浅谈变压器直流偏磁现象及电容隔直原理

杨 猛 胡 谆 吴建洪

（杭州意能电力技术有限公司，浙江杭州310014）

0 引言

伴随着我国大规模交直流混联电网的迅速发展，直流输电工程在调试或故障情况下单极大地回线运行时有发生。直流输电线路在单极大地回线运行方式下，直流电流经直流系统接地极流入大地，同时在接地极附近形成不等电位。

不同发电厂（变电站）由于相对于接地极地理位置不同，其电位也不一样，由于电位差的存在，直流电流经中性点接地变压器流入变压器绕组，从而引起变压器直流偏磁现象。变压器在直流偏磁下，直流与交流磁通相叠加，铁芯饱和程度在与直流偏磁方向一致的半个周波增加，在另外半个周波减小，对应的励磁电流波形呈现正负半波不对称形状。

变压器直流偏磁的主要危害有变压器噪声和振动加剧、变压器无功损耗增加、系统电压波形畸变、产生大量高次谐波、继电保护误动等。

目前，国内抑制直流偏磁的方法主要有电容隔直法、小电阻限流法、中性点注入反向电流法、电位补偿法。小电阻限流法只能减弱变压器中性点直流电流且灵活性较差。注入反向电流法直流利用率低且会对相邻变压器造成直流污染，加剧直流偏磁程度，同时需另建直流接地极，投资较大。电容隔直法采用无源装置，安全性较高，隔直效率高，对系统继电保护影响很小，运行维护方便。综合比较，本文所述电厂采用电容隔直装置。

1 电容隔直装置结构

电容隔直装置由三个部分构成。

第一部分是户内隔离刀闸，本装置采用电动双刀切换隔离刀，用于切换隔直装置的投入与退出。

第二部分是串联接入变压器中性点的隔直装置本体，包括电容器、整流二极管、晶闸管、限流电感、限流电阻、快速转换开关等一次设备及二次控制单元。

第三部分是就地监控终端，供运维人员监测装置的运行状态，包括开关量、模拟量及保护定值的设置。

装置原理接线图如图1所示。

2 电容隔直装置工作原理

2.1 电容隔直装置运行方式

电容隔直装置通过投入刀闸（GZ12）和接地刀闸（GZ11）的切换实现投退的灵活转换。GZ11断开、GZ12闭合为隔直装置投入运行，反之为退出运行。为保证变压器中性点可靠接地，电动双刀切换隔离刀为双刀互锁隔离刀，GZ11和GZ12不能同时处于分断状态。另外，利用与电容器并联的转换开关实现直接接地运行状态和电容接地运行状态的转换。

图1 装置原理图

运行方式接线图如图2所示。

图2 电容隔直装置运行方式

2.2 电容隔直装置控制策略

隔直装置有两种运行模式：自动运行模式和手动运行模式。

正常运行方式下，电容隔直装置快速转换开关处于合闸状态，隔直电容被短接，变压器中性点为直接接地运行状态。通过检测变压器中性点直流电流和系统故障情况，按照预设策略控制电容隔直装置转换开关的分、合闸。

2.2.1 隔直装置直接接地运行状态

在直接接地运行状态下，当检测到变压器中性点直流电流超过设定限值且时间达到时限时，在自动模式下，装置自动进入电容接地运行状态；在手动运行模式下，装置发出告警信号（直流电流越限告警），等待运行人员通过远程终端手动进入电容接地运行状态。

2.2.2 隔直装置电容接地运行状态

在电容接地运行状态下，考虑到交流系统故障时中性点会出现过电压和过电流的情况，为避免电容器被击穿从而影响继电保护无法正确动作，有如下3种控制策略：

策略1：交流系统无故障时，监视中性点电容器两端电压，当直流电压低于设定限值并达到动作时间时，在自动模式下，装置自动进入直接接地运行状态；在手动模式下，发出直接接地安全提示信号，等待运行人员手动通过远程终端操作进入直接接地运行状态。

策略2：交流系统故障时，监视中性点电容器两端电压，当电压超过触发电压限值时，过电压触发元件瞬时动作，快速进入直接接地运行状态。

策略3：交流系统故障时，监视中性点交流电流，当电流超过触发电流限值时，过电流触发元件瞬时动作，快速进入直接接地运行状态。

策略2、3是针对交流系统发生不对称接地短路故障的情况，二者取“或”。因为快速转换开关动作时间比晶闸管导通要慢，所以当中性点出现过电压或过电流时，晶闸管会迅速导通对电容器形成旁路，故障电流会先通过晶闸管流向大地，达到快速保护电容器的目的。同时启动相应的过电压或过电流触发元件，向快速旁路开关发出合闸指令，当快速旁路开关合上后，对电容器形成机械旁路，故障电流转移到快速旁路开关，同时关断晶闸管。

另外，若触发元件故障或快速转换开关拒动，可通过与电容器并联的放电间隙保护电容器。

3 问题分析及处理

3.1 电抗器和电容器谐振问题

为防止电网发生单相接地故障时短路电流过大，该电厂采用变压器中性点经小电抗接地方式（图3）。由此，当电容器和电抗器参数选型不匹配时，可能会发生串联谐振问题，使电容器和电抗器上出现过电压，对设备带来危害。以下对该电厂变压器中性点谐振问题进行分析。

图3 变压器电气接线方式

电抗器和电容器的工频阻抗XL和XC计算公式为：

式中，ωB=2πfB，fB=50 Hz。

由串联谐振发生条件ω2LC=1可得：

经查阅资料得知，小电抗工频阻抗为60 Ω，电容器工频阻抗为0.1 Ω，可计算出电抗器和电容器的谐振频率为：

因谐振频率远小于基波频率，故按现有设备参数不会发生基波或谐波谐振问题。

3.2 快速转换开关控制问题

调试过程中发现，未设计电容隔直装置直流电流越限告警信号和直接接地安全提示信号至集控室后台供运行人员监视。若运行模式为手动，运行人员无法及时根据实际状态手动操作转换开关来切换电容隔直装置的运行状态。

方案1：设计增加电容隔直装置直流电流越限告警信号和直接接地安全提示信号至集控室后台信号回路。

方案2：修改测控装置内部程序控制逻辑，当运行模式为手动时，经延时自动切换至自动运行模式。

经讨论，考虑到保证变压器安全运行，减轻运行人员的工作量，充分实现自动化控制，决定采用方案2——当运行模式为手动时，经延时自动切换至自动运行模式。建议直流偏磁投运行时，使用自动运行模式。

4 结语

随着特高压直流的快速发展，变压器直流偏磁问题日益突出。电容隔直法因安全性较高，隔直效率高，对电力系统继电保护影响很小，运行维护方便，从而得到普遍应用。熟悉掌握电容隔直装置的工作原理及调试过程中需要注意的问题，对现场调试工作具有指导作用，同时对保障电网的安全稳定运行具有重要意义。

[1]张金平，张辉，熊敏，等.基于串联电容法的变压器中性点直流电流抑制装置[J].电网技术，2009，33（20）：147-151.

[2]朱艺颖，蒋卫平，曾昭华，等.抑制变压器中性点直流电流的措施研究[J].中国电机工程学报，2005，25（13）：1-7.

[3]于永军，张龙钦.现代电力系统直流偏磁仿真理论及应用技术[M].北京：中国电力出版社，2016.

[4]李光琦.电力系统暂态分析[M].3版.北京：中国电力出版社，2007.

[5]陈珩.电力系统稳态分析[M].3版.北京：中国电力出版社，2007.