沪西特高压变电站1000kV主变直流偏磁抑制方案的实践

王瑶华 东电力设计院（上海交通大学）

沪西特高压变电站1000kV主变直流偏磁抑制方案的实践

王瑶华 东电力设计院（上海交通大学）

高压直流输电单极运行时产生的大地直流电场，在中性点直接地系统的变压器铁芯中产生直流偏磁，对变压器及整个电网的安全运行产生严重影响。以国内外首个治理直流偏磁的特高压站为实例，介绍电阻限流法治理直流偏磁问题的应用以及优缺点。

高压直流输电；直流偏磁；直流偏磁抑制方案；电阻限流法

超高压直流输电工程通常情况下采用双极接线的方式，但在工程建设前期或者故障情况下将采用单极运行的方式。单极运行时，流入接地极的直流电流将对周边中性点接地的交流变压器产生直流偏磁影响，严重时会引起变压器励磁电流畸变，使变压器噪声增大、变压器震动加剧、变压器铁心损坏、系统谐波波形畸变、继电保护误动等诸多问题，对变压器及整个电网的安全运行产生严重影响。

1000 kV沪西变电站位于在上海市西南部，周边10km范围内有华新换流站接地极，沪西变电站受直流系统影响大于规范控制要求，作为首个治理直流偏磁的特高压站，在综合比较了国内、外各种治理方案后，沪西变电站选择了主变中性点串接小电阻的限制直流偏磁方法。

1 特高压问题的特点及方案选择

（1）按照对直流偏磁能力抵抗力由弱到强依次为单相、三相五柱、三相四柱、三相三柱。考虑运输限制与节能需求，特高压变电站多采用单相自耦变压器。

（2）文献[1]认为“特高压变压器线路采用了提高输送功率的串补装置，故而可以不考虑特高压线路带来的直流电流问题”。实际情况则是，串补设备价格昂贵，沪西等现有的几个特高压交流站大部分不采用串补装置。由于直流电流可以通过线路在相邻变电站之间传播，而特高压线路较低的直流电阻反而增加了交流特高压站的直流偏磁问题严重性。

（3）随着现在500kV以上变电站中压侧单相短路电流问题越来越严重，很多变电站都在中性点加装了限流电抗器。电抗器的接入使得电容隔直法存在了一定的谐振风险，实际工程中需要计算校验。

以上特点可以看出直流偏磁对特高压主变的影响更为严重，解决方案也有一定的特殊性。由于电阻法结构简单、占地面积小、无谐振问题、无频繁投切需要，同时沪西站土壤电阻较小，选择较小阻值的限流电阻即可满足直流抑制需求。

2 电阻限流法

电阻型直流抑制法有别于反向注入法，是一种无源方案，属于疏通限制而非隔绝直流。做法是在变压器中性点回路中串联电阻Zr，将流过变压器中性点的直流电流限制在变压器可承受范围内。

2.1 限流目标

根据DL/T437-2012《高压直流接地极技术导则》规定,单相变压器为额定电流的0.3%，则常规500kV以上电压等级的单相变压器中性点三相绕组允许通过的直流电流约在：7.8A～10.4A之间。考虑各个制造厂生产差异以及安全系数，实际工程中限流目标为：该变电站与周边变电站变压器中性点三相绕组允许通过的直流电流不大于6A。

2.2 阻值选取

文献[1]推算认为串入的电阻阻值为接地电阻10倍以上时，可以较好的限制直流偏磁。但阻值选取上不能过大，影响主变中性点绝缘水平。现特高压变压器中性点、调压变调压线圈、补偿变补偿线圈工频耐受电压（有效值）分别为：185 kV、140kV、275kV。则：

Zg：接地电阻。

ZL：中性点电抗器阻抗，根据DL/T620-2011规定，中性点接地电抗器电抗值与变压器零序电抗比小于等于1/3。

In：不对称短路时主变中性点短路电流，特高压主变In一般为10kA-16kA左右。

1000 kA沪西特高压变电站以及其它500kA变电站中，限流设备电阻值均选在1Ω～3Ω范围。经计算操作过电压、雷电过电压均可满足要求，设备投运至今运行良好。

2.3 仿真计算

利用CDEGS软件搭建模型对1000kA沪西变电站极其周边地区500kV以上变电站、换流站进行仿真计算。选取奉贤±800kV直流特高压接地极单极运行时，近期、远景规划下，当1000kV沪西变电站采用3Ω小电阻接地前后，各个变电站主变中性点直流偏磁情况列表对比见表1。

表1 奉贤接地极单极大地运行（4000A）

仿真计算表明，沪西变电站1000kV主变中性点串接小电阻后能产生如下效果：

（1）串接3Ω小电阻可以有效的解决直流偏磁问题。

（2）当沪西站经电阻接地后，练塘站、周边变电站甲、乙、丁主变中性点的直流有增大现象。这是由于直流会通过与其有直接或者间接连接的线路进行转移。

（3）虽然针对单个变电站，有直流偏磁略微增大的情况，但是全地区总体直流电流分布呈下降趋势。

（4）远景和近期数据对比可以看出2个问题：一方面，不断增加的变压器造成各个站变压器总的直流电阻下降，同地电位下出现更大的直流电流；另一方面，由于分流效应，每台主变实际承受的直流电流又会减少。由此可见，电阻装置的限流效果受到整个电网参数与运行方式影响。

2.4 实际应用

沪西变电站1000kV主变中性点的小电阻限流装置见图1。

图1 沪西变电站1000kV主变中性点的小电阻限流装置

图2 设备外形图示意图

图3 电阻限流法的接线

实际工程中在电阻前串接一个接地开关以满足多种运行策略需求。电阻设备内含有一个稳定可靠的石墨间隙以防暂态过电压损坏电阻设备。设备基础较高且不封闭（详见图2），一来考虑带电体对地电气距离，二来考虑利用电阻器本身的“烟囱效应”，便于空气自然流通散热。设备外形尺寸约为：2.9m（长）×2.1m（宽）×2.4m（不含套管高）。

3 电阻限流法的优缺点

3.1 优点

（1）结构简单，便于制造。因大部分电阻型装置耐压能力较电容型装置高，正常运行时可直接接入中性点回路，设计时仅需考虑电阻设备本身保护间隙，无考虑需旁路开关。因此设备的旁路回路设计造价相对成本较低。

（2）串入电阻后，短路阻抗增大，短路电流变小。（3）不存在谐振风险。

3.2 缺点

（1）电阻抑制效果有饱和效应，阻值过大将影响主变中性点绝缘；阻值过小限流效果不理想。当接地电阻过大时，因（Zg+ZL+Zr）×In＜U工频可能导致选不出合理的Zr值。

（2）计算量较大：由于电阻装置直接串接入中性点回路，一定程度上受整个电网系统参数、运行方式影响（如表1）。计算时需考虑电网近期及远景规模，系统改变时需要重新计算校验，计算工作量大。

（3）对继电保护影响：变压器中性点接入电阻性偏磁抑制装置后使主变压器中性点零序方向过流保护和线路零序方向过流保护灵敏度降低；在保护正方向近端带过渡电阻故障时,使距离保护的保护区缩短。因此，对于线路的零序方向过流保护和接地距离保护定值则需要重新校核和整定分析。

4 结论

1000 kV沪西特高压站对直流偏磁的治理实例中改进了以前工程实例中空气间隙的不稳定结构，简化了电容隔直方案复杂的旁路开关设计，造价与占地相对较小，在土壤电阻率较低的地区具有更好的应用效果。

[1]潘卓洪.直流输电入地电流在交流电网的分布[D].湖北:武汉大学,2011. [2]王晓京,王瑶等.皖电东送淮南至上海特高压交流输电示范工程沪西

1000 kV变电站主变直流电流抑制方案研究技术报告[R]上海:华东电力设计院，2011.

[3]刘振亚.特高压直流输电技术研究成果专辑（2009年）[M].北京：中国电力出版社，2009年.

[4]曹浪恒.关于消除电网系统主变压器直流偏磁问题的分析[J],广东科技, 2008,11:82-84.

责任编辑：宋飞 朱挺
来稿时间：2014-11-13