毛昱良

引言

四川瀘州川南發(fā)電有限責(zé)任公司（方山電廠）正處于向家壩--上海±800kV復(fù)奉直流超高壓直流輸電線路接地極附近，其中2013年復(fù)奉直流共發(fā)生6次不對稱運行方式，方山電廠220kV中性點接地運行的變壓器就出現(xiàn)了噪聲、振動明顯增大等情況，測得中性點最大直流電流為18A，數(shù)值大大超過了主變壓器額定允許流過的直流電流8.59A。直流偏磁現(xiàn)象對變壓器的正常運行和使用壽命有著嚴(yán)重的影響，危害大型發(fā)電廠安全運行，因此應(yīng)加以重視。

1、變壓器直流偏磁的原因

當(dāng)直流電流流入中性點接地變壓器的三相繞組時，會在鐵心磁通中產(chǎn)生直流分量，引起磁通偏移，從而使勵磁電流高度畸變，變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象。其原因主要有以下兩種：

a、太陽等離子風(fēng)活動引起的“地磁暴”會在地表產(chǎn)生電勢差，誘發(fā)的地磁感應(yīng)電流（近似直流）在中性點接地變壓器中產(chǎn)生直流偏磁；b、超高壓直流輸電單極大地回路運行或雙極輸送功率不平均時，因交流系統(tǒng)的直流阻抗很小，會有直流電流流入中性點接地變壓器產(chǎn)生直流偏磁。

2、直流對中性點接地變壓器的影響分析

受到大地電阻的影響，直流電流在大地中流通總是從高電位流向低電位。那么兩個換流站接地極之間肯定會產(chǎn)生電位差，入地電流將由逆變器接地極流向整流器接地極。如果不同地點并聯(lián)運行的中性點接地變壓器處在接地極附近，那么變壓器的中性點必然會有壓降。接地極的一部分入地電流將從地電位較高的變壓器1中性點串入其繞組，通過輸電線路進(jìn)入中性點地電位較低的變壓器2繞組，再由中性點流入大地，從而構(gòu)成直流回路。

圖1 構(gòu)成直流回路示意圖

如圖2所示：當(dāng)中性點電壓被抬升，有直流分量時（虛線），磁路工作在磁化曲線的非線性區(qū)域，使得變壓器磁通發(fā)生偏置，導(dǎo)致鐵芯半波飽和，產(chǎn)生很大的激磁電流。

圖2 變壓器直流偏磁原理圖

直流偏磁引起變壓器勵磁電流高度畸變，產(chǎn)生大量諧波。當(dāng)諧波頻率與變壓器有關(guān)部件的固有頻率接近時，發(fā)生共振噪音增大。嚴(yán)重磁飽和產(chǎn)生的漏磁通導(dǎo)致磁致伸縮加劇，變壓器振動加劇，同時磁滯損耗和渦流損耗使鐵損增加，鐵心的空載損耗增大。勵磁電流的增大使變壓器無功消耗增加，銅損增加，線圈發(fā)熱，損壞絕緣，降低變壓器使用壽命，威脅變壓器的安全運行。

3、變壓器直流偏磁治理方法

根據(jù)變壓器直流偏磁的原因，目前主要有以下消除中性點直流電流的方法：

3.1中性點串聯(lián)電阻

在變壓器中性點串入一個低值電阻，這樣能夠有效地抑制流入中性點的直流電流。其優(yōu)點：原理簡易，容易實施，成本較低。缺點：a、無法完全消除流入中性點的直流；b、電阻值選取較大時變壓器中性點不能可靠接地；c、系統(tǒng)零序參數(shù)產(chǎn)生了變化，影響到繼電保護(hù)的整定；d、每當(dāng)電網(wǎng)運行方式改變時，接地電阻需要重新計算阻值并更換?，F(xiàn)場應(yīng)用較少。

3.2中性點注入反向直流電流

借助有源注入直流電流直接抵消大地電流竄入變壓器中性點的直流電流。其優(yōu)點：使用靈活，無需改變系統(tǒng)參數(shù)。缺點：a、由于采用的是先檢測后抑制，存在滯后性，導(dǎo)致不能完全抵消中性點的電流；b、工程量大，必須為裝置建造一個獨立的接地極；c、裝置的成本和維護(hù)費用較高。雖然國內(nèi)已有使用，但不適合推廣。

3.3在交流線路上串聯(lián)電容

變壓器繞組出線處串聯(lián)電容，能夠有效切斷直流回路。其優(yōu)點：a、完全隔離直流電流流入交流系統(tǒng)；b、能夠增加線路輸送的能力，大大提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。缺點：a、對電容自身的要求較高；b、電網(wǎng)中有自耦變壓器時，必須要安裝多個電容。

3.4變壓器中性點串聯(lián)電容器

因為電容器具有“隔直通交”的特性，所以將其串入變壓器中性點用來隔斷直流電流流入變壓器中性點。電容器組工頻阻抗很小，理論上可以認(rèn)為變壓器中性點是金屬接地，不需要修改變壓器繼保參數(shù)；在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，旁路保護(hù)裝置可以承受大電流短時沖擊和快速合上旁路開關(guān)，保證系統(tǒng)和隔直裝置的安全。因此，使用中性點串聯(lián)電容的方法較普遍。

圖3 中性點串聯(lián)電容器原理圖

4、方山電廠采取的治理方案

方山電廠#1、2主變?yōu)槿辔逯街貞cABB變壓器；啟備變?yōu)槿嗳教焱６ㄗ儔浩?。由于直流輸電接地極電流對不同結(jié)構(gòu)變壓器所產(chǎn)生的影響不同，根據(jù)研究結(jié)果表明，對三相五柱式變壓器影響較大，對三相三柱式變壓器影響較小，而實測結(jié)果也證明了這一點。經(jīng)反復(fù)論證與技術(shù)評估，方山電廠于2014年最終采用變壓器中性點串聯(lián)電容器技術(shù)僅對主變中性點直流電流進(jìn)行抑制。#1、#2主變共用一臺隔直裝置采用一拖二的結(jié)構(gòu)，但同一時間僅允許一臺主變通過該裝置中性點接地運行。

以#1主變使用隔直裝置為例：在變壓器中性點新設(shè)一把K12隔離開關(guān)，為保證完全隔離直流電流，在隔直裝置投運后，#1主變中性點接地隔離開關(guān)K11處于分?jǐn)酄顟B(tài)，新設(shè)隔離開關(guān)K12處于閉合狀態(tài)。當(dāng)變壓器中性點未檢測到直流電流，這時旁路開關(guān)K3處于合閘狀態(tài)，#1主變中性點通過旁路開關(guān)K3金屬接地，保證系統(tǒng)發(fā)生任何故障，變壓器中性點均不出現(xiàn)不接地狀態(tài)。當(dāng)變壓器中性點檢測到直流電流超限時，旁路開關(guān)K3立即斷開，使得電容器組投入運行以隔斷直流電流，然后再通過電容器組兩端的直流電壓判斷變壓器中性點的直流電流已消失，則裝置合上旁路開關(guān)K3。裝置在電容接地運行狀態(tài)下，一旦檢測到變壓器中性點的交流電流超限時，裝置判斷為電網(wǎng)發(fā)生不對稱短路故障，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，同時驅(qū)動旁路開關(guān)K3立即合閘，確保#1主變中性點迅速進(jìn)入直接接地運行狀態(tài)。

圖4 一拖二的變壓器中性點隔直裝置

5、結(jié)束語

綜上所述，直流偏磁現(xiàn)象嚴(yán)重危害中性點接地變壓器及電力系統(tǒng)的安全運行，與其他三種治理方法相比，變壓器中性點串聯(lián)電容器法成熟實用，是治理直流偏磁比較理想的措施。本文結(jié)合方山電廠采取的治理方案驗證了由該方法構(gòu)成的隔直裝置的可靠性，為大型發(fā)電廠變壓器直流偏磁防治提供了參考。

（作者單位：四川瀘州川南發(fā)電有限責(zé)任公司）