影响与中性点入地电流有关。

3)采用的实测土壤模型计算结果为工程建设提供了依据，但考虑到实测土壤模型与实际土壤的差异，直流偏磁分析应根据电流分布、电位分布和电场分布的实际值并结合变压器发热、噪音等综合考虑，加装隔直装置以接地极投运后的实测值为准。