HVDC单极大地回线运行方式对变压器的影响及防范措施

孙华芳

（浙江浙能嘉华发电有限公司，浙江 嘉兴 314201）

随着高压及特高压直流输电技术在我国的发展，越来越多的直流工程投入运行，直流输电线路在投产前调试或运行中出现故障状态时，直流系统将处于单极大地回路运行方式，此时会在交流系统变压器接地中性点处产生直流分量，从而引起变压器直流偏磁，对变压器的正常运行造成严重威胁，因此必须对变压器中性点直流电流进行有效监测、对发生直流偏磁的变压器采取相应的抑制措施。

1 变压器直流偏磁的产生原因

1.1 直流输电系统的运行方式

直流输电线路的运行方式可分为双极运行方式和单极运行方式，单极运行方式又分为单极一大地回线方式、单极一金属线回线方式等，考虑到直流输电系统的造价等因素，目前建成的直流输电线路均为双极大地回线方式，因此当系统单极运行时均为单极大地回线方式，此时，强大的直流电流经接地极注入大地，极址土壤中形成了一个恒定的电场，分布在附近的变电站和发电厂分别处于不同的直流电势，若两站（厂）之间有交流线路相联，且变压器中性点直接接地，则两站（厂）之间将形成直流回路，经中性点入地或从地经中性点流入变压器，根据流过的直流电流大小及变压器的抗直流能力而产生或强或弱的直流偏磁现象。

1.2 变压器直流偏磁的理论解释

当直流电流由中性点流经变压器绕组时，将会在变压器铁心内部产生一定的直流磁通，使得磁通在正负半周明显不对称，发成偏移，从而导致励磁电流发生畸变。变压器通过直流电流产生直流偏磁时，其励磁特性曲线及输出电流波形变化情况如图1所示。

由图1可见，图1（a）中虚线表示有直流分量时的磁通曲线，实现表示无直流分量时的磁通曲线，图1（b）为变压器的典型励磁曲线，图1（c）实线为无直流分量时的磁化曲线，虚线表示有直流分量时畸变的励磁电流曲线。当发生直流偏磁时，变压器励磁电流在某半波处于铁心的磁化曲线饱和区，励磁电流和谐波将急剧增加，对变压器的影响主要表现在噪声异常增大、振动加剧、损耗增加和局部过热，危害变压器和电力系统的安全稳定运行[1]。

图1 直流偏磁原理示意图

2 直流偏磁的发生因素及仿真计算

2.1 直流偏磁的发生因素

在直流输电单极大地运行时，实践证明并不是所有的变压器都会发生直流偏磁现象，而且流入变压器绕组中直流电流大小也不近相同，评估对变压器影响的关键是流入中性点的直流电流究竟多大，这和直流接地极的入地电流大小、接地极与变压器的距离、变压器的结构、土壤电阻率大小、系统网络结构等都密切关联。

2.2 直流偏磁的仿真计算

当直流输电系统单极大地运行时，由于输电线路沿线非常复杂，特别是大地导电条件特殊，直接导致了地中电流及地表电位的分布难以确定，实际上很难勘察出交流电网广大区域内的土壤分层结构和实际电阻率，理论上的数值模型很难真实反映交流电网大范围地区内土壤特性的不均衡性，仿真精度得不到保证，很难计算出有实际意义的可能流经过变压器中性点的仿真电流数据。

笔者认为通过仿真计算来分析直流输电线路对变压器的影响实际意义不大，大部分是对已经发生了直流偏磁的变压器，结合检测到的直流电流来推导出互导，形成理论上的一种解释。

3 直流偏磁对变压器影响的定性分析

对于中性点不接地的变压器因其不会形成直流回路，因此直流对其没有影响；这里只对中性点直接接地的变压器抗直流偏磁的能力进行定性分析：

3.1 直流电流对不同结构变压器的影响

三相变压器的结构主要有芯式、柱式和分体式等几种，不同结构的变压器所承受的直流电流大小不同。就变压器的磁路而言，直流电流相当于零序电流，三相五柱式结构的变压器其零序电流磁通可通过两边柱铁心形成回路，故而其磁阻较较芯式结构变压器小很多，其变压器的抗直流偏磁的能力较弱；分体式变压器由于每相都有独立的磁通回路，每个铁心对零序磁通都形成了闭合的低磁路通道，该结构变压器的抗直流偏磁的能力最弱[2]。

3.2 变压器容许的直流电流大小

变压器容许通过的直流电流大小不仅与结构型式有关，而且相同结构的变压器也因其采用的铁心材料、磁通密度取值等因素而不同，当铁心硅钢片采用导磁率高的优质冷轧硅钢片时，允许通过的直流电流较小；采用导磁率低的热轧硅钢片时，允许通过的直流电流则较大，但显然变压器的经济性就会比较差。

因此，为了抑制变压器的直流偏磁现象，文献[3]指出，对于可能会受到直流影响的变压器先进行仿真计算，将计算得到的直流电流写入变压器的招标技术规范书中，要求厂家在制造时提高其承受直流电流的能力。如前所述，首先仿真计算的结果对于实际参照的意义不大，而且若要提高变压器的抗直流能力，其必定会牺牲变压器的经济性，实际上直流偏磁现象的产生作用时间还是相对比较短的（一般都是在直流输电线路投运前单极大地回路运行时），完全可以通过有效措施来预防和抑制该问题，不必牺牲变压器的经济性。

4 抑制直流偏磁的工程措施

近年来，抑制变压器直流偏磁的方法和工程应用取得了一定进展，主要抑制措施有小电阻限流法、电容隔直法、反向补偿直流法及电位补偿法等[4]。

1）小电阻限流法是在变压器的中性点加装小电阻限流装置，将通过变压器中性点的直流电流限制在变压器可以承受的范围之内，该方式的优点是易于实现，结构和运行维护简单可靠，成本又较低廉，对已有系统的运行影响不大，该方法的不足是不能完全消除中性点直流电流，电阻过大则影响变压器的过电压能力和零序网络参数，当电网结构变化时，小电阻可能需要更换。

2）电容隔直法是在变压器中性点上串联电容器，利用电容器“隔直通交”的特性来抑制直流电流。可以将直流电流完全消除是该方法最大的优点，而且对系统继电保护的影响很小，保证了变压器中性点为小阻抗接地，目前开发使用的电容隔直装置均采用可控硅与旁路开关两道保护装置，不仅降低了电容器的容量大小，缩减了安装空间，可靠的旁路保护措施还可以有效避免变压器中性点发生过电压事故。

3）反向补偿直流法是向变压器中性点注入一个反向直流电流来抵消原来的偏磁电流。该方法需要在变电站（发电厂）外另建辅助接地极，通过控制直流发生装置输出相反方向和相同大小的直流电流，该方法不需要改变变压器接线，对继电保护无影响，但需要建造辅助接地极，电流源容量大，造价高，同时辅助接地极的入地电流也可能造成二次污染。

4）电位补偿法是在在中性点和地网之间串接由可变双向直流电流源和小电阻组成的电位补偿原件，补偿地中电流引起的交流电网各处的电位差异，从而抑制变压器中性点直流电流，该方法作为一种有源装置较前两种方法可靠性低且造价高，需要配备较复杂的旁路保护装置，但不需要另建新的辅助接地极及不会对周边环境造成二次污染。

目前在抑制直流偏磁的工程措施中，加装电容隔直装置和小电阻限流装置应用比较成熟，别的方法和措施理论上可行，实际应用不多。

5 应用实例

800kV复奉直流输电工程（四川复龙—上海奉贤）于2010年5月进行了投产前试运行，陆续开展了输送容量为600MW、800MW、1600MW的单极大地回线运行方式以及双极严重不平衡运行方式（3200+320MW）的调试工作，在此期间，嘉兴电厂4台600MW机组的500kV主变压器（72万kV·A）运行声音大幅提高，其中当机组负荷为满负荷时，主变噪声实测最大约为90dB（正常约为70～75dB），中性点直流电流实测最大值约为18.2A（正常约为1A左右），4台机组出力被迫限制在450MW以下。

通过分析了解，复奉直流奉贤接地极位于上海金山区廊下镇，距离嘉兴电厂约为20km，嘉兴电厂500kV主变均为三相五柱式结构，主变中性点直接接地，地处沿海区域，土壤电阻率低，致使有较大的入地电流通过主变中性点流入主变本体，造成主变偏磁饱和，声音强度增大，主变内部振动加剧，复奉直流的单极大地回路运行导致了其主变发生了直流偏磁现象。表1为2011年5月24日14时在4台机组负荷均降为450MW时实测主变噪声值，采样时间均为10s，通过频谱分析，发现噪声主要以300～350Hz等低频段为主，与现场反应的主变声音沉闷相吻合，6号主变中性点实测的直流电流约为14A，中性点直流量大小与现场的主变噪声的大小乘线性关系。

表1 嘉兴电厂500kV主变发生直流偏磁时噪声频谱和中性点直流

为了消除直流偏磁产生的影响，对几种抑制方案进行了优缺点分析，其中电容隔直装置、小电阻限流、电位补偿法均需要在变压器中性点与地网之间串入设备，且都需要旁路保护，而中性点注入反向电流则需要在厂址外建造独立的辅助接地极。从安全可靠性来看，前三种方法对旁路保护的要求基本在同一水平，考虑到发电厂在电力系统中的地位及限制机组出力的严重局面，同时鉴于目前国内外的研究和具体的使用情况，确定了在该厂主变中性点加装电容隔直装置。

2011年9月利用机组调停机会陆续对4台主变加装了电容隔直装置，在之后的直流单极大地运行方式中，现场检测4台主变的最大噪声分别为72dB、70dB、75dB、73dB，中性点最大电流值分别为0.5A、0.1A、0.2A、0.1A，变压器参数运行正常，有效消除了直流偏磁对该电厂主变的影响，满足了系统对机组的出力要求。

6 结论

1）通过分析可以看出，引起变压器发生直流偏磁的因素是多方面的，由于土壤电阻率的异常复杂，地中直流电流的路径和实际的地中电流密度目前国内外均无法准确测算，故而针对变压器直流偏磁的仿真计算实际意义并不大，只能在实际发生了直流偏磁现象后再采取相应的抑制措施。

2）避免变压器发生直流偏磁的最根本方法是从源头上解决问题，即直流输电线路在实际运行中应尽量避免采用直流单极大地回线方式。

3）建议对中性点直接接地的变压器通过加装直流CT来实时掌握通过的直流量大小，若变压器发生了直流偏磁现象，可以根据变压器的性质选择安装中性点电容隔直装置或者小电阻限流装置，对于发电厂主变压器推荐使用带自动旁路的电容隔直装置，而对于变电站变压器则最好根据系统情况，综合治理，采用小电阻限流装置。由于需要另建辅助接地极且存在二次污染，所以不建议采用反向补偿直流方案。

[1] 蒋伟, 吴广宁. 特高压直流输电的地中电流对变压器的影响及其计算[J]. 高压电器, 2008(12): 534-536.

[2] 李长益. 直流单极运行对交流变压器的影响[J]. 华东电力, 2006(1): 36-38.

[3] 徐春侠. 论高压直流接地极周边新建变电站需注意的问题[J]. 实用技术与管理, 2008(5): 52-54.

[4] 刘曲, 郑健超. 直流输电系统变压器中性点电流分布的影响因素[J]. 高电压技术, 2008(4): 643-646.