台山电厂变压器直流偏磁研究与防治_0

1、台山电厂变压器直流偏磁研究与防治马志强1 李占元2 郭渭彬1赵伟2彭桥2(1 广东省电机工程学会，广州510600 2 广东国华粤电台山发电有限公司，台山529200)摘 要：文章简要回顾台山电厂几起典型直流偏磁事件，讨论直流输电大地电流对交流电网影响等效网络的简化原则，应用极地电阻网络分析高肇直流对台山电厂变压器直流偏磁的影响以及台山电厂变压器中性点直流电流的变化规律，比较小电阻限流法、电容隔直法、反向电流限制法和电位补偿方法的优缺点，提出抑制台山电厂变压器中性点直流电流的工程建议。关键词：电力系统；直流输电；变压器直流偏磁Transformer biasing analysis and l

2、imitation in Taishan power plantMa Zhiqiang1 Li Zhanyuan2 Guo Weibin1 Zhao Wei2 Peng Qiao 2(1 Guangdong Branch of CSEE, Guangzhou, China 510600; 2 Taishan Power Plant, Taishan, Guangdong, China 529200)1Abstract:This paper discusses the equivalent principle of AC power network under DC ground current

3、, analyzes transformer biasing in Taishan power plant raised by Gaozhao HVDC transmission line fault, describes the basic characteristic of Taishan transformer neutral current, compares the strongpoint and shortage of resistance, capacitor, reverse DC injection and potential compensation methods to

4、eliminate the neutral DC current in transformers, and recommends a scheme to be applied in Taishan power plant.Keyword: Power System, HVDC, Transformer Biasing7台山电厂变压器直流偏磁研究与防治7前言台山电厂近年来屡屡发生直流输电大地电流串入中性点接地变压器，导致变压器直流偏磁的事件，其中受高肇直流输电系统的影响最为严重，主变中性点电流最高达58A，影响设备安全。如何定量分析直流输电大地电流对台山电厂变压器的影响？台山电厂变压器中性点直流

5、电流与哪些因素有关，变化规律如何？台山电厂适宜采用何种限制变压器中性点电流的工程措施以保障主变的安全？所有这些电厂极为关注，为此展开了相关研究【20】。本文简要回顾台山电厂几起典型直流偏磁事件，讨论交流电网等效简化原则，应用极地电阻网络算法和电位曲线拟合算法分析高肇直流、天广直流对台山电厂变压器的影响，比较抑制变压器中性点电流的小电阻限流法、电容隔直法、中性点注入反向电流法以及电位补偿法的特点，最后提出台山电厂限制直流偏磁的工程推荐方案。直流偏磁事件与仿真台山电厂自投运以来不时发生变压器噪声增大事例，其中绝大多数情况与南方电网直流输电单极大地回路运行有关。据不完全统计，自2005年7月至200

6、6年8月之间发生变压器直流偏磁事件44起，其中变压器中性点电流超过15A的事件30起，单台变压器中性点最大电流达58A。表1为台山电厂三起典型直流偏磁事件。表1 台山电厂典型直流偏磁事件事件时间主变中性点电流（A）直流线路临近变电站主变中性点入地电流（A）1号变2号变3号变4号变故障极入地电流(A)唐美站台山站开平站A2006-5-16 581211高肇极23600*-13.8-13.5-17.0B2006-5-28 1899天广极11184C2006-8-22 4.72.495.52三鹅极21514由台山电厂变压器空载试验数据，计算出变压器励磁特性曲线。其中台电12号变压器励磁特性的饱和度约

7、为45，正常工作点接近饱和特性的拐点，在额定电压下，折线拐点励磁电流值0.05%，约有名值0.86A，峰值1.215A；34号变压器励磁特性的饱和度约为50，正常工作点接近饱和特性的拐点，折线拐点励磁电流值0.05%，约有名值0.4A，峰值0.56A。采用文献8的励磁曲线折线化模型，计算不同中性点电流变压器励磁电流的畸变，结果见表2。表2 台山电厂变压器直流偏磁分析主变饱和度每相直流电流(A)倍值偏磁电流(A)励磁电流直流分量(A)励磁电流峰值(A)励磁电流有效值(A)励磁电流有效值的倍数124521.6460.2731.72713.2186.5223.45143.2920.4403.5602

8、0.56411.2735.57986.5840.7037.29632.17119.76410.4571613.1691.11514.88450.29634.77618.40019.3315.9091.26218.06856.75540.55221.456355011.7680.1250.8756.6943.2813.18523.5360.2011.79910.4285.6855.51947.0730.3213.67916.3299.9819.690814.1420.5107.49025.53217.56317.051由表2可以看出，实际偏磁电流只占直流电流中的小部分，随着绕组中的直流电流的增大

9、，偏磁电流增长趋于饱和，励磁电流中的直流分量则随绕组直流电流增长很快，励磁电流峰值及有效值上升迅速。外部强制流入变压器绕组的直流电流仅一小部分成为偏磁电流，大部分转换为畸变励磁电流的直流分量。变压器的这一负反馈特性有利于其抵御外部直流电流的冲击，但是以变压器振动与噪声增大为代价的。等效电网的选取原则基于广东电网复杂而庞大，地电流对台山电厂变压器的影响宜采用适当简化的等效网络来进行分析，在保证工程准确度前提下减少计算工作量。简化网络须遵循一定原则，避免主观性。通常的做法是保留与待分析发电厂（变电站）有输电线路连接的变电站，保留一级、乃至二级相邻变电站以及关键枢纽变电站，保留通过大容量输电线路与待

10、分析厂站电网片连接的远方发电厂（变电站），特别需要保留临近大海且接地网良好的大型发电厂（变电站），这些厂（站）往往是直流电流流回大地的主要通路。忽略与待分析厂站非一级、二级相邻的变电站，忽略通过大电阻值输电线路与主网连接的远方变电站。通过以上选择，可以消去主网中与待分析发电厂（变电站）不直接相关的电网片，获得简化的等值计算网络。台山电厂直流偏磁仿真计算最终采用包括台山电厂、江门220kV电网、保留江门和香山500kV变电站的500kV局部电网共1个电厂、21个220kV变电站、8个500kV变电站的等效计算网络。计算方法直流输电工程设计采用传统场-路经典算法14 分析地中电流对交流电网影响。场

11、-路算法按大地分层结构电特性模型先进行电流场计算，解算出交流电网变电站的地表电位，以此作为电压源与交流电网的直流电阻网络和变电站地网电阻进行联解，计算出直流电流在交流电网内部的分布，求出各变压器中性点的直流电流。场-路经典算法理论严格，但需要收集大地分层结构导电特性，实际运行部门很难勘查交流电网广大区域内的土壤分层结构和实际电阻率，正是这些地层的土壤电阻率影响着或者与接地极附近的土壤特性一起影响着交流电网地下和地上电流的分配，这是场-路算法应用的困难之一。此外场-路算法很难模拟交流电网大范围地区内土壤特性不均衡性，影响场-路算法仿真精度，而近年来发生的变压器严重直流偏磁事件大都与大地导电特性不

12、均衡性直接相关。极地电阻网络分析算法12是为简化电流场计算而提出的新方法，算法的核心是将地中电流对交流电网的影响用直流接地极与交流接地网之间的耦合互电阻来仿真，一旦该耦合互电阻被确定，场-路计算就变换为纯电路计算，变压器直流偏磁分析就成为直流电路问题。该算法能充分利用交流电网变压器中性点的实测电流值来推算直流接地极与交流变电站地网之间的互电阻，因而具有工程实用意义。设电力系统有m座发电厂（站），保留厂站地网母线，消去交流电网无源直流电阻网络的所有其他节点，可得厂站地网母线的m×m阶完全型电导矩阵Gee，建立以下矩阵方程式： （1）式中Gee交流电网地上电阻网络和地下电阻网络简化到厂站

13、地网母线的直流电导矩阵，Ged 交流地网与直流接地极互电导矩阵，Gdd 直流接地极电导矩阵，Ve 交流电网地网母线直流电压向量，Vd 直流接地极电压向量，Id 直流接地极注入电流向量。只考虑本侧直流接地极的影响，并认为直流接地极电阻恒定，在接地极注入电流Id作用下，直流接地极电压Vd （2）将式(1)展开得第一等式 （3）将矩阵Gee分解为交流电网电导矩阵Gaee和接地电阻网络电导矩阵G0ee两部分 (4)变压器中性点电流Ie (5)将式（4）、（5）代入式（3）得 （6）已知Ie、Gaee、G0ee和Vd,可以由式(6)求出接地极与交流接地网的互电导Ged。计算时应在交流电网选择一个远离直流

14、接地极的发电厂（变电站）为基准站，该站的地网电导加入矩阵Gaee，以保证Gaee矩阵可以求逆。基准站变压器中性点电流等于其他接地变压器中性点的电流代数，其量测值可用于校核。在变压器中性点电流量测不足情况下可以用拟合电位曲线来推算互电阻。极地电阻网络分析算法避开了复杂电流场计算，分析简便，适合台山电厂变压器中性点电流仿真计算。直流偏磁事件分析采用简化等效网络，地网电阻台山电厂采用实测0.14，其他500kV站取值0.3，220kV站取值0.5，地理位置直接使用厂站和接地极经纬度。表3为事件<A>的仿真计算结果，计算中采用台山电厂2号主变中性点实测电流58A，唐美、开平、台山变电站的主

15、变中性点实测电流，无实测电流的变电站采用大地电位拟合曲线推算互电阻。表3 事件<A>仿真计算结果厂站中性点电流(A)母线电位(V)地电位(V)开路电位(V)新会-1.83122.05022.45323.387水口-7.73922.67224.52228.413开平-17.00726.18929.37437.907台山站-13.50422.27226.49633.274唐美-13.80317.26620.94827.871圣堂-4.97435.54336.73939.256恩平-12.20237.96741.60147.739台电2号变58.00912.56411.6020.000对

16、事件<A>变压器直流偏磁现象解释如下：恩平、开平、水口、台山站、唐美等变电站离直流接地极较近，位于大地电位的“上游”，呈现源极特性，其主变中性点电流与接地极电流方向相反，电流通过大容量输电线路向位于海边的“下游”台山电厂流去，在台山电厂2号主变中性点电流汇集为58A的入地电流，造成严重直流偏磁。如漏斗来形象比喻，接地良好的台山电厂位于漏斗的嘴口，汇接来自上游各变电站的变压器中性点电流，最后导致远离直流接地极的发电厂（变电站）变压器中性点电流远大于接地极附近变电站中性点电流这一奇特情况。表4为事件<B>和<C>的仿真计算结果。计算中等效计算网络不变，大地电位拟

17、合曲线参数与事件<A>相同，忽略台山电厂与直流接地极的互电阻。表4 事件<B、C>仿真计算结果厂站变压器中性点电流天广直流入地 1184A三广直流入地 1514A计算值(A)实测值(A)计算值(A)实测值(A)台电2号变17.46318.08.3704.7台电3号变8.7549.05.8442.49台电4号变8.7559.05.8445.52可以看出，事件<B>和<C>仿真结果与实测值趋势吻合，天广直流事件吻合良好，三广直流有一定误差。仿真结果与现场实测基本吻合，证明算法和事件<A>确定的模型参数对分析其他直流线路的影响仍然有效。限制

18、直流偏磁的工程措施限制变压器直流偏磁工程措施研究国内近几年取得进展，包括广东春城变电站的小电阻限流装置15-16、大亚湾核电站的电容隔直装置11,18、江苏武南变电站的中性点注入反向直流电流装置9-10，以及文献19提出的电位补偿方法，这些措施和方法在台山电厂的应用效果分析如下。1. 小电阻限流法该方法15是在变压器中性点串接一个小阻值的电阻，增加交流电网直流通路的阻力，抑制直流电流。由表5可以看出，小电阻对抑制台山电厂变压器直流电流效果显著：1小电阻便使中性点电流下降60%多，2小电阻就可以将中性点电流限制在安全电流12安培（按每相电流4安培计）以下，随着电阻值的增加，电流衰减速度逐渐减慢。

19、表5 台电2号变中性点接小电阻效果变压器中性点直流电流(A) (小电阻 R= )01248台电2号变57.6815.999.295.052.64台电3号变11.5017.7118.7119.3419.69台电4号变11.4817.6918.6919.3219.68小电阻方法的不足是不能完全消除中性点电流，电阻过大影响变压器的过电压能力和零序网络参数。但就台山电厂而言，变压器中性点串接的小电阻阻值不大，对电网的负面影响有限。2. 电容隔直法电容隔直法11是在变压器中性点串接一个电容器，直接阻断变压器的直流通路，彻底消除了变压器的直流偏磁。由表6可以看出，用电容器阻断变压器中性点直流电流的效果是显

20、而易见的，但如果仅对2号主变实施电容隔直，3、4号变压器的中性点电流值会上升，必须对3、4号变压器同时采取限制措施。表6 电容隔直效果变压器配置隔直电容后的中性点电流（A）未装设2号变全厂配置台电2号变57.67500台电3号变11.49620.0930台电4号变11.48420.0720电容隔直方法的不足是改变了变压器中性点直接接地的特性，需要修改现有运行规程，影响变压器过电压能力和继电保护，为在事故情况下保护电容器需要配置自动电流旁路回路，使装置复杂，成本上升，自动电流旁路回路动作使零序阻抗跳变。3. 中性点注入反向电流法中性点注入反向直流电流方法9,10无须改变变压器中性点接线，借助有源

21、注入抵消变压器中性点的直流分量，抑制直流偏磁。注入电流中的一部分电流（通常是大部分）直接流入站内地网，另一部分电流（通常是小部分）流入变压器中性线，抵消直流输电地中电流产生的中性线电流，并经交流电网其他接地变压器中性点流回大地，与前一部分直接入地的电流汇合，从辅助接地极流回。如果把辅助接地极设想成位于无穷远处的理想接地极，则可以把中性点注入电流看成是从无穷远处送电的另外一条小容量直流输电线路的异极性单极大地运行方式。反向直流电流注入法可以利用极地电阻网络分析算法给出理论解释。假设交流变电站地网配备了注入电流装置，该注入电流向量用Ip表示，则文献【12】式(3-1)可改写为式(7) （7）解出地

22、网电位向量Vp（8）倘若注入反向电流满足（9）则有Vp0，表明此时对直流分量而言交流电网全部母线处于零电位的等电位状态，变压器中性点直流电流被完全消除。表7 中性点注入反向电流效果变压器地网注入反向电流（A）0100200台电2号变57.67532.0686.461台电3号变11.4960.810-9.876台电4号变11.4840.809-9.866表7可以看出，注入100A时3、4号变中性点电流得到有效抑制，但2号变中性点电流仍超过30A；注入200A时2号变中性点电流抑制到6A，但3、4号变中性点电流已经反向，说明注入反向电流难以同时良好抑制2号变与3、4号变的中性点电流。反向电流注入法

23、无须更改变压器接线，对继电保护无影响，但需建造辅助接地极，工程造价高，电流源容量大，注入电流增加了厂站地网的负担，辅助接地极的入地电流可能造成二次污染，在有多台主变中性点接地且主变连接不同出线间隔时补偿效果不理想，不适合台山电厂使用。4. 电位补偿方法电位补偿方法19是利用串接在变压器中性点与地网之间由双向可变直流电流源和小电阻构成的电位补偿元件，部分或全额补偿地中电流引起的交流电网各接地极电位的差异，使交流电网变压器中性点电位相近或相同，从而有效抑制变压器中性点直流电流的一种方法。就其原理可以消减任何强度大地电流对交流电网的冲击。由表8可以看出，电位补偿方法效果良好。表8 电位补偿法效果变压

24、器补偿电位(V)，补偿电阻=0.5V2=0,V3、4=0V2=15,V3、4=10V2=27.5, V3、4=19台电2号变57.67512.3230.376台电3号变11.4965.2010.233台电4号变11.4845.2000.233电位补偿法原理新颖，与其他限制变压器中性点直流电流方法相比，在保持变压器中性点有效接地前提下能抑制和消除变压器中性点的直流分量，对继电保护以及电网短路故障时变压器的过电压能力的影响也较小电阻限流法、电容隔直法小，需要电流源设备但无需另建辅助接地极，不存在辅助接地极寻址困难以及辅助接地极入地电流对周边环境的二次污染，适应电网结构和运行方式变化的能力强，总体性

25、能价格比较优，在全网变压器直流偏磁的综合治理中有应用价值，应积极试制挂网运行。小结台电变压器直流偏磁分析可以采用局部等效网络进行。为确保分析准确度，网络选取应遵循一定的原则，避免主观性。极地网络分析算法能充分利用交流电网变压器中性点的实测电流值来推算互电阻，避开了复杂电流场计算，能用拟合电位曲线来推算大地电位弥补量测量的不足，分析简便，适合工程应用。台山电厂变压器直流偏磁呈现“漏斗”特性：距直流接地极较近而位于大地电位“上游”的变电站从地中“吸入”电流，通过大容量输电线路流向位于海边的“下游”台山电厂，在台山电厂主变中性点汇集，造成严重直流偏磁。大亚湾核电站直流偏磁与此类似。中性点注入反向直流

26、电流方法不适合台山电厂，小电阻限流法、电容隔直法以及电位补偿方法均能抑制台山电厂直流偏磁，其中电位补偿方法总体性能较优。参考文献：1 戴熙杰，直流输电基础 1990年 水利电力出版社.2 赵畹君. 高压直流输电工程技术. 北京：中国电力出版社，20043 DL/T 5224-2005. 高压直流输电大地返回系统设计技术规定.中华人民共和国发改委 2005-06-014 Sakis Meliopulos A P, George Christoforidis. Effects of DC ground electrode on converter transformersJ. IEEE Transaction on power delivery, 1989, 4(2):995-10025 J. G. Kappenman, S. R. Norr, G. A. Sweezy, D. L. Carlson, V. D. Albertson, J. E. Harder, B. L. Damsky. GIC mitigation: a neutral blocking /bypass device to prevent the flow of GIC in power systems