吳昆霖 曾波

摘要：特高壓直流輸電工程是我國高壓電力輸送的重要工作，在特高壓直流輸電系統(tǒng)單極運行工況下，接地極電流注入大地引起地電位升高，導致變壓器發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象是其在運行中常見問題之一，對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行存在一定的威脅。文章以±800kV的直流輸電工程作為研究對象，對直流偏磁影響的計算進行詳細分析，以求能夠更好的解決相關(guān)問題，保證特高壓直流輸電工程的安全運行。

關(guān)鍵詞：特高壓；直流輸電工程；直流偏磁影響；計算

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：2095—6487（2018）02—0103—02

0引言

特高壓直流輸電系統(tǒng)具有輸送距離長、容量大、損耗小等優(yōu)點，因此受到了電力單位的關(guān)注和重視。近些年來，該系統(tǒng)的應用越來越廣泛，但是當直流輸電線路在調(diào)試檢修期間或發(fā)生故障時，其將會以單極大的回路方式運行。此時大地作為回流電路，可能會有高達數(shù)千安的直流電流通過，在接地極附近引起地電位升高，導致變壓器發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象。該現(xiàn)象的出現(xiàn)容易造成變壓器損耗，諧波增大，無功損耗增加，而且其還可能會對地埋設(shè)施造成損害。因此，如何有效的解決偏磁問題已經(jīng)逐漸成為人們探討的重點。

1直流偏磁原理和治理標準

直流偏磁現(xiàn)象發(fā)生時，直流接地極附近的電廠分布會因為流過電流在短時間內(nèi)大幅度增加，接地極附近出現(xiàn)較高的地表電勢。隨著距離逐漸增大，地表電勢則逐漸降低。而且由于不同地點間的地表電勢也有所不同，在這一地區(qū)的交流電網(wǎng)中，將會有直流電流從接地的中性點流入變壓器再通過輸電線流向遠方。變壓器繞組流過的直流電流導致運行的變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象，其給變壓器以及交流電網(wǎng)的安全運行帶來了較大的威脅。

而據(jù)我國《高壓直流接地極技術(shù)導則》的相關(guān)規(guī)定要求，同變壓器每組繞組的允許直流電流為：“單相變壓器為額定電流的0.3%，三相五柱變壓器為額定電流的0.5%、三相三柱變壓器為額定電流的0.7%?！备鶕?jù)變電站變壓器的容量和電壓等級，計算得到的繞組允許流過的直流電流見表1。

根據(jù)上表可以發(fā)現(xiàn)，當電壓等級和額定容量不同時，其單相允許直流、三相允許直流等也存在有較大的差異。

2特高壓直流偏磁計算研究

2.1直流偏磁計算原理分析

直流偏磁具有一定的復雜性，在分析變電站直流分布時需要從多個角度入手進行分析和考慮，一般地下電流場和地上網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是其必須要考慮的部分。當前常用的直流偏磁計算方法主要可以分為兩大類：一是，通過電磁場場路耦合的方式進行計算；二是，先計算電磁場大地電位分布，然后通過電磁暫態(tài)軟件解耦后計算直流偏磁值。

而當前SES公司所研發(fā)的CDEGS軟件能計算埋設(shè)或地面以上的帶電導體組成的任意網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)在正常、故障、閃電等暫態(tài)條件下的電流和電磁場，其具有應用范圍廣的優(yōu)點，也是文章研究應用軟件之一。文章在計算時，分別采用了電磁場路耦合以及解耦兩種方法對計算結(jié)果進行校核。方法一，借助軟件對接地極、變電站、線路等電力系統(tǒng)部分和土壤模型進行了一體化建模后計算得到了偏磁電流；方法二，則是先利用軟件對接地極和土壤建模后計算得到地電位分布，然后根據(jù)第一步得到的地電位分布采用電磁暫態(tài)軟件對電力系統(tǒng)的變電站和線路等進行建模分析。

2.2土壤和地電位分析

直流輸電系統(tǒng)單極大地回路運行時，影響電表電位分布的主要因素是入地電流以及土壤電阻模型。以±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)為例，當單極運行時最大對地注入電流高達5000A，則直流偏磁現(xiàn)象涉及區(qū)域比較廣泛，在某些時候其可能達到了方圓數(shù)百公里。而在研究時，結(jié)合其土壤模型測試，見表2。

通過對上表進行分析可以發(fā)現(xiàn)，當直流系統(tǒng)的起止深度以5000A注入大地時，在接地附近地電位的梯度比較大，以接地極為中心，隨著到接地極的距離逐漸增加，接電位則迅速下降。

2.3電力系統(tǒng)建模

結(jié)合《高壓直流輸電大地返回運行系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，應對極址周圍地電位升大于3V的變電站，則可以嘗試進行仿真計算，對于由輸電線路和變壓器的直流電阻構(gòu)成的地上電阻網(wǎng)絡，各變電站的地電位相當于與其相連接的電壓源。其簡化模型見圖1所示。

在使用上圖的直流電流分布時，在計算過程中由于需要計算大量的轉(zhuǎn)移阻抗，因此，其計算量比較大，而且實際上由于各變電站之間的距離要大于變電站的邊長，而且流過變電站的直流電流也比直流極入地的直流電流小，因此，各點編制的地電位中，由直流極入地的直流電流和變電站自身入地的直流電流所產(chǎn)生的地電位占有絕對優(yōu)勢，而由其他變電站入地的直流電流在該變電站所產(chǎn)生的地電位可以說是微乎其微的，因此變電站之間的轉(zhuǎn)移阻抗可以忽略不計。

2.4兩種計算方法的對比分析

結(jié)合實際的計算情況來看，以500kV電網(wǎng)為例將兩類直流偏磁計算方法進行對比，其計算結(jié)果表明，由于變電站自身入地的直流電流相比較直流極入地的直流可以說是微乎其微，因此采用解耦法進行計算時，雖然忽略了變電站地網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)移電阻，計算得到的偏磁電流與耦合法實際上差別并不是很大，而且解耦法簡化了建模和軟件處理的復雜程度，因此，在今后的工程中應用該方法也具有一定的優(yōu)勢。

3 ±800V直流偏磁實例分析

3.1直流工程計算范圍分析

在對某±800kV直流輸電工程進行分析時，其選址為某鎮(zhèn)，根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃網(wǎng)架和接地極周邊地表電位分布情況，對接地極附近150 km范圍內(nèi)地區(qū)220kV及以上電廠/變電站，50km范圍內(nèi)110kV變電站進行統(tǒng)一的建模和直流偏磁電流計算。其中總變電站數(shù)量約為300個，主要包含有500kv、110kV和220kV變電站。

3.2工程投產(chǎn)年直流偏磁計算

假設(shè)該直流工程計劃于2017年投產(chǎn)，考慮到直流單極大地回路運行問題，在實測土壤電阻率基本上針對上述電力系統(tǒng)模型進行直流偏磁影響計算，并按照分區(qū)統(tǒng)計流過單組三相組變中性點的直流電流進行統(tǒng)計得到1000kV，變電站中單組5.65A，500kV；變電站中單組為2.43A，220kV；最大站點單組為5.3A，110kV，單組為2.85A。在具體的計算過程中，其所采用的分類標準為：標準1，500kV及以上站點限值為10A，220kV站點為7A、110K站點為5A。標準2：參考直流治理標準，500kV及以上站點限值為20A、220kV站點15A、110kV站點為10A。在計算時結(jié)合實測土壤模型的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)流過變壓器中性點的直流電流比較小，無論按照治理標準1還是標準2，直流工程在運行過程中都不存在直流偏磁超標的站點。

3.3土壤模型變化影響

在進行偏磁計算時，受到測量條件的限制只能選取接地極附近的實測土壤，因此其測量結(jié)果并不能全面深入的反映建模范圍內(nèi)的整體情況。而在直流輸電工程實際運行過程中，百公里范圍內(nèi)土壤電阻率相對接地極可能會發(fā)生變化。因此，在計算測試過程中嘗試將實測土壤模型中的電阻率分別增大3～6倍，最終發(fā)現(xiàn)深層土壤電阻率均大于本工程接地極實測值，計算中得到的流過變壓器中性點的直流電流也明顯增大，而且隨著深層土壤電阻率逐步遞增。所以說，土壤模型的變化對于直流偏磁有著較大的影響，其中較深層土壤電阻率是影響直流偏磁計算結(jié)果的重要因素之一。

4結(jié)束語

特高壓直流輸電工程是我國電力事業(yè)發(fā)展的重要工程，其具有輸送距離遠，功耗損失率低的優(yōu)點，因此在較多工程中得到了廣泛的應用，但是其偏磁現(xiàn)象也比較常見，在相關(guān)工程運行過程中做好偏磁計算，能夠有效的保證其良好運行。