王立志,魏云

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011 2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司，寧夏 銀川 750011)

遠距離超高壓和特高壓直流輸電中，當(dāng)直流輸電系統(tǒng)在單極運行或雙極不平衡運行時，大電流注入接地極，致使處于接地極內(nèi)變電站之間存在電位差。隨著近些年超、特高壓直流輸電工程的大規(guī)模建設(shè)，單極運行時導(dǎo)致直流接地極附近變壓器大規(guī)模直流偏磁時有發(fā)生，嚴重危急系統(tǒng)中的主變壓器，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生了較大影響。危害主要表現(xiàn)為引起主變CT飽和，差動保護誤動作，引起主變過激磁，過激磁保護動作[1-4]。過大的直流電流可能引起變壓器磁飽和，產(chǎn)生振動加劇、噪聲增大、諧波增大、局部過熱等問題[5-6]。為了保障電網(wǎng)的安全、可靠運行，直流偏磁抑制裝置已得到廣泛應(yīng)用。

本文通過一起主變壓器直流偏磁抑制裝置運行異常原因分析，提出了改進措施，避免類似異常再次發(fā)生，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

1 抑制變壓器直流偏磁的方式

目前，抑制流入變壓器中性點直流電流的方法主要有以下3種[1,7-8]：

(1)反向注入法

該方法是在變電站附近建設(shè)1個小型的接地極，向大地注入反向電流，以抵消注入的直流電流。此法不改變變壓器中性點原有的接線方式，對繼電保護無影響，但需建造輔助接地極，投資較大且無法快速啟動，輔助接地極的入地電流可能造成二次污染。

(2)電阻法

在變壓器中性點裝設(shè)電阻，限制直流電流的大小，此方法不能完全消除中性點電流，電阻值過大會對零序網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和主變壓器的過電壓能力造成影響。

(3)電容法

在變壓器中性點裝設(shè)電容，利用電容的通交流、阻直流的特性，阻斷直流電流；但加裝電容后，有可能改變變壓器中性點直接接地的特性，對主變壓器的過電壓能力和繼電保護造成影響。

某地區(qū)廣泛采用以下2種電容式直流偏磁抑制裝置。

1.1 有源式直流偏磁抑制裝置

有源式直流偏磁抑制裝置有2種運行方式[9-10]，如圖1所示。方式1：正常運行時，Zd1刀閘在分，Zd2刀閘在合，高速旁路開關(guān)HSD在分，利用電容C隔直流通交流的作用，主變壓器中性點通過電容器C接地運行。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生非對稱性短路故障時，有較大的短路電流流經(jīng)主變壓器中性點時，高速旁路開關(guān)HSD快速合閘，利用HSD開關(guān)將短路電流導(dǎo)入大地回路。方式2：正常運行時，Zd1刀閘在分，Zd2刀閘在合，高速旁路開關(guān)HSD在合，主變壓器中性點通過HSD直接接地運行，當(dāng)檢測到系統(tǒng)有較大的直流分量時，斷開HSD開關(guān)，此時主變壓器中性點通過電容C回路接地運行，隔離直流分量。

圖1 有源型直流偏磁抑制裝置原理

無論是方式1還是方式2，都需增加快速開關(guān)進行分、合閘，優(yōu)點是電容器本身不必承受非對稱接地短路故障，運行可靠。缺點是快速開關(guān)本身需要接入可靠的交、直流電源，成本較高。

1.2 無源式直流偏磁抑制裝置

圖2 無源式直流偏磁抑制裝置原理

裝置運行原理如圖2所示，正常運行時，GN2在分，GN1在合，主變中性點通過電容隔直裝置接地，防止直流分量進入交流電網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時，故障電流將會流過主變中性點，致使中性點電壓抬升。設(shè)置氧化鋅閥片限制電容器兩端電壓至可承受的900 V。為避免氧化鋅避雷器長時間承受大電流，設(shè)置放電間隙，確保系統(tǒng)不至于失地運行。

2 故障情況和設(shè)備檢查

該地區(qū)裝設(shè)直流偏磁裝置涉及5座變電站，分別以A、B、C、D、E區(qū)分，共11臺主變壓器配置直流偏磁抑制裝置，1臺有源式，10臺無源式。2019年，該地區(qū)3座330 kV變電站5臺主變壓器中性點直流偏磁抑制裝置電容器回路末端限流電阻片熔斷，且有明顯放電痕跡，此次損壞設(shè)備均為無源式直流偏磁抑制裝置。

2.1 A站

A站1號、2號主變壓器直流偏磁抑制裝置電容末端連接銅片熔斷，如圖3所示。

圖3 A站1、2號主變直流偏磁抑制裝置電容末端電阻熔斷

圖4 B站1號主變直流偏磁抑制裝置電容末端連接銅片燒黑

2.2 B站

B站1號主變直流偏磁抑制裝置電容組接地側(cè)連接電阻片燒黑，末端電阻片未燒斷，見圖4。2號主變直流偏磁抑制裝置電容組接地側(cè)連接電阻片燒黑，末端電阻片已燒斷，有明顯放電現(xiàn)象，如圖5。

圖5 B站2號主變直流偏磁抑制裝置電容末端連接銅片附近放電痕跡

2.3 C站

現(xiàn)場檢查C站3號主變直流偏磁抑制裝置監(jiān)測正常，檢查發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)燒灼痕跡明顯，電容器側(cè)接地電阻片銅牌上所包裹的絕緣材料已經(jīng)破裂，見圖6—圖7。

圖6 C站3號主變電容器回路銅牌左上角木質(zhì)螺絲燒斷

圖7 C站3號主變電容器回路銅牌絕緣膠套融化

3 故障原因及改進措施

3.1 故障原因

發(fā)生故障的直流偏磁抑制裝置損壞處主要集中在電容器回路末端限流電阻片處，根據(jù)電容器隔直流、通交流的作用分析，直流分量無法進入電容器回路，無法造成本次故障。造成電阻片熔斷的原因有3種可能：(1)變壓器正常運行中流經(jīng)中性點的長時小電流分量；(2)直流系統(tǒng)非正常運行狀態(tài)下經(jīng)中性點流入主變壓器的直流分量；(3)系統(tǒng)發(fā)生非對稱接地故障時流經(jīng)中性點的短時大電流分量。

在變壓器正常運行時，正常流經(jīng)變壓器中性點的電流很小，同時D、E站直流偏磁抑制裝置電阻片與A、B、C站完全一致，中性點電流也相差不大，但D、E站直流偏磁抑制裝置電阻片完好，說明長時小電流不是造成電阻片熔斷的主要原因。

變壓器正常運行時流經(jīng)變壓器中性點的交流量很小，而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生非對稱短路故障時，較大的短路電流要流經(jīng)電容器回路。經(jīng)統(tǒng)計，2016年至2019年間，發(fā)生異常的A、B、C站發(fā)生非對稱接地故障統(tǒng)計如下：

A站：1號、2號、3號主變直流偏磁抑制裝置自投運后，發(fā)生110 kV線路非對稱接地故障12次，最大短路電流值12.84 kA。

B站：1號、2號、3號主變直流偏磁抑制裝置自投運后，發(fā)生110 kV線路非對稱接地故障8次，最大短路電流值7.650 kA。

C站：3號主變直流偏磁抑制裝置自投運后發(fā)生110 kV線路非對稱接地故障1次，最大短路電流值達到10.472 kA。

D站：1、2號主變并列運行，2號主變采用有源式直流偏磁抑制裝置，發(fā)生非對稱接地短路故障時，快速開關(guān)動作，主變中性點直流偏磁抑制裝置電容器回路電阻片不會流過故障電流。

E站：1、2號主變直流偏磁抑制裝置投運后，未發(fā)生非對稱接地故障。

發(fā)生電阻片熔斷的變壓器中性點均受到短路電流的沖擊，且未設(shè)置快速開關(guān)先行動作，同時短路電流萬安級。電阻片設(shè)計電阻R=0.06 Ω，電阻片材質(zhì)為304不銹鋼，電阻率ρ=0.73 Ω·mm2/m，密度g=7.93 g/cm3，比熱容c=0.5 kJ/(kg·K)，寬度a=20 mm,厚度b=1.5 mm,則

S=a×b=20×1.5=30(mm2)

(1)

(2)

此外，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，主變中性點將有千安級的大電流沖擊流過，以單相短路電流為10 320 A短路電流(取A、B、C站最大短路電流平均值)、持續(xù)時間為0.06 s(以主保護切除故障的固有時間考慮)，則溫升

這個溫升已超過電容器組限流電阻片的極限工作溫度(不銹鋼的熔點約為1 400 ℃，極限工作溫度為800 ℃；足以造成不銹鋼嚴重碳化，表面環(huán)氧板(絕緣層)燒糊。如果不銹鋼限流電阻片遭受短時大電流沖擊，溫升更高且更易造成電容器組限流電阻片熔斷。

3.2 改進措施及建議

(1)將在運主變壓器無源直流偏磁抑制裝置采用限流鋁合金電阻片結(jié)構(gòu)形式更改為采用面積為40×4 mm2銅排直接搭接的方式，減少電阻值，增加通流能力，減少發(fā)熱量，避免發(fā)熱熔斷引起主變壓器中性點失去接地，但裝置能否經(jīng)受大電流沖擊，仍需進一步論證，目前經(jīng)過改造的直流偏磁抑制裝置運行正常。

(2)在今后的設(shè)備運維過程中，如果系統(tǒng)中直接接地主變壓器經(jīng)過非對稱接地短路故障電流沖擊，需詳細檢查主變壓器中性點直流偏磁抑制裝置，尤其是放電回路，以免造成主變壓器中性點接地回路熔斷導(dǎo)致變壓器長時間失地運行。

(3)在新建直流偏磁抑制裝置驗收時，提出進行耐受短路電流沖擊試驗的具體要求，避免問題遺留至運維階段。

4 結(jié) 論

通過以上分析，系統(tǒng)發(fā)生非對稱短路接地時，產(chǎn)生的短路電流分量流經(jīng)直流偏磁裝置電容回路末端鋁合金電阻片，引起電阻片發(fā)熱熔斷，是造成本次直流偏磁抑制裝置損壞的原因，與直流換向時產(chǎn)生的直流分量或者運行中的交流分量無關(guān)。建議今后新投的直流偏磁抑制裝置，出廠試驗階段要經(jīng)過充分的短路電流耐受驗證，避免問題遺留至運維階段。加強對變電站附近環(huán)境的巡視，及時清除變電站、線路周圍漂浮物，防止因線路外破、異物搭接引起的近區(qū)短路。當(dāng)直接接地系統(tǒng)中的主變壓器運行時，系統(tǒng)一旦發(fā)生非對稱接地故障，運維人員應(yīng)及時檢查主變壓器中性點及中性點直流偏磁抑制裝置是否完好。