主变中性点隔直装置在工程中的设计及应用

靖 峰,韩 源,杨丽薇,张 堃

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)



主变中性点隔直装置在工程中的设计及应用

靖 峰,韩 源,杨丽薇,张 堃

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

高压直流输电单极运行方式会在影响范围内的主变励磁电流中流入直流分量，从而导致主变出现直流偏磁现象，具体表现在变压器损耗增加、噪音增大、出口电压畸变及温度升高等方面，严重影响到变压器安全运行。通过在主变中性点接入隔直装置，可有效隔离流入变压器中性点的直流电流，确保主变的安全可靠运行。

直流输电；单极运行；直流偏磁；隔直装置

0 前 言

天中±800 kV特高压直流工程起点为新疆哈密南部能源基地，落点为河南省郑州市，是连接西部边疆与中原地区的“电力丝绸之路”，其投产后入地直流电流达5 kA，将对沿线周边的变压器设备产生严重的直流偏磁影响[1-4]。

HZZ汇集站项目位于新疆地区哈密市，为新疆哈密千万千瓦风电基地配套送出工程的一部分，是新疆风火打捆配套电源工程。汇集站内规划安装3台容量为240 MVA的220 kV/110 kV/35 kV三绕组变压器，站内220 kV及110 kV侧均采用双母线接线，本项目所发电能通过天中直流±800 kV线路送出。

该项目位于距天山换流站接地级站址距离约20.6 km，按照2015年底哈密地区网架结构进行模拟仿真计算，在最不利的系统接地运行方式下，当天中直流单极满负荷运行时，HZZ项目变压器220 kV侧中性点流入的直流电流最大为43.5 A，存在较大直流偏磁风险[5-7]。

1 直流偏磁现象的产生及其对变压器运行的影响

1.1 直流偏磁现象的产生

直流输电系统单极运行(通过大地回线运行)是指当双极直流输电系统中的一极停运，另一极利用大地或海水作为直流电流返回电路的运行方式。当直流线路采用单极大地回路方式运行时，会在接地极站址周边大地中产生强大的电流场，导致其周边不同位置的变电站处于不同电位。直流输电系统经接地极入地的部分电流将从地电位较高的变电站中直接接地的变压器中性点流入其绕组，并经过其交流架空线路送出，通过地电位较低的变电站中直接接地的变压器中性点流出，形成完整的直流回路。即直流输电系统中的直流电流在上述交流阻抗回路中形成通路，并与大地回线形成并联运行回路，详见图1。

图1 直流入地系统回路示意图

由于上述直流电流I1的引入，导致变压器出现直流偏磁现象，变压器直流偏磁为一种非正常运行状态，对变压器的可靠运行带来较大隐患。

1.2 直流偏磁对变压器运行的影响

变压器安全运行能够承受的直流电流大小目前没有统一规定，通常由变压器制造厂提供。国网公司对油浸式变压器进行状态评价时，为确保设备的正常运行，通常要求变压器中性点直流电流应小于3 A[8]。

变压器绕组中流过的直流电流超过其耐受能力时，由于直流磁通造成变压器铁芯严重饱和，将产生大量谐波，增加变压器损耗，导致局部过热、破坏绝缘、损坏变压器或降低使用寿命，其危害主要有以下几个方面[9-13]：

(1) 运行噪声增大；

(2) 导致系统电压畸变，具体与变压器的绕组接法和磁路结构有关；

(3) 增加变压器损耗；

(4) 变压器温度升高，由于直流偏磁引起的涡流损耗导致的铁芯支撑板温度升高。

2 直流偏磁问题的解决及隔直装置工程设计

2.1 直流偏磁问题的解决措施

直流偏磁对变压器的安全可靠运行和使用寿命有着严重的影响，当直流电流超过变压器正常耐受的限值时，必须采取措施予以抑制。目前可行的限制变压器直流偏磁的方法有：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，其中电容隔直法原理较为简单，安装后不需修改保护及安全自动装置定值。而电容隔直法又分为在交流线路中串联电容器和在主变中性点装设电容器2种方法，这2种方法均可以将主变中性点上的直流电流抑制到0，但是后者造价更低，且可配合简单的电流旁路保护装置来保护电容，因此主变中性点装设电容器是抑制并消除流过主变中性点直流电流的最优方法。

2.2 中性点隔直装置工程设计

运行经验表明，不同的限流技术在同一地区运行过程中可能会产生互相干扰和影响，同一区域限制直流偏磁措施应统一规划。目前在哈密地区已有的改造项目均采用电容隔直法，取得了较好的效果，本项目在设计中也考虑采用电容隔直法。

中性点隔直装置接线见图2。

图2 隔直装置原理图

2.2.1 装置运行方式分析

通过在主变中性点成套装置隔离开关接地侧的中性点上，串接电容器的方法来隔离直流电流流入变压器，其运行方式如下：

(1) 当装置检测到变压器中性点直流电流小于设定值时，旁路开关QF为常闭工作状态，变压器中性点通过旁路开关QF接地，变压器中性点处于直接接地运行工况；

(2) 当装置检测变压器中性点直流电流大于设定值时，旁路开关QF打开，隔直电容C串联至接地回路中运行，起到隔离直流电流的功能，变压器中性点处于经隔直电容接地运行工况；

(3) 当装置监测隔直电容C上的电压降低到设定值以下时，旁路开关QF合闸，隔直电容C退出运行，变压器中性点处于直接接地运行工况。

需要特别注意的是，在变压器中性点处于经隔直电容接地运行工况下，当系统发生单相接地不对称短路时，短路电流流经隔直电容C，使得隔直电容上的电压迅速上升，电容器两端出现极高的过电压，此时将触发氧化锌(ZnO)导通，限制电容C两端的电压，对电容C起到保护作用。监测元件可精确监测电流过零点，并在短路电流过零点时将与ZnO并联的旁路开关QF合闸，合闸时间仅1～5 ms，将短路电流分流到断路器QF里，对氧化锌(ZnO)提供保护，将系统切换至变压器中性点直接接地运行工况。

上述成套装置通过接入交流回路的变压器中性点时，可有效阻断流过变压器中性点的直流分量，同时对交流系统不产生影响。

HZZ项目变压器中性点隔直装置主要参数,见表1。

表1 HZZ项目变压器中性点隔直装置主要参数表

2.2.2 装置主要元件参数选择

(1) 电容器的容抗值与被限制的直流电流大小无关，为避免产生铁磁谐振或其他过电压，主变中性点所装设的电容器容抗值应尽可能小[14]。通常变压器中性点允许串联电容容抗为：Xc=(0.1～1)Ω，此时电容容量C为：

在这种情况下，交流电流和直流电流均在电容器上产生电压，因此电容器的额定电压值应大于直流电压值。

同时，电容器应能承受系统发生单相短路时氧化锌的残压值。目前单片氧化锌最小残压为350 V、单片氧化锌电流500 A、残压比为2.15，2片氧化锌串联后残压700 V。根据运行经验取电容器最低额定电压值为400 V，则有：

因此电容器额定电压UC≮400 V可满足装置要求。

(2) 由于短路冲击电流为2.69倍的短路周期分量有效值(2.69为冲击系数)，因此当要求氧化锌(ZnO)需承受50 kA的短路电流时，短路冲击电流为50×2.69=135 kA。每路阀片电流较小，同时为每路电流及能量均匀分配，需要2片以上串联组合才能达到均流、均能的目的。

氧化锌(ZnO)通流能力为1 kA，选择氧化锌(ZnO)的并联路数为135 kA /1 kA =135路,考虑冗余1.1倍，设计选取150路氧化锌(ZnO)并联，则50 kA短路冲击电流下，每路氧化锌(ZnO)的通流为：135/150=0.9 kA。

根据氧化锌10 mA直流参考电压不小于516.6 V的要求，选择10 mA直流参考电压为320 V的阀片进行每路2片串联，则有：

U10 mA=2×320=640 V>516 V

因此氧化锌(ZnO)长期运行安全。

(3) 旁路开关QF在恒流源的情况下合闸，必须要使短路电流过零点合闸，否则开关可能会烧毁，至少会发生冷焊、拒分等现象。因此需要对开关精确预测电流过零点，并在过零点合闸，且合闸无反弹[15]。

2.3 隔直装置台数选择

根据调度要求，变压器中性点接地运行方式的安排，应尽量保持变电站零序阻抗基本不变。当双母线运行的变电站有3台及以上变压器时，应按2台变压器中性点直接接地方式运行，并把它们分别接于不同母线上，当其中一台中性点直接接地变压器停运时，另一台中性点不接地变压器直接接地[16]。

可以看出，在各种运行工况下，最多2台主变中性点直接接地运行，为确保2台直接接地运行的变压器在各种可能的运行工况下均能受到中性点隔直装置的保护，在工程设计时考虑最多能同时保护2台主变中性点即可，因此相邻两台主变压器可以通过运行切换合用1台主变中性点隔直装置，通过合理的切换方案设计，节约1台中性点隔直装置。同时，由于电容器具有“通交流、隔直流”的特点，相邻两台主变压器合用1台隔直装置不会对隔直装置的使用产生影响。合用隔直装置接线方式详见图3。

图3 HZZ项目共用中性点隔直装置连接方案图

3 结 语

本文以HZZ汇集站为例，通过工程中遇到的具体问题，分析直流偏磁对变压器的影响以及解决方案，得出以下结论：

(1) 直流偏磁现象会严重影响到变压器安全运行，工程设计中应予以充分重视，对直流线路沿线项目均需进行直流偏磁风险评估，并根据评估结果采取治理措施。

(2) 主变中性点隔直装置设计应充分考虑项目规模、当地偏磁治理情况及仿真计算获取的直流电流值。

(3) 结合电网对项目中性点运行方式的要求合理设置隔直装置数量。

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Design and Application of Neutral DC Blocking Device of Main Transformer

JING Feng, HAN Yuan, YANG Liwei, ZHANG Kun

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)

The monopole operation of the HV DC transmission may allow the DC component to flow into the excitation current of the main transformer which is covered by the monopole operation. Accordingly, it results in occurrence of the DC bias in the main transformer. This DC bias is displayed in terms of the consumption increase of the main transformer, the noise increase, the outlet voltage aberrance and the temperature increase, etc. They seriously impact the safety operation of the main transformer. By application of the DC blocking device at neutral point of the main transformer, the DC current flowing into the transformer neutral point can be effectively blocked so as to assure the safe and reliable operation of the main transformer. Key words: DC power transmission; monopole operation; DC bias; DC blocking device

1006—2610(2016)05—0069—04

2016-01-29

靖峰(1982- )，男，湖北省武汉市人，高级工程师，主要从事电气一次设计工作.

TV734.3;TM614

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.017