劉從法， 殷 飛， 周 楠，魏德軍， 梁 明

( 1. 中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2. 國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

在直流系統(tǒng)中，當(dāng)直流入地電流或不平衡電流導(dǎo)入大地后，接地點(diǎn)附近電位相對(duì)會(huì)升高[1]。當(dāng)直流電流通過中性點(diǎn)接地的變壓器串入交流系統(tǒng)后，過大的直流電流會(huì)使變壓器發(fā)生直流偏磁[2-3]。直流偏磁會(huì)導(dǎo)致變壓器勵(lì)磁電流畸變，偏磁嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量諧波，使變壓器損耗增加、溫度升高、噪聲增大等，甚至損壞變壓器，危及到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-9]。

文中對(duì)古泉換流站接地極周圍變壓器以及變電站地網(wǎng)進(jìn)行了研究，對(duì)直流單極大地運(yùn)行在不同土壤模型的情況下，接地極入地電流對(duì)周邊交流電網(wǎng)中變壓器直流偏磁電流分布進(jìn)行計(jì)算分析，并結(jié)合變壓器直流偏磁的耐受電流限值，提出相應(yīng)的變壓器直流偏磁的治理范圍及治理措施。

1 變壓器直流偏磁影響計(jì)算模型的確立

1.1 計(jì)算方法

先獲得接地極入地電流產(chǎn)生的地表電位分布，再根據(jù)交流線路的長(zhǎng)度、線路走向、變電站接地電阻、變壓器繞組的直流電阻等參數(shù)，計(jì)算得到變壓器中性點(diǎn)的直流電流大小。直流系統(tǒng)入地電流串入交流系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 直流入地電流串入交流系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of DC ground current series into AC system

根據(jù)圖1，進(jìn)入變壓器中性點(diǎn)的直流電流可用下式估算：

(1)

式中：VA，VB分別為變電站A和變電站B的地表電位；RA，RB分別為變電站A和變電站B的接地電阻；RTA，RTB分別為兩變電站主變單相繞組直流電阻；RZ為兩站之間輸電線路單相導(dǎo)線直流電阻。

將直流接地極的地中電流場(chǎng)和交流電網(wǎng)的地上電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行耦合求解，即可建立直流接地極入地電流在周邊變壓器分布的場(chǎng)路耦合模型，并基于此原理建立廣域尺度下直流電流分布計(jì)算。

1.2 影響變壓器直流偏磁的主要因素

影響直流偏磁電流極值與分布的因素有直流接地極與電網(wǎng)的相對(duì)位置、大地電阻率、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)域參數(shù)和變壓器類型等[10-14]。

1.3 變壓器直流偏磁耐受電流

當(dāng)直流電流經(jīng)接地極入地時(shí)，地中電流一部分經(jīng)由變壓器接地的中性點(diǎn)和交流輸電線路流到另一端的變壓器，并經(jīng)該變壓器的中性點(diǎn)入地產(chǎn)生直流磁通，使鐵心磁化曲線不對(duì)稱，加劇鐵心飽和，導(dǎo)致變壓器噪音增大，可引起變壓器鐵心、螺栓、外殼等處的過熱，甚至造成變壓器損壞[15-17]。

依據(jù)規(guī)定，根據(jù)變壓器的容量和電壓等級(jí)，計(jì)算得到500 kV變壓器三相繞組允許流過的直流電流為7.79～10.41 A；220 kV變壓器三相繞組允許流過的直流電流為5.91～9.93 A；110 kV變壓器三相繞組允許流過的直流電流為3.48～8.82 A[18-19]。

程序切片技術(shù)[5]是一種通過對(duì)程序進(jìn)行分解，只保留與待分析特性相關(guān)的程序片段來(lái)對(duì)程序進(jìn)行分析的技術(shù)。由Mark Weiser在80年代提出，最初程序切片技術(shù)主要被用于程序的調(diào)試工作[6]。Susan Horwitz等人在文章[7]對(duì)程序切片技術(shù)的定義為：“對(duì)程序的切片得到的程序，一般是由程序中的部分語(yǔ)句和部分判定表達(dá)式組成的”。其中的部分語(yǔ)句和表達(dá)式是指那些對(duì)程序上的某個(gè)點(diǎn)p所使用的變量v產(chǎn)生影響的語(yǔ)句和表達(dá)式。其中將（p，v）定義為程序的切片準(zhǔn)則。

綜上分析，并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，因古泉換流站接地極地處華東地區(qū)，其對(duì)直流偏磁治理標(biāo)準(zhǔn)參考溪浙直流工程的治理標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。變壓器型式分別為500 kV，220 kV，110 kV時(shí)，其治理標(biāo)準(zhǔn)值分別為20 A，15 A和10 A。

2 實(shí)測(cè)土壤電阻率模型下的直流偏磁分布

2.1 極址土壤電阻率

根據(jù)地中電流場(chǎng)分布的基本原理，極址周邊區(qū)域的電位分布主要由極址區(qū)域淺層的土壤電阻率決定。而遠(yuǎn)離極址的土壤中電位分布，主要與極址深層和周邊大范圍的土壤電阻率有關(guān)，淺層電阻率對(duì)其影響較小。相對(duì)于接地極本體尺寸而言，極址周邊設(shè)施相對(duì)較遠(yuǎn)，屬于廣域范圍的電場(chǎng)分布問題，在計(jì)算評(píng)估直流接地極入地電流對(duì)周邊設(shè)施影響時(shí)，采用深層的土壤電阻率更為合適[20-21]。

因此，古泉換流站接地極土壤分層采用表1所示的土壤模型。

表1 古泉換流站接地極土壤結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Tab.1 Soil structure calculation model of grounding electrode of Guquan converter station

2.2 接地極布置形狀

本接地極目前為世界上電壓等級(jí)最高的接地極，其系統(tǒng)條件為額定電流5523 A，過負(fù)荷電流5839 A，雙極不平衡電流10 A。

根據(jù)系統(tǒng)條件、土壤電阻率以及接地極區(qū)域地形條件等限制，古泉換流站接地極采用雙環(huán)跑道型布置，內(nèi)、外環(huán)直線段為380 m，內(nèi)環(huán)半徑為180 m，外環(huán)半徑215 m。內(nèi)、外環(huán)埋深分別為3.5 m,4.5 m。電流通過導(dǎo)流電纜從中心設(shè)備區(qū)引向極環(huán)4個(gè)端部，再通過配電電纜、引流電纜連接至饋電棒上。

2.3 地電位分布計(jì)算

圖2 接地極0～1000 m地表電位分布Fig.2 Ground potential distribution of 0 ～ 1000 m grounding electrode

圖3 接地極1～10 km地表電位分布Fig.3 Ground potential distribution of 1 ～ 10 km grounding electrode

圖4 接地極10～100 km地表電位分布Fig.4 Ground potential distribution of 10 ～ 100 km grounding electrode

評(píng)估直流接地極對(duì)附近變電站直流偏磁的影響時(shí)，計(jì)算應(yīng)考慮的交流電網(wǎng)范圍至少應(yīng)包括地電位升大于3 V的區(qū)域。由古泉換流站接地極地表電位分布計(jì)算結(jié)果，在最大過負(fù)荷電流5839 A下，距離接地極85 km處的地表電位降為3 V。將該接地極周圍安徽省境內(nèi)的宣城、黃山、池州、蕪湖、銅陵地區(qū)的全部中性點(diǎn)有效接地(即220 kV及以上)變電站、電廠，以及安慶、馬鞍山、合肥、六安等地區(qū)與之有電氣連接的部分中性點(diǎn)有效接地(即220 kV及以上)變電站、電廠納入計(jì)算范圍之中。接地極附近的交流電網(wǎng)分布如圖5所示。

圖5 古泉換流站接地極對(duì)附近交流電網(wǎng)影響計(jì)算模型Fig.5 Calculation model of influence of grounding electrodeof Guquan converter station on adjacent AC power grid

2.4 直流偏磁電流計(jì)算

通過建立古泉換流站接地極對(duì)附近交流電網(wǎng)影響計(jì)算模型，計(jì)算得到各變電站入地總電流如圖6和圖7所示?？梢钥闯觯嚯x接地極較近處的中性點(diǎn)總?cè)氲仉娏飨鄬?duì)較高，較遠(yuǎn)處的總?cè)氲仉娏飨鄬?duì)較低，但入地電流大小與距離并不直接成正比，還取決于該方向上的線路參數(shù)。

圖6 各站變壓器入地總電流Fig.6 Total current into ground of transformer in each station

圖7 接地極附近各站變壓器入地總電流Fig.7 Total current into ground of transformer in each station near grounding electrode

由于極址土壤電阻率相對(duì)較低，古泉換流站接地極對(duì)周邊變壓器的影響整體較小。該土壤模型下無(wú)超標(biāo)站點(diǎn)。僅220 kV琴溪站等效直流偏磁電流為-12.22 A，接近治理標(biāo)準(zhǔn)。

3 其他對(duì)比土壤模型下的直流偏磁分布

3.1 對(duì)比土壤模型的選取

實(shí)際上由于地質(zhì)、地形等因素的影響，大地深層電阻率的分布可能在各向都存在一定的差異性。如果僅考慮古泉換流站接地極極址本身的深層大地電阻率進(jìn)行直流偏磁的評(píng)估，有可能會(huì)造成對(duì)交流電網(wǎng)影響的預(yù)估不足。因此，為提高接地極入地電流對(duì)直流偏磁的敏感性，有必要在古泉換流站接地極土壤模型的基礎(chǔ)上，改變深層土壤電阻率的分布，加大土壤電阻率倍數(shù)。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，取3倍土壤模型和5倍土壤模型進(jìn)行計(jì)算。研究其對(duì)直流偏磁電流分布的影響程度，對(duì)比土壤模型如表2所示，為了研究的需要，對(duì)土壤模型的定義如下：

(1) 3倍土壤模型：將表1中的土壤模型第1～6淺層(約8 km)的土壤電阻率保持不變，第7～12深層的電阻率增大至原來(lái)的3倍。

(2) 5倍土壤模型：將表1中的土壤模型第1～6淺層(約8 km)的土壤電阻率保持不變，第7～12深層的電阻率增大至原來(lái)的5倍。

表2為3種土壤模型對(duì)比，其中ρ為土壤電阻率，h為地表深度。

表2 對(duì)比土壤模型選取Tab.2 Selection of contrast soil model

3.2 3倍土壤模型下的計(jì)算結(jié)果

采用表2 所示的3倍土壤模型進(jìn)行直流偏磁計(jì)算，得到各變電站入地總電流如圖8所示。

圖8 3倍土壤模型下的直流偏磁電流分布Fig.8 Dc bias current distribution under triple soil model

由計(jì)算結(jié)果可知，相對(duì)于實(shí)測(cè)土壤電阻率模型，3倍土壤模型下接地極的直流偏磁影響范圍和大小顯著增加，僅220 kV琴溪站超標(biāo)。

3.3 5倍土壤模型下的計(jì)算結(jié)果

采用表2所示的5倍土壤模型，計(jì)算得到各變電站入地總電流如圖9所示。

圖9 5倍土壤模型下的直流偏磁電流分布Fig.9 Dc bias current distribution under 5 multiple soil model

由計(jì)算結(jié)果可知，相對(duì)實(shí)測(cè)土壤電阻率模型，在5倍土壤模型下，亦僅220 kV琴溪站超標(biāo)。

4 直流偏磁治理方案

直流偏磁的治理方案有串阻限流法、電容隔直法、反向電流注入法、電位補(bǔ)償法等，目前前兩者工程應(yīng)用相對(duì)成熟。鑒于串阻限流法存在殘余直流，結(jié)合溪浙等工程的治理經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)先選用隔直治理。

根據(jù)上述計(jì)算，實(shí)測(cè)土壤電阻率模型下，無(wú)站超標(biāo)，但220 kV琴溪站直流偏磁接近超標(biāo)。若深層電阻率按實(shí)測(cè)土壤電阻率模型的3、5倍考慮，僅有220 kV琴溪站1個(gè)站超標(biāo)。因此，對(duì)琴溪站采用加裝隔直裝置進(jìn)行偏磁治理。

5 結(jié)論

通過對(duì)古泉換流站接地極對(duì)其周邊中性點(diǎn)有效接地的變電站、輸電線路進(jìn)行建模，對(duì)其變壓器直流偏磁電流的分布及其抑制措施開展了計(jì)算分析，結(jié)論如下：

(1) 在實(shí)測(cè)土壤電阻率模型下，由于極址深層土壤電阻率較低，古泉換流站接地極對(duì)周邊變壓器的影響整體較小，僅220 kV琴溪站等效直流偏磁電流為-12.22 A，接近治理標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 深層土壤電阻率對(duì)直流偏磁的影響較大。若深層電阻率按靈敏性更高的3、5倍考慮，僅有220 kV琴溪站1個(gè)站超標(biāo)，可對(duì)其采用加裝隔直裝置的方案來(lái)進(jìn)行偏磁處理。

(3) 由于大地深層電阻率的分布各向存在差異性，橫向深層的電阻率的分布也會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。

(4) 采用的土壤模型計(jì)算結(jié)果為工程建設(shè)提供了參考，但考慮到土壤模型與實(shí)際土壤的差異，直流偏磁電流實(shí)際值應(yīng)以接地極投運(yùn)后的實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)。

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