袁海燕 劉 民 莊燕飛 王慶玉 張青青

（1.山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250002；2.山東電力集團(tuán)公司檢修公司，濟(jì)南 250021）

寧東-山東±660kV直流輸電已于 2010年開(kāi)始運(yùn)行，預(yù)計(jì)±800kV直流線(xiàn)路也將落點(diǎn)山東，在山東省內(nèi)形成多饋入交直流混聯(lián)電網(wǎng)。銀東直流輸電單極大地回路運(yùn)行方式導(dǎo)致山東省交流電網(wǎng)內(nèi)部分變壓器振動(dòng)加劇，噪聲增大，受影響的變壓器有的在換流站直流接地極附近，有的卻遠(yuǎn)離接地極。而單極大地被很多國(guó)家認(rèn)為是直流輸電運(yùn)行方式之一，所以研究大地直流對(duì)交流系統(tǒng)的干擾，并在此基礎(chǔ)上提出消減大地直流對(duì)交流設(shè)備安全影響的工程方案已經(jīng)刻不容緩。

目前直流偏磁的研究已開(kāi)展得較為廣泛，如勵(lì)磁電流的計(jì)算、變壓器的飽和特性研究、直流偏磁引起變壓器振動(dòng)和噪聲的研究、直流偏磁的解算方法以及直流偏磁的抑制等[1-6]。1993年，日本東京電力、東芝、日立和三菱公司進(jìn)行了聯(lián)合的試驗(yàn)研究[7]，他們提出芯式變壓器的鐵心拉板和殼式變壓器鐵心的支撐板分別為直流偏磁下關(guān)鍵的過(guò)熱部位，并給出這些部件的溫升與其磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。加拿大魁北克電力公司于1996年在735kV實(shí)際電網(wǎng)中進(jìn)行直流偏磁的試驗(yàn)研究，得出芯式變壓器允許直流電流的結(jié)論[8]。此外，ABB公司對(duì)500kV換流變壓器允許15A的直流偏磁也給予了闡述。

本文應(yīng)用 PSCAD對(duì)直流偏磁對(duì)變壓器勵(lì)磁電流的影響進(jìn)行了仿真分析，說(shuō)明直流單極大地電流與變壓器直流偏磁的關(guān)聯(lián)性。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了±660kV直流輸電線(xiàn)路單極運(yùn)行時(shí)變壓器中性點(diǎn)電流，并對(duì)直流偏磁引起的變壓器振動(dòng)、噪聲等進(jìn)行分析研究，在此基礎(chǔ)上給出了限制直流偏磁的措施。

1 直流偏磁理論分析

1.1 直流偏磁原理

直流偏磁是地磁暴或直流輸電單極運(yùn)行使得變壓器中性點(diǎn)電流中出現(xiàn)直流分量引起鐵芯磁通工作點(diǎn)改變而產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。當(dāng)直流輸電系統(tǒng)由雙極運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為單極大地回線(xiàn)運(yùn)行方式或雙極不平衡運(yùn)行方式時(shí)，大地作為直流輸電回路，直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行電流經(jīng)接地極注入大地，在換流站周?chē)欢▍^(qū)域內(nèi)的土壤中形成一個(gè)恒定的直流電流場(chǎng)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的交流變電站間就會(huì)產(chǎn)生電位差。此時(shí)，恒定的直流電流場(chǎng)所形成的直流電流就會(huì)由一交流變壓器的中性點(diǎn)流入，經(jīng)過(guò)輸電線(xiàn)路從另一交流變壓器的中性點(diǎn)流出，如圖1所示。

圖1 直流輸電對(duì)交流變壓器影響示意圖

變壓器內(nèi)有直流電流流過(guò)時(shí)，其鐵心內(nèi)部產(chǎn)生恒定的直流磁通，該直流磁通與交流磁通共同作用，形成偏磁時(shí)的總磁通。由于變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，為使主磁路內(nèi)得到較大的磁通量而又不過(guò)分增大勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，通常把鐵心內(nèi)的工作磁通密度選擇在勵(lì)磁特性曲線(xiàn)的膝點(diǎn)附近，所以即使僅有較小的直流磁通分量，與直流偏磁方向一致的半個(gè)周期，鐵心的飽和程度大大增加，另半周期飽和程度削弱，勵(lì)磁電流高度畸變，呈現(xiàn)正負(fù)半波不對(duì)稱(chēng)的形狀，產(chǎn)生大量諧波。如圖2所示，圖中idc是中性點(diǎn)直流電流，ip是直流偏磁勵(lì)磁電流。

圖2 直流偏磁下變壓器勵(lì)磁電流

直流偏磁的影響主要分為兩部分，一是直流偏磁對(duì)交流電網(wǎng)的影響，一是直流偏磁對(duì)變壓器本身的影響。

直流偏磁對(duì)交流電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在：使變壓器產(chǎn)生大量諧波，引起系統(tǒng)電壓波形畸變、濾波器過(guò)載、合空載長(zhǎng)線(xiàn)時(shí)產(chǎn)生持續(xù)過(guò)電壓、單相重合閘過(guò)程中潛供電流增加、斷路器恢復(fù)電壓增高等。變壓器無(wú)功損耗增加，成了交流系統(tǒng)中的諧波源，進(jìn)而導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓暫降、電容器組過(guò)載、繼電器誤動(dòng)作，繼電保護(hù)系統(tǒng)故障，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)崩潰。

直流偏磁對(duì)變壓器本身的影響主要表現(xiàn)在：勵(lì)磁電流正負(fù)半周不對(duì)稱(chēng)，波形發(fā)生畸變，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)形成尖頂波。變壓器鐵心出現(xiàn)半周飽和，引起繞組、鐵心、絕緣油、油箱和夾件等部件的損耗增加、溫升增大；同時(shí)如果長(zhǎng)時(shí)間有直流流過(guò)，會(huì)使變壓器局部過(guò)熱，影響變壓器運(yùn)行，降低變壓器的使用壽命。直流偏磁條件下變壓器會(huì)出現(xiàn)不同程度的噪聲以及振動(dòng)，隨著直流電流的增加，發(fā)出的噪聲和產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)越來(lái)越明顯，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使變壓器器件松動(dòng)，嚴(yán)重影響變壓器的正常運(yùn)行。

1.2 仿真模型搭建

由于當(dāng)直流電流流過(guò)時(shí)，變壓器鐵心飽和，此時(shí)變壓器鐵心的勵(lì)磁曲線(xiàn)呈現(xiàn)非線(xiàn)性特點(diǎn)。為了準(zhǔn)確模擬變壓器勵(lì)磁曲線(xiàn)的非線(xiàn)性，選取 PSCAD/EMTDC軟件中自帶的 UMEC變壓器模型進(jìn)行仿真，它能準(zhǔn)確模擬變壓器的非線(xiàn)性激磁特性，并依據(jù)變壓器的不同結(jié)構(gòu)，充分考慮變壓器飽和狀態(tài)下飽和磁通在相內(nèi)、相間的耦合。

直流電流在變壓器的一次側(cè)中性點(diǎn)流入還是二次側(cè)中性點(diǎn)流入對(duì)變壓器的影響不同。可以將其分為耦合直流電流（直流電流在原邊繞組流通對(duì)原邊電流有影響）以及非耦合直流電流（直流電流在副邊繞組中流通只通過(guò)直流磁通影響勵(lì)磁電流）。考慮到在電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，110kV及以上電壓等級(jí)的變壓器都采用中性點(diǎn)直接接地的接線(xiàn)方式，所以在仿真過(guò)程當(dāng)中，對(duì)變壓器采用一次側(cè)星形連接，二次側(cè)三角形連接，直流電流從一次側(cè)中性點(diǎn)直接流入，具體接線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3 仿真模型架構(gòu)

模型的具體參數(shù)如下：

1）變壓器額定容量為 180MVA，額定電壓為220/35kV，Y/△連接，三相五柱式結(jié)構(gòu)，空載損耗為110kW，短路損耗為135.65kW。

2）電源容量為200MVA，電源內(nèi)阻不為零，為純電阻形式，設(shè)定為10Ω。

3）負(fù)荷為3相負(fù)載，設(shè)定額定負(fù)載為90MW。

1.3 勵(lì)磁電流分析

當(dāng)中性點(diǎn)分別注入 0A、5%和 10%高壓側(cè)額定電流時(shí)，分析勵(lì)磁電流波形，具體波形如圖4到圖6所示。由波形我們可以看出，當(dāng)變壓器原邊中性點(diǎn)注入直流電流為0時(shí)，勵(lì)磁電流正負(fù)半波對(duì)稱(chēng)，波形不發(fā)生畸變，為基本的正弦波形；當(dāng)注入直流電流為額定電流的5%時(shí)，勵(lì)磁電流正負(fù)半周波不對(duì)稱(chēng)，波形發(fā)生畸變；當(dāng)注入直流電流為額定電流的10%時(shí)，勵(lì)磁電流正負(fù)半波不對(duì)稱(chēng)情況加劇，波形畸變嚴(yán)重。

圖4 中性點(diǎn)注入直流電流為0時(shí)勵(lì)磁電流波形

圖5 中性點(diǎn)注入直流電流為5%額定電流時(shí)勵(lì)磁電流波形

圖6 中性點(diǎn)注入直流電流為10%額定電流時(shí)的勵(lì)磁電流波形

由仿真情況我們可以得出，隨著中性點(diǎn)注入直流電流的增加，變壓器鐵心開(kāi)始飽和，勵(lì)磁電流正負(fù)半波不對(duì)稱(chēng)，波形發(fā)生畸變；當(dāng)注入直流電流達(dá)到高壓側(cè)額定電流的10%時(shí)，勵(lì)磁電流畸變已經(jīng)比較嚴(yán)重，并且隨著注入直流電流的增加進(jìn)一步加劇。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

對(duì)膠東換流站附近的 500kV大澤變電站進(jìn)行了主變壓器中性點(diǎn)直流電流測(cè)試、500kV母線(xiàn)諧波測(cè)試、主變壓器本體振動(dòng)和噪聲測(cè)試。測(cè)試方法為 3秒平均值，95%概率最大值法。諧波測(cè)試儀器采用安徽振興公司生產(chǎn)的PS-8型電能質(zhì)量分析儀。主變中性點(diǎn)直流電流測(cè)試儀器采用FLUKE 345直流鉗形電流表。主變振動(dòng)測(cè)試儀器采用RION公司RIOVIBRO VM-63型振動(dòng)測(cè)試儀。噪聲測(cè)試采用2250-H-003型噪聲分析儀。大澤站主變運(yùn)行工況見(jiàn)表1。

表1 主變運(yùn)行參數(shù)

從表1中數(shù)據(jù)看出，變壓器在額定電壓以?xún)?nèi)運(yùn)行，屬于正常運(yùn)行狀態(tài)。由雙極運(yùn)行變?yōu)閱螛O運(yùn)行時(shí)，變壓器的運(yùn)行電壓、電流、有功功率和無(wú)功功率都增大。

2.1 主變中性點(diǎn)直流電流測(cè)試

膠東換流站雙極運(yùn)行時(shí)，2號(hào)主變中性點(diǎn)直流電流0.31A；單極運(yùn)行時(shí)，2號(hào)主變中性點(diǎn)直流電流9.69A。換流站從雙極運(yùn)行變?yōu)閱螛O運(yùn)行時(shí)，變壓器中性點(diǎn)電流發(fā)生了很大的變化，從穩(wěn)態(tài)數(shù)值上來(lái)看，單極運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)電流已經(jīng)超過(guò)額定電流的5%，可能引起波形畸變，影響正常運(yùn)行。

2.2 母線(xiàn)諧波測(cè)試

表2為大澤站500kV母線(xiàn)諧波電壓含有率和總畸變率，由表中數(shù)據(jù)分析得出：變壓器由雙極運(yùn)行變?yōu)閱螛O運(yùn)行時(shí)，七次以下諧波含量均增加，二次諧波A相增加了4倍，B、C相增加了10倍；三次諧波A、C相增加了近2倍，B相變化不大；四次諧波A相增加了9倍，B相增加了10倍多，C相增加了27倍多；五次諧波A、B、C相均增加了約2倍，七次諧波A、B、C相均增加了2到3倍，11、13次諧波變化不明顯。所以偶次諧波增加顯著，奇次諧波增加不明顯。

表2 500kV母線(xiàn)諧波電壓含有率和總畸變率/%

總的來(lái)說(shuō)，二、四次諧波增加較快，五次以上諧波增加較慢，而三以及三的倍數(shù)次諧波由于變壓器副邊繞組采用三角形連接，所以電壓中含有量較少。

2.3 主變振動(dòng)測(cè)試

表3和表4分別為換流站雙極運(yùn)行和單極運(yùn)行時(shí)大澤站的2號(hào)主變振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)。換流站從雙極運(yùn)行變?yōu)閱螛O運(yùn)行后，從加速度看，高壓側(cè)增加了3～9倍，中壓側(cè)增加了 3～5倍，低壓側(cè)增加了 9倍多；從速度看，高壓側(cè)增加了4～6倍，中壓側(cè)增加了1.5～5倍，低壓側(cè)增加了8倍多；從位移看，高壓側(cè)和中壓側(cè)變化不明顯，但低壓側(cè)位移發(fā)生了較大的變化。

表3 雙極運(yùn)行時(shí)主變振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 單極運(yùn)行時(shí)主變振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

從相別看，A相加速度增加了5倍，B相加速度增加了3倍，C相加速度增加了9倍；A相速度增加了5倍，B相速度增加了4倍，C相速度增加了6倍。

因此，換流站從雙極運(yùn)行變?yōu)閱螛O運(yùn)行后，加速度和速度都顯著增大，說(shuō)明換流站單極運(yùn)行時(shí)變壓器承受著巨大的沖擊力，很容易造成變壓器損壞。

2.4 噪聲

變壓器的噪聲，主要來(lái)自鐵心的磁致伸縮。在周期性變化的磁場(chǎng)作用下，硅鋼片將引起振動(dòng)和噪聲。磁致伸縮產(chǎn)生的振動(dòng)是非正弦波的，噪聲的頻譜含有多種諧波分量，且噪聲隨磁通密度的增大而增大。大澤站2號(hào)主變?cè)趽Q流站單極運(yùn)行時(shí)的噪聲測(cè)試值如表5所示。

表5 單極運(yùn)行時(shí)主變?cè)肼暅y(cè)試數(shù)據(jù)

雙極運(yùn)行時(shí) A、B、C三相的平均噪聲分別為66.2dB、66.5dB、66.6dB。變壓器在直流偏磁時(shí)的噪聲值以高壓側(cè)最高，為81dB。與雙極運(yùn)行時(shí)相比，單極運(yùn)行時(shí)A、B、C三相的噪聲分別增長(zhǎng)了16.5%、16.6%、17.2%。

3 直流偏磁抑制措施

目前抑制直流偏磁的方法主要有電阻限流法、電容隔直法、反向電流注入法和改變系統(tǒng)運(yùn)行方式的方法。電容隔直法是在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)電容器，利用電容隔直通交特性阻斷直流偏磁電流的通路，原理簡(jiǎn)單、阻斷直流徹底，經(jīng)分析，中性點(diǎn)裝設(shè)電容器是抑制直流偏磁的最優(yōu)方法。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)變壓器中性點(diǎn)注入不同直流電流的仿真分析，得出：隨著中性點(diǎn)注入直流電流的增加，變壓器鐵心開(kāi)始飽和，勵(lì)磁電流正負(fù)半波不對(duì)稱(chēng)，波形發(fā)生畸變；當(dāng)注入直流電流達(dá)到高壓側(cè)額定電流5%的時(shí)候，勵(lì)磁電流畸變已經(jīng)比較嚴(yán)重，并且隨著注入直流電流的增加進(jìn)一步加劇。

2）當(dāng)換流站由雙極運(yùn)行變?yōu)閱螛O運(yùn)行時(shí)，變壓器中性點(diǎn)電流已經(jīng)超過(guò)高壓側(cè)額定電流的5%，變壓器一次側(cè)以及二次側(cè)諧波含量明顯增加，奇次諧波以及偶次諧波含量均有增加，其中以偶次諧波增加最為顯著，二次諧波最高增加值達(dá)10倍。

3）單極運(yùn)行時(shí)高壓側(cè)和低壓側(cè)的振動(dòng)最明顯，加速度和速度都顯著增大，是雙極運(yùn)行時(shí)的 8～9倍，說(shuō)明在雙極運(yùn)行變?yōu)閱螛O運(yùn)行的過(guò)程中變壓器承受著巨大的沖擊力，很容易造成變壓器損壞。

4）換流站單極運(yùn)行時(shí)，變壓器的噪聲比雙極運(yùn)行時(shí)增長(zhǎng)了大約17%。

5）直流偏磁的抑制宜采用中性點(diǎn)串聯(lián)電容器的方法。

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