廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王 敏

目前，中國南方電網(wǎng)已形成“八交八直”西電東送大通道，廣東電網(wǎng)通過八條±500kV與±800kV直流輸電線路與中西部電網(wǎng)互聯(lián)。“十三五”期間西電東送將規(guī)劃建設(shè)形成“八交十一直”通道，廣東電網(wǎng)將匯聚更多的直流落點[1-3]。作為高壓直流密集落點的受端電網(wǎng)如廣東電網(wǎng)等實際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)采用大地作為其中之一回路的單極運(yùn)行方式時，直流落點附近中性點直接接地的變壓器出現(xiàn)噪聲增大、溫升增加、振動加劇等現(xiàn)象，電網(wǎng)運(yùn)行中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營時，近區(qū)變壓器也有類似現(xiàn)象發(fā)生，對變壓器的正常運(yùn)行與電網(wǎng)安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響[4-6]。

為減小直流單極大地運(yùn)行方式與城市軌道交通運(yùn)營對直流落點附近與城市軌道交通沿線附近變壓器運(yùn)行的沖擊，除考慮接地極與極址對電網(wǎng)直流偏磁的影響外，理論上大致有三種抑制變壓器直流偏磁的解決方案：一是利用反向電源產(chǎn)生反向磁通以抵消直流，二是加裝中性點阻隔裝置NBD（Neutral Blocking Device）以抑制直流，三是采取分流措施以削減直流。目前國內(nèi)外廣泛采用在變壓器中性點安裝隔直裝置的方案以抑制直流偏磁的影響[4]。

1 直流偏磁限制措施

1.1 直流偏磁相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定

中國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL437－2012《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定：通過變壓器繞組中直流電流不大于額定電流的0.7%。中國南方電網(wǎng)公司對不同容量變壓器耐受直流電流統(tǒng)一要求為若變壓器中性點持續(xù)存在不小于10A的直流偏磁時應(yīng)考慮采取限制措施，具體要求主要有：110kV及以上變壓器中性點直流電流超過其耐受能力（500kV變壓器4A/相、110kV和220kV變壓器10A/臺）時，應(yīng)采取抑制直流分量的措施；每臺自耦變壓器應(yīng)使用一套隔直裝置，普通變壓器宜不超過2臺變壓器共用一套隔直裝置。

1.2 隔直裝置及在電網(wǎng)中的應(yīng)用

PAC-50K系列——中國電力科學(xué)研究院技術(shù)（圖1）。其主要一次設(shè)備有隔直電容1與狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)2。裝置于直接接地運(yùn)行狀態(tài)時，測控單元時刻監(jiān)視中性點電流的變化。當(dāng)中性點直流電流大于裝置設(shè)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)換限值時，在自動運(yùn)行模式下裝置自動進(jìn)入電容接地運(yùn)行狀態(tài)，在手動運(yùn)行模式下裝置發(fā)出告警信號（光字牌及遠(yuǎn)程終端），等待運(yùn)行人員操作進(jìn)入電容接地運(yùn)行狀態(tài)。該裝置主要元件電容容量要求不小于3000uF，對應(yīng)工頻阻抗小于約1.1Ω，近年為了降低過電壓容抗值進(jìn)一步下降，目前多采用工頻阻抗0.1Ω、甚至更低，中國電力科學(xué)研究院認(rèn)為該裝置在交直流混聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)中可實現(xiàn)對交流變壓器中性點直流電流的抑制。該裝置在中國國家電網(wǎng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

DCBD系列——廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院技術(shù)（圖2）。若檢測到直流偏磁電流不超過5A，旁路開關(guān)K3始終處于合閘狀態(tài)，電容被短路，中性點經(jīng)旁路開關(guān)直接接地。當(dāng)檢測到直流偏磁電流超過5A并達(dá)到12s（可整定）后發(fā)出旁路開關(guān)分閘命令，中性點經(jīng)電容接地，利用電容隔直通交的特性限制中性點直流電流。該裝置主要元件電容工頻阻抗目前主要采用0.05Ω（多用于500kV變電站）與0.1Ω（多用于220kV變電站）兩個參數(shù)系列。廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院認(rèn)為該裝置在交直流混聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)中可實現(xiàn)對交流變壓器中性點直流電流的抑制。該裝置在中國南方電網(wǎng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

2 解析分析變壓器保護(hù)受到的影響

上述兩類隔直裝置均為當(dāng)監(jiān)測到主變壓器中性點直流電流越限（且達(dá)一定時限）時接入電容以抑制直流偏磁，此舉將改變系統(tǒng)的零序參數(shù)，在出現(xiàn)不對稱接地故障時繼電保護(hù)可能受到影響，主變繼電保護(hù)可能存在不正確動作的隱患，需對其進(jìn)行分析校核。

2.1 典型變壓器繼電保護(hù)配置

220kV電力變壓器主保護(hù)一般配置有差動保護(hù)、過電流速斷保護(hù)、瓦斯保護(hù)、油溫保護(hù)、壓力釋放保護(hù)等。后備保護(hù)一般配置有復(fù)合電壓啟動過流保護(hù)、負(fù)序電流保護(hù)等；反映接地故障的零序過流保護(hù)與中性點不接地時的零序電壓保護(hù)；對稱過負(fù)荷保護(hù)等。主變中性點接入的隔直電容只對接地故障相關(guān)的繼電保護(hù)產(chǎn)生影響，故本文主要分析220kV主變中性點接入隔直電容后對零序相關(guān)保護(hù)的影響。

2.2 故障與零序測量量分析

以下應(yīng)用解析方法分析變壓器繼電保護(hù)受電容隔直裝置影響的機(jī)理。考慮在系統(tǒng)大、小不同運(yùn)行方式及各種接地故障條件下，分析與零序保護(hù)相關(guān)的測量量受隔直電容的影響，進(jìn)而研究變壓器接地保護(hù)是否可能出現(xiàn)靈敏性與選擇性等問題。

2.2.1 故障分析模型

220kV主變中性點接入偏磁抑制裝置等值分析模型如圖3，模型假設(shè)220kV變電站M母線處主變中性點接入隔直電容，變電站N母線處主變中性點直接接地。MN兩端等效電源分別為.EM和.EN，M站主變中性點阻抗為ZφM0（僅有隔直電容時用其對應(yīng)的容抗值XφM0表征）。故障點過渡電阻用Rg表征，其它序阻抗如圖3標(biāo)示，并假設(shè)各元件正、負(fù)序阻抗相等。

當(dāng)MN線路的K點發(fā)生接地故障時，關(guān)鍵變量故障點零序綜合阻抗由ZΣ0變?yōu)閆'Σ0：

直觀看，鑒于工程上采用的隔直電容的容抗值XφM0與變壓器繞組的電抗值XTM0相比較小，因此對綜合零序阻抗Z'Σ0的改變亦較小。

2.2.2 計及XφM0時的零序電流、零序電壓、測量阻抗

單相接地故障時M側(cè)保護(hù)安裝處零序電流為：

單相接地故障時M側(cè)主變中性點零序電流為：

接入XφM0使得單相接地短路故障時M側(cè)保護(hù)零序電流增大，零序過流保護(hù)靈敏度提高，主變中性點零序電流增大，中性點零序過流保護(hù)靈敏度提高。靈敏度提高的幅度與隔直電容的工頻阻抗值正相關(guān)。

單相接地故障M側(cè)保護(hù)安裝處零序電壓為：

接入XφM0使得單相接地故障時M側(cè)零序電壓增大。即當(dāng)輸電線路末端發(fā)生單相接地故障時，線路首端的零序功率方向保護(hù)之零序電壓元件的靈敏度將提高。

單相接地故障M側(cè)的測量阻抗為：

經(jīng)分析，接入XφM0將使得單相接地故障時M側(cè)附加阻抗幅值減小，因而M側(cè)保護(hù)的測量阻抗幅值也將減小，即距離保護(hù)的靈敏度將提高、保護(hù)區(qū)將伸長，嚴(yán)重時可能使保護(hù)的選擇性受到挑戰(zhàn)，是否有超范圍的動作情況需要校核。

3 數(shù)值計算變壓器保護(hù)受到的影響

計算條件：利用中國電力科學(xué)研究院PSD故障計算軟件，考慮系統(tǒng)不同運(yùn)行方式、母線與線路不同故障位置、不同故障類型、不同過渡電阻等故障條件，對廣東電網(wǎng)某220kV變電站主變中性點增加電容隔直裝置進(jìn)行故障計算，以便對變電站主變中性點增加電容隔直裝置前后解析分析的結(jié)論進(jìn)行校核驗證，并對現(xiàn)有繼電保護(hù)的配置與整定進(jìn)行安全評估。運(yùn)行方式。電網(wǎng)夏大方式和冬小方式，主變中性點是否增加工頻約-j1.02Ω電容隔直裝置；故障類型。單相接地故障（A相）與兩相短路接地故障（BC相）；故障點位置。該站220kV母線與110kV母線，站外相關(guān)母線與線路中點（圖4）。

阻抗變化情況：該變電站主變壓器各側(cè)等值正序、零序阻抗參數(shù)見表1。與主變高壓側(cè)零序電抗參數(shù)j31.7929Ω相比，中性點增加-j1.02Ω的電容其降低幅度為9.6%。

表1 變壓器等值阻抗

中性點零序過流元件：該站220kV母線故障時中性點零序電流及其變化率結(jié)果見表2。在大、小運(yùn)行方式下該主變中性點接入隔直電容后，對其中性點零序電流影響最嚴(yán)重的情況是金屬性接地故障時該主變高壓側(cè)零序電流升幅最大約為1.5%。

表2 中性點零序電流計算結(jié)果

中性點零序方向元件：該站220kV母線故障時母線的零序電壓除中性點零序電流及其變化率結(jié)果見表3。中性點零序方向測量量幅值減小約1.5%、相角幾乎不變。數(shù)值計算表明，金屬性單相接地故障時，該220kV變電站主變中性點接入隔直小電容后，在不同運(yùn)行方式下，主變高壓側(cè)零序電流增長幅度的升幅最大約1.5%，該站高壓側(cè)母線的零序電壓比中性點零序電流的幅值變化范圍最大約1.5%，相角幾乎沒有影響。故該站主變中性點隔直小電容的接入不會影響其主變零序保護(hù)的正常工作。

表3 中性點零序計算結(jié)果

表3 中性點零序計算結(jié)果

方式 接地故障類型電容（Ω）.U0/.I0變化率幅值 相角大方式A相 0 19.6∠-94.9 1.50% 0%-1.02 19.3∠-94.9 BC相 0 19.6∠-93 1.50% 0%-1.02 19.3∠-93小方式A相 0 20.0∠-95 1.50% 0%-1.02 19.7∠-95 BC相0 20.0∠-93.2 1.50%0.10%-1.02 19.7∠-93.2-1.02 19.7∠-93.2

4 結(jié)語

本文以高壓直流密集落點的廣東電網(wǎng)在220kV變電站的主變壓器中性點增加電容隔直裝置為背景，以解析分析和數(shù)值計算兩種方法對隔直電容接入后對相關(guān)變壓器繼電保護(hù)的影響機(jī)理進(jìn)行研究?；窘Y(jié)論是該變電站變壓器零序過電流保護(hù)與中性點零序方向過電流保護(hù)的靈敏性均將提高、且提高的幅度與隔直電容的工頻阻抗值正相關(guān)。論文依托工程實例，對220kV變壓器繼電保護(hù)中零序電流、零序電壓、零序功率測量量的大小與角度等受隔直電容影響的元件的靈敏性與選擇性問題進(jìn)行數(shù)值計算與全面評估，結(jié)論是變壓器零序過電流保護(hù)與中性點零序方向過電流保護(hù)的靈敏性均將提高，提高的幅度均較小、在工程允許的誤差范圍內(nèi)。