广东国华台山电厂主变压器直流偏磁抑制方法的探讨

广东国华台山电厂主变压器直流偏磁抑制方法的探讨
任占义

摘要：本文结合国华台电中性线直流偏磁对主变压器影响研究报告，针对目前国内抑制直流偏磁常用的小电阻限流法、电容隔直法、反向电流限制法和电位补偿方法的优缺点进行比较，提出了抑制国华台电主变压器中性线直流电流的方案。
关键词：电力系统 直流输电 中性线直流 直流偏磁
一 概述
神华广东国华粤电台山发电有限公司（以下简称国华台电）成立于2001年3月28日，地处广东省西南沿海台山市铜鼓湾，厂区三面环山，南面临海。工程分两期建设，一期工程5台机组总容量为3000MW（5×600MW），二期工程4台机组总容量为4000MW（4×1000MW）。台电1、2号机组由220kV上网，通过4条220kV线路与广东江门电网片的唐美、水口、能达220kV变电站连接，3～5号机组由500kV上网，通过2条500kV线路与广东电网500kV香山站连接.
国华台电一期工程的投产，大大缓解了广东电网严重缺电局面.然而，主变压器自投运以来，经常出现噪声增大事件，基本上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2009年4月之间就发生的变压器直流偏磁事件137起，其中变压器中性线直流偏磁电流超过26A的有47起，单台变压器最大中性点电流达58A。
二 直流偏磁对变压器影响
直流输电线路，具有双极运行、单级大地回路、单极金属回路几种运行方式。单极大地运行方式是直流输电的运行方式之一，在这种运行方式下，直流接地极作为直流工作电流的返回通道，是直流输电系统的重要组成部分。在双极不对称运行的情况下，则与不对称程度有关，与单极大地回路方式下的情况相近。直流输电系统单极金属回路或双极平衡方式运行时，对交流系统中接地运行的变压器基本上没有影响。直流输电在单极大地方式或双极严重不平衡方式运行时对交流系统中性点接地运行的变压器产生影响，根据直流输电的输送功率、变压器与直流输电系统接地极的地理距离远近而影响程度有所不同；直流输电单极大地方式运行时会引起流经接地运行的主变压器中性线的直流分量大幅增加、变压器的运行噪声异常增大。
当直流接地极电流引起变压器接地网地电位升高时，若两个变电站接地网之间存在电位差，直流接地极电流将有一部分流经变压器中性线、变压器绕组及输电线路。由于直流电流流经变压器绕组，当变压器励磁电流中的直流部分使磁化强度达到磁化曲线拐点以上时，变压器铁心将处于饱和状态；同时由于直流偏磁的存在，励磁电流增大，波形发生严重畸变。过大的直流偏磁使变压器铁心饱和趋于严重，导致漏磁通增加，振动加剧，噪声增大。
三 台电直流偏磁的监测
《高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定》中规定不影响变压器正常工作的直流电流控制指标，通过三相五柱式变压器绕组中的直流电流应不大于额定电流的0.5％。按此计算，国华台电220KV主变压器中性线允许的电流值为26A，500KV主变压器中性线允许的电流值为12A。针对国华台电主变压器受直流输电影响问题，当务之急是对直流分量超过设计值的情况下采取有效的监测控制措施，以确保变压器的安全。
国华台电在主变压器中性线铜排上安装穿心式霍尔元件（以下简称CT），将220V交流电源整流成24V直流后通入CT，其输出为4－20mA直流信号，在主变压器中性点支柱上安装了交流电源及CT输出端子转接盒，将直流信号直接引至主控室测控单元和NCS系统。监视画面显示变压器中性线直流电流实时数值，设置变压器中性线直流电流越限报警功能，并作为遥测量发送至省调。
通过在主变压器中性线安装直流电流监测装置，对变压器中性线直流电流进行实时、准确、有效的监测，当发生直流偏磁时，及时采取相应措施，比如:降低发电机有功、机端电压、合上另一台220KV主变压器中性点地刀等，进一步提高变压器安全运行的可靠性。
四 抑制直流偏磁方法的比较
在限制变压器中性线直流电流方法和工程应用研究方面国内近几年取得一定进展，包括广东春城变电站使用的小电阻限流装置、清远潖江变电站安装的电容隔直装置、惠州义和变电站投入运行的中性线注入反向直流装置，以及《台山电厂中性线直流偏磁对主变压器影响研究报告》提出的电位补偿原理性装置。下面针对上述限制变压器中性线电流方法在台山电厂的应用的可能性及其效果进行比较，为台电选择消减主变中性线直流电流技改工程做铺垫。
1. 小电阻限流法
该方法是在变压器中性线串接一个小阻值的电阻，增加直流通路的阻力，抑制直流电流。结合研究报告中的计算结果（表1）可以看出，小电阻对抑制台山电厂2号主变中性点直流电流效果显著：1Ω小电阻便使中性点电流下降60%多，2Ω小电阻就可以将中性点电流限制在安全电流26安培（按每相电流8.6安培计）以下，随着电阻值的增加，电流衰减速度逐渐减慢。2号主变中性线接小电阻使3、4、5号变压器中性线电流上升至接近20安培，超出了安全允许的最大偏磁电流，也须同时采取限制措施。

 

春城变220KV变压器中性线串联一个小电阻来抑制中性线的直流电流。与电阻并联一个金属间隙，用于释放当电网出现三相不平衡故障时零序大电流在小电阻上产生的高压。此装置是清华大学与广东南方电网联合研制（图1），装置除小电阻和保护间隙外，没有其它安全技术措施。无任何控制、监视手段。
 

 

由于间隙放电受环境因素的影响比较大，放电误差也比较大，很难保证其动作的可靠性。对变压器的安全运行可能造成一定的风险。本方法对小电阻阻值的选取比较复杂，阻值的选取跟地下分布电阻及线路阻抗有关，当电阻的阻值较小时不能有效的抑制直流电流，当电阻选取较大时变压器中性点不能可靠接地，对继电保护的动作行为可能造成影响。而且当电网运行方式改变时隔直电阻需要根据运行方式调整。
2. 电容隔直法
电容隔直法是在变压器中性线串接一个电容器，直接阻断变压器的直流通路，从而彻底消除了变压器的直流偏磁。结合研究报告中的计算结果（表2）可以看出，用电容器阻断变压器中性线直流电流的效果是显而易见的，如果对2号主变实施电容隔直，3、4、5号变压器的中性点电流值会从原先的11.5安培下降到9A左右，没有超过安全电流限值。
变压器 配置隔直电容后的中性点电流（A）

 

潖江变电站采用电容法隔直技术方案（中国电力科学研究院研制，图2），利用电容器隔直通交的技术特点，在变压器中性线串联一个电容器可完全抑制变压器中性线的直流电流。当电容器的容量足够大时(即交流容抗足够小时)，对于保护及安全自动装置的动作行为不产生影响。

潖江变隔直装置的隔直电容器为3000uF/4000V，对于50HZ的交流容抗为1.2Ω。与隔直电容并联一个状态转换开关，用于实现变压器中性点的直接接地或经电容器接地的状态转换。与隔直电容同时并联的还有一套晶闸管过电压快速旁路系统，当电容两端电压超过800V时可以在10uS内快速将电容器旁路掉，实现变压器中性点的直接接地。另外隔直装置还配备有一套远程监控终端(计算机)通过光纤与装置通讯，实现远行人员对装置的控制、监视。
据调研，潖江变隔直装置实施之前，广东电网公司委托华中理工大学进行了电容器隔直对继电保护影响情况的计算，结论是不会对继电保护的动作行为造成影响，所有继电保护装置的定值不需要重新整定。电容隔直装置自2007年11月1日正式投入运行以来一直处于电容隔直运行方式。在11月26日有一条220KV线路发生了C相接地故障，隔直装置迅速转换为直接接地，线路继电保护装置正确动作。清远供电局对该产品反映较好。改方法对于国华台电是比较理想的选择，但是技改之前，需要进一步计算电容的大小以及对电网的影响。
3. 变压器中性线注入反向电流法
中性线注入反向直流电流方法无须改变变压器中性线接线，借助有源注入直流电流直接抵消大地电流窜入变压器中性线的直流电流，抑制变压器直流偏磁。
反向直流电流注入装置需要在电厂外择址另建辅助接地极，为中性线注入电流提供回路。注入电流中的一部分电流直接流入电厂内地网，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，形成回路。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。
结合研究报告中的计算结果（表3）可以看出，变压器中性线注入100A时3、4、5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、5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、5号变的中性点电流。
 

 

义和变反向注入反向电流方案（广东省电科院研制产品，图3），在变压器中性点注入反向直流电流，抵消变压器中性点由于直流单极输电造成的直流电流，消除直流偏磁。该方法不改动变压器的原有接线，运行起来较安全。
 

 

其缺点是需要在变压器周围敷设反向注入接地极，土建工程较大。而且反向注入的电流效率很低，只有20％左右的注入电流流入变压器中性点，抵消变压器中性点的直流，其它80％的注入电流不知去向，有可能对周围其它设备造成新的直流“污染”。此外装置电流源容量大，注入地网的电流增加了电厂地网的负担，不适合国华台电使用。
4. 电位补偿方法
电位补偿方法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。结合研究报告中的计算结果（表4）可以看出，电位补偿方法效果良好。
 

 

电位补偿法原理新颖，但目前尚无实际装置挂网试运行。电位补偿法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，对继电保护的可能影响以及雷击或电网短路故障时变压器中性点电位的变化也较小电阻限流法、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影响，适应电网结构和运行方式变化的能力强，总体性能价格比较优。
五 小结
国华台电目前有两台220kV主变压器、三台500kV主变压器，因只有一个地网而只能使用一套中性点注入反向电流法装置，注入反向电流法因难以同时对电厂220kV和500kV主变良好补偿而被首先放弃。
由于小电阻装置结构简单，无监控手段，只能人为手动干预，而且电网运行方式改变，电阻值需要重新核算。同时小电阻也没有投运，真正效果，只能停留在理论状态，不予考虑。
建议使用电容隔直方案，在实际运行中可通过2台主变共用一套隔直装置，实现1、2号主变中性点隔直装置功能，随着工作开展和研究的深入，再对500KV主变压器改造。

参考文献：
[1] 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 2005-06-01
[2] 钟连宏、陆培均等 直流接地极电流对中性点直接接地变压器影响 高电压技术 2003 29（8）：12-13
[3] 马志强. 变压器直流偏磁的原理性仿真 《广东电力》2004,17(2): 5-9
[4] 曾连生 直流输电接地极电流对电力变压器的影响 高电压技术 2005 31（4）：57－81
[5] 马志强、黎小林、钟定珠. 直流输电大地电流对交流系统影响的网络分析算法. 《广东电力》2005,18(12): 4－8
[6] 梅桂华、徐柏榆、王晓毛 等 直流输电对交流系统变压器的影响 广东电力 2006。19（1）：1－5
[7] 马志强. 消减变压器中性点直流电流抑制直流偏磁的电位补偿方法. 广东电力2007,20(5) ：1－5

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