廣東國(guó)華臺(tái)山電廠主變壓器直流偏磁抑制方法的探討
任占義

摘要：本文結(jié)合國(guó)華臺(tái)電中性線(xiàn)直流偏磁對(duì)主變壓器影響研究報(bào)告，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)抑制直流偏磁常用的小電阻限流法、電容隔直法、反向電流限制法和電位補(bǔ)償方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，提出了抑制國(guó)華臺(tái)電主變壓器中性線(xiàn)直流電流的方案。
關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng) 直流輸電 中性線(xiàn)直流 直流偏磁
一 概述
神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)華臺(tái)電）成立于2001年3月28日，地處廣東省西南沿海臺(tái)山市銅鼓灣，廠區(qū)三面環(huán)山，南面臨海。工程分兩期建設(shè)，一期工程5臺(tái)機(jī)組總?cè)萘繛?000MW（5×600MW），二期工程4臺(tái)機(jī)組總?cè)萘繛?000MW（4×1000MW）。臺(tái)電1、2號(hào)機(jī)組由220kV上網(wǎng)，通過(guò)4條220kV線(xiàn)路與廣東江門(mén)電網(wǎng)片的唐美、水口、能達(dá)220kV變電站連接，3～5號(hào)機(jī)組由500kV上網(wǎng)，通過(guò)2條500kV線(xiàn)路與廣東電網(wǎng)500kV香山站連接.
國(guó)華臺(tái)電一期工程的投產(chǎn)，大大緩解了廣東電網(wǎng)嚴(yán)重缺電局面.然而，主變壓器自投運(yùn)以來(lái)，經(jīng)常出現(xiàn)噪聲增大事件，基本上與南方電網(wǎng)直流輸電單極大地回路運(yùn)行有關(guān)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自2005年7月至2009年4月之間就發(fā)生的變壓器直流偏磁事件137起，其中變壓器中性線(xiàn)直流偏磁電流超過(guò)26A的有47起，單臺(tái)變壓器最大中性點(diǎn)電流達(dá)58A。
二 直流偏磁對(duì)變壓器影響
直流輸電線(xiàn)路，具有雙極運(yùn)行、單級(jí)大地回路、單極金屬回路幾種運(yùn)行方式。單極大地運(yùn)行方式是直流輸電的運(yùn)行方式之一，在這種運(yùn)行方式下，直流接地極作為直流工作電流的返回通道，是直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分。在雙極不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行的情況下，則與不對(duì)稱(chēng)程度有關(guān)，與單極大地回路方式下的情況相近。直流輸電系統(tǒng)單極金屬回路或雙極平衡方式運(yùn)行時(shí)，對(duì)交流系統(tǒng)中接地運(yùn)行的變壓器基本上沒(méi)有影響。直流輸電在單極大地方式或雙極嚴(yán)重不平衡方式運(yùn)行時(shí)對(duì)交流系統(tǒng)中性點(diǎn)接地運(yùn)行的變壓器產(chǎn)生影響，根據(jù)直流輸電的輸送功率、變壓器與直流輸電系統(tǒng)接地極的地理距離遠(yuǎn)近而影響程度有所不同；直流輸電單極大地方式運(yùn)行時(shí)會(huì)引起流經(jīng)接地運(yùn)行的主變壓器中性線(xiàn)的直流分量大幅增加、變壓器的運(yùn)行噪聲異常增大。
當(dāng)直流接地極電流引起變壓器接地網(wǎng)地電位升高時(shí)，若兩個(gè)變電站接地網(wǎng)之間存在電位差，直流接地極電流將有一部分流經(jīng)變壓器中性線(xiàn)、變壓器繞組及輸電線(xiàn)路。由于直流電流流經(jīng)變壓器繞組，當(dāng)變壓器勵(lì)磁電流中的直流部分使磁化強(qiáng)度達(dá)到磁化曲線(xiàn)拐點(diǎn)以上時(shí)，變壓器鐵心將處于飽和狀態(tài)；同時(shí)由于直流偏磁的存在，勵(lì)磁電流增大，波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。過(guò)大的直流偏磁使變壓器鐵心飽和趨于嚴(yán)重，導(dǎo)致漏磁通增加，振動(dòng)加劇，噪聲增大。
三 臺(tái)電直流偏磁的監(jiān)測(cè)
《高壓直流輸電大地返回運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定不影響變壓器正常工作的直流電流控制指標(biāo)，通過(guò)三相五柱式變壓器繞組中的直流電流應(yīng)不大于額定電流的0.5％。按此計(jì)算，國(guó)華臺(tái)電220KV主變壓器中性線(xiàn)允許的電流值為26A，500KV主變壓器中性線(xiàn)允許的電流值為12A。針對(duì)國(guó)華臺(tái)電主變壓器受直流輸電影響問(wèn)題，當(dāng)務(wù)之急是對(duì)直流分量超過(guò)設(shè)計(jì)值的情況下采取有效的監(jiān)測(cè)控制措施，以確保變壓器的安全。
國(guó)華臺(tái)電在主變壓器中性線(xiàn)銅排上安裝穿心式霍爾元件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CT），將220V交流電源整流成24V直流后通入CT，其輸出為4－20mA直流信號(hào)，在主變壓器中性點(diǎn)支柱上安裝了交流電源及CT輸出端子轉(zhuǎn)接盒，將直流信號(hào)直接引至主控室測(cè)控單元和NCS系統(tǒng)。監(jiān)視畫(huà)面顯示變壓器中性線(xiàn)直流電流實(shí)時(shí)數(shù)值，設(shè)置變壓器中性線(xiàn)直流電流越限報(bào)警功能，并作為遙測(cè)量發(fā)送至省調(diào)。
通過(guò)在主變壓器中性線(xiàn)安裝直流電流監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)變壓器中性線(xiàn)直流電流進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、有效的監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)生直流偏磁時(shí)，及時(shí)采取相應(yīng)措施，比如:降低發(fā)電機(jī)有功、機(jī)端電壓、合上另一臺(tái)220KV主變壓器中性點(diǎn)地刀等，進(jìn)一步提高變壓器安全運(yùn)行的可靠性。
四 抑制直流偏磁方法的比較
在限制變壓器中性線(xiàn)直流電流方法和工程應(yīng)用研究方面國(guó)內(nèi)近幾年取得一定進(jìn)展，包括廣東春城變電站使用的小電阻限流裝置、清遠(yuǎn)潖江變電站安裝的電容隔直裝置、惠州義和變電站投入運(yùn)行的中性線(xiàn)注入反向直流裝置，以及《臺(tái)山電廠中性線(xiàn)直流偏磁對(duì)主變壓器影響研究報(bào)告》提出的電位補(bǔ)償原理性裝置。下面針對(duì)上述限制變壓器中性線(xiàn)電流方法在臺(tái)山電廠的應(yīng)用的可能性及其效果進(jìn)行比較，為臺(tái)電選擇消減主變中性線(xiàn)直流電流技改工程做鋪墊。
1. 小電阻限流法
該方法是在變壓器中性線(xiàn)串接一個(gè)小阻值的電阻，增加直流通路的阻力，抑制直流電流。結(jié)合研究報(bào)告中的計(jì)算結(jié)果（表1）可以看出，小電阻對(duì)抑制臺(tái)山電廠2號(hào)主變中性點(diǎn)直流電流效果顯著：1Ω小電阻便使中性點(diǎn)電流下降60%多，2Ω小電阻就可以將中性點(diǎn)電流限制在安全電流26安培（按每相電流8.6安培計(jì)）以下，隨著電阻值的增加，電流衰減速度逐漸減慢。2號(hào)主變中性線(xiàn)接小電阻使3、4、5號(hào)變壓器中性線(xiàn)電流上升至接近20安培，超出了安全允許的最大偏磁電流，也須同時(shí)采取限制措施。

 

春城變220KV變壓器中性線(xiàn)串聯(lián)一個(gè)小電阻來(lái)抑制中性線(xiàn)的直流電流。與電阻并聯(lián)一個(gè)金屬間隙，用于釋放當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)三相不平衡故障時(shí)零序大電流在小電阻上產(chǎn)生的高壓。此裝置是清華大學(xué)與廣東南方電網(wǎng)聯(lián)合研制（圖1），裝置除小電阻和保護(hù)間隙外，沒(méi)有其它安全技術(shù)措施。無(wú)任何控制、監(jiān)視手段。
 

 

由于間隙放電受環(huán)境因素的影響比較大，放電誤差也比較大，很難保證其動(dòng)作的可靠性。對(duì)變壓器的安全運(yùn)行可能造成一定的風(fēng)險(xiǎn)。本方法對(duì)小電阻阻值的選取比較復(fù)雜，阻值的選取跟地下分布電阻及線(xiàn)路阻抗有關(guān)，當(dāng)電阻的阻值較小時(shí)不能有效的抑制直流電流，當(dāng)電阻選取較大時(shí)變壓器中性點(diǎn)不能可靠接地，對(duì)繼電保護(hù)的動(dòng)作行為可能造成影響。而且當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行方式改變時(shí)隔直電阻需要根據(jù)運(yùn)行方式調(diào)整。
2. 電容隔直法
電容隔直法是在變壓器中性線(xiàn)串接一個(gè)電容器，直接阻斷變壓器的直流通路，從而徹底消除了變壓器的直流偏磁。結(jié)合研究報(bào)告中的計(jì)算結(jié)果（表2）可以看出，用電容器阻斷變壓器中性線(xiàn)直流電流的效果是顯而易見(jiàn)的，如果對(duì)2號(hào)主變實(shí)施電容隔直，3、4、5號(hào)變壓器的中性點(diǎn)電流值會(huì)從原先的11.5安培下降到9A左右，沒(méi)有超過(guò)安全電流限值。
變壓器 配置隔直電容后的中性點(diǎn)電流（A）

 

潖江變電站采用電容法隔直技術(shù)方案（中國(guó)電力科學(xué)研究院研制，圖2），利用電容器隔直通交的技術(shù)特點(diǎn)，在變壓器中性線(xiàn)串聯(lián)一個(gè)電容器可完全抑制變壓器中性線(xiàn)的直流電流。當(dāng)電容器的容量足夠大時(shí)(即交流容抗足夠小時(shí))，對(duì)于保護(hù)及安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為不產(chǎn)生影響。

潖江變隔直裝置的隔直電容器為3000uF/4000V，對(duì)于50HZ的交流容抗為1.2Ω。與隔直電容并聯(lián)一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)變壓器中性點(diǎn)的直接接地或經(jīng)電容器接地的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。與隔直電容同時(shí)并聯(lián)的還有一套晶閘管過(guò)電壓快速旁路系統(tǒng)，當(dāng)電容兩端電壓超過(guò)800V時(shí)可以在10uS內(nèi)快速將電容器旁路掉，實(shí)現(xiàn)變壓器中性點(diǎn)的直接接地。另外隔直裝置還配備有一套遠(yuǎn)程監(jiān)控終端(計(jì)算機(jī))通過(guò)光纖與裝置通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)行人員對(duì)裝置的控制、監(jiān)視。
據(jù)調(diào)研，潖江變隔直裝置實(shí)施之前，廣東電網(wǎng)公司委托華中理工大學(xué)進(jìn)行了電容器隔直對(duì)繼電保護(hù)影響情況的計(jì)算，結(jié)論是不會(huì)對(duì)繼電保護(hù)的動(dòng)作行為造成影響，所有繼電保護(hù)裝置的定值不需要重新整定。電容隔直裝置自2007年11月1日正式投入運(yùn)行以來(lái)一直處于電容隔直運(yùn)行方式。在11月26日有一條220KV線(xiàn)路發(fā)生了C相接地故障，隔直裝置迅速轉(zhuǎn)換為直接接地，線(xiàn)路繼電保護(hù)裝置正確動(dòng)作。清遠(yuǎn)供電局對(duì)該產(chǎn)品反映較好。改方法對(duì)于國(guó)華臺(tái)電是比較理想的選擇，但是技改之前，需要進(jìn)一步計(jì)算電容的大小以及對(duì)電網(wǎng)的影響。
3. 變壓器中性線(xiàn)注入反向電流法
中性線(xiàn)注入反向直流電流方法無(wú)須改變變壓器中性線(xiàn)接線(xiàn)，借助有源注入直流電流直接抵消大地電流竄入變壓器中性線(xiàn)的直流電流，抑制變壓器直流偏磁。
反向直流電流注入裝置需要在電廠外擇址另建輔助接地極，為中性線(xiàn)注入電流提供回路。注入電流中的一部分電流直接流入電廠內(nèi)地網(wǎng)，另一部分電流（通常是小部分）流入變壓器中性線(xiàn)，抵消直流輸電地中電流產(chǎn)生的中性線(xiàn)電流，并經(jīng)交流電網(wǎng)其他接地變壓器中性點(diǎn)流回大地，與前一部分直接入地的電流匯合，從輔助接地極流回，形成回路。如果把輔助接地極設(shè)想成位于無(wú)窮遠(yuǎn)處的理想接地極，則可以把中性點(diǎn)注入電流看成是從無(wú)窮遠(yuǎn)處送電的另外一條小容量直流輸電線(xiàn)路的異極性單極大地運(yùn)行方式。
結(jié)合研究報(bào)告中的計(jì)算結(jié)果（表3）可以看出，變壓器中性線(xiàn)注入100A時(shí)3、4、5號(hào)變中性點(diǎn)電流得到有效抑制，但2號(hào)變中性點(diǎn)電流仍超過(guò)30A；注入200A時(shí)2號(hào)變中性點(diǎn)電流抑制到6A，但3、4、5號(hào)變中性點(diǎn)電流已經(jīng)反向，說(shuō)明注入反向電流難以同時(shí)良好抑制2號(hào)變與3、4、5號(hào)變的中性點(diǎn)電流。
 

 

義和變反向注入反向電流方案（廣東省電科院研制產(chǎn)品，圖3），在變壓器中性點(diǎn)注入反向直流電流，抵消變壓器中性點(diǎn)由于直流單極輸電造成的直流電流，消除直流偏磁。該方法不改動(dòng)變壓器的原有接線(xiàn)，運(yùn)行起來(lái)較安全。
 

 

其缺點(diǎn)是需要在變壓器周?chē)�敷設(shè)反向注入接地極，土建工程較大。而且反向注入的電流效率很低，只有20％左右的注入電流流入變壓器中性點(diǎn)，抵消變壓器中性點(diǎn)的直流，其它80％的注入電流不知去向，有可能對(duì)周?chē)�其它設(shè)備造成新的直流“污染”。此外裝置電流源容量大，注入地網(wǎng)的電流增加了電廠地網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，不適合國(guó)華臺(tái)電使用。
4. 電位補(bǔ)償方法
電位補(bǔ)償方法是利用串接在變壓器中性點(diǎn)與地網(wǎng)之間由雙向可變直流電流源和小電阻構(gòu)成的電位補(bǔ)償元件，部分或全額補(bǔ)償?shù)刂须娏饕�起的交流電網(wǎng)各接地極電位的差異，使交流電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)電位相近或相同，從而有效抑制變壓器中性點(diǎn)直流電流的一種方法。就其原理可以消減任何強(qiáng)度大地電流對(duì)交流電網(wǎng)的沖擊。結(jié)合研究報(bào)告中的計(jì)算結(jié)果（表4）可以看出，電位補(bǔ)償方法效果良好。
 

 

電位補(bǔ)償法原理新穎，但目前尚無(wú)實(shí)際裝置掛網(wǎng)試運(yùn)行。電位補(bǔ)償法與其他限制變壓器中性點(diǎn)直流電流方法相比，在保持變壓器中性點(diǎn)有效接地前提下能抑制和消除變壓器中性點(diǎn)的直流分量，對(duì)繼電保護(hù)的可能影響以及雷擊或電網(wǎng)短路故障時(shí)變壓器中性點(diǎn)電位的變化也較小電阻限流法、電容隔直法小，需要電流源設(shè)備但無(wú)需另建輔助接地極，不存在輔助接地極尋址困難以及輔助接地極入地電流對(duì)周邊環(huán)境的影響，適應(yīng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式變化的能力強(qiáng)，總體性能價(jià)格比較優(yōu)。
五 小結(jié)
國(guó)華臺(tái)電目前有兩臺(tái)220kV主變壓器、三臺(tái)500kV主變壓器，因只有一個(gè)地網(wǎng)而只能使用一套中性點(diǎn)注入反向電流法裝置，注入反向電流法因難以同時(shí)對(duì)電廠220kV和500kV主變良好補(bǔ)償而被首先放棄。
由于小電阻裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)監(jiān)控手段，只能人為手動(dòng)干預(yù)，而且電網(wǎng)運(yùn)行方式改變，電阻值需要重新核算。同時(shí)小電阻也沒(méi)有投運(yùn)，真正效果，只能停留在理論狀態(tài)，不予考慮。
建議使用電容隔直方案，在實(shí)際運(yùn)行中可通過(guò)2臺(tái)主變共用一套隔直裝置，實(shí)現(xiàn)1、2號(hào)主變中性點(diǎn)隔直裝置功能，隨著工作開(kāi)展和研究的深入，再對(duì)500KV主變壓器改造。

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