特高压直流输电工程的直流偏磁影响计算研究

吴昆霖 曾波

摘要：特高压直流输电工程是我国高压电力输送的重要工作，在特高压直流输电系统单极运行工况下，接地极电流注入大地引起地电位升高，导致变压器发生直流偏磁现象是其在运行中常见问题之一，对于电力系统安全稳定运行存在一定的威胁。文章以±800kV的直流输电工程作为研究对象，对直流偏磁影响的计算进行详细分析，以求能够更好的解决相关问题，保证特高压直流输电工程的安全运行。

关键词：特高压；直流输电工程；直流偏磁影响；计算

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：2095—6487（2018）02—0103—02

0引言

特高压直流输电系统具有输送距离长、容量大、损耗小等优点，因此受到了电力单位的关注和重视。近些年来，该系统的应用越来越广泛，但是当直流输电线路在调试检修期间或发生故障时，其将会以单极大的回路方式运行。此时大地作为回流电路，可能会有高达数千安的直流电流通过，在接地极附近引起地电位升高，导致变压器发生直流偏磁现象。该现象的出现容易造成变压器损耗，谐波增大，无功损耗增加，而且其还可能会对地埋设施造成损害。因此，如何有效的解决偏磁问题已经逐渐成为人们探讨的重点。

1直流偏磁原理和治理标准

直流偏磁现象发生时，直流接地极附近的电厂分布会因为流过电流在短时间内大幅度增加，接地极附近出现较高的地表电势。随着距离逐渐增大，地表电势则逐渐降低。而且由于不同地点间的地表电势也有所不同，在这一地区的交流电网中，将会有直流电流从接地的中性点流入变压器再通过输电线流向远方。变压器绕组流过的直流电流导致运行的变压器产生直流偏磁现象，其给变压器以及交流电网的安全运行带来了较大的威胁。

而据我国《高压直流接地极技术导则》的相关规定要求，同变压器每组绕组的允许直流电流为：“单相变压器为额定电流的0.3%，三相五柱变压器为额定电流的0.5%、三相三柱变压器为额定电流的0.7%。”根据变电站变压器的容量和电压等级，计算得到的绕组允许流过的直流电流见表1。

根据上表可以发现，当电压等级和额定容量不同时，其单相允许直流、三相允许直流等也存在有较大的差异。

2特高压直流偏磁计算研究

2.1直流偏磁计算原理分析

直流偏磁具有一定的复杂性，在分析变电站直流分布时需要从多个角度入手进行分析和考虑，一般地下电流场和地上网络结构是其必须要考虑的部分。当前常用的直流偏磁计算方法主要可以分为两大类：一是，通过电磁场场路耦合的方式进行计算；二是，先计算电磁场大地电位分布，然后通过电磁暂态软件解耦后计算直流偏磁值。

而当前SES公司所研发的CDEGS软件能计算埋设或地面以上的带电导体组成的任意网络结构在正常、故障、闪电等暂态条件下的电流和电磁场，其具有应用范围广的优点，也是文章研究应用软件之一。文章在计算时，分别采用了电磁场路耦合以及解耦两种方法对计算结果进行校核。方法一，借助软件对接地极、变电站、线路等电力系统部分和土壤模型进行了一体化建模后计算得到了偏磁电流；方法二，则是先利用软件对接地极和土壤建模后计算得到地电位分布，然后根据第一步得到的地电位分布采用电磁暂态软件对电力系统的变电站和线路等进行建模分析。

2.2土壤和地电位分析

直流输电系统单极大地回路运行时，影响电表電位分布的主要因素是入地电流以及土壤电阻模型。以±800kV特高压直流输电系统为例，当单极运行时最大对地注入电流高达5000A，则直流偏磁现象涉及区域比较广泛，在某些时候其可能达到了方圆数百公里。而在研究时，结合其土壤模型测试，见表2。

通过对上表进行分析可以发现，当直流系统的起止深度以5000A注入大地时，在接地附近地电位的梯度比较大，以接地极为中心，随着到接地极的距离逐渐增加，接电位则迅速下降。

2.3电力系统建模

结合《高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定》，应对极址周围地电位升大于3V的变电站，则可以尝试进行仿真计算，对于由输电线路和变压器的直流电阻构成的地上电阻网络，各变电站的地电位相当于与其相连接的电压源。其简化模型见图1所示。

在使用上图的直流电流分布时，在计算过程中由于需要计算大量的转移阻抗，因此，其计算量比较大，而且实际上由于各变电站之间的距离要大于变电站的边长，而且流过变电站的直流电流也比直流极入地的直流电流小，因此，各点编制的地电位中，由直流极入地的直流电流和变电站自身入地的直流电流所产生的地电位占有绝对优势，而由其他变电站入地的直流电流在该变电站所产生的地电位可以说是微乎其微的，因此变电站之间的转移阻抗可以忽略不计。

2.4两种计算方法的对比分析

结合实际的计算情况来看，以500kV电网为例将两类直流偏磁计算方法进行对比，其计算结果表明，由于变电站自身入地的直流电流相比较直流极入地的直流可以说是微乎其微，因此采用解耦法进行计算时，虽然忽略了变电站地网之间的转移电阻，计算得到的偏磁电流与耦合法实际上差别并不是很大，而且解耦法简化了建模和软件处理的复杂程度，因此，在今后的工程中应用该方法也具有一定的优势。

3 ±800V直流偏磁实例分析

3.1直流工程计算范围分析

在对某±800kV直流输电工程进行分析时，其选址为某镇，根据电网规划网架和接地极周边地表电位分布情况，对接地极附近150 km范围内地区220kV及以上电厂/变电站，50km范围内110kV变电站进行统一的建模和直流偏磁电流计算。其中总变电站数量约为300个，主要包含有500kv、110kV和220kV变电站。

3.2工程投产年直流偏磁计算

假设该直流工程计划于2017年投产，考虑到直流单极大地回路运行问题，在实测土壤电阻率基本上针对上述电力系统模型进行直流偏磁影响计算，并按照分区统计流过单组三相组变中性点的直流电流进行统计得到1000kV，变电站中单组5.65A，500kV；变电站中单组为2.43A，220kV；最大站点单组为5.3A，110kV，单组为2.85A。在具体的计算过程中，其所采用的分类标准为：标准1，500kV及以上站点限值为10A，220kV站点为7A、110K站点为5A。标准2：参考直流治理标准，500kV及以上站点限值为20A、220kV站点15A、110kV站点为10A。在计算时结合实测土壤模型的计算结果发现流过变压器中性点的直流电流比较小，无论按照治理标准1还是标准2，直流工程在运行过程中都不存在直流偏磁超标的站点。

3.3土壤模型变化影响

在进行偏磁计算时，受到测量条件的限制只能选取接地极附近的实测土壤，因此其测量结果并不能全面深入的反映建模范围内的整体情况。而在直流输电工程实际运行过程中，百公里范围内土壤电阻率相对接地极可能会发生变化。因此，在计算测试过程中尝试将实测土壤模型中的电阻率分别增大3～6倍，最终发现深层土壤电阻率均大于本工程接地极实测值，计算中得到的流过变压器中性点的直流电流也明显增大，而且随着深层土壤电阻率逐步递增。所以说，土壤模型的变化对于直流偏磁有着较大的影响，其中较深层土壤电阻率是影响直流偏磁计算结果的重要因素之一。

4结束语

特高压直流输电工程是我国电力事业发展的重要工程，其具有输送距离远，功耗损失率低的优点，因此在较多工程中得到了广泛的应用，但是其偏磁现象也比较常见，在相关工程运行过程中做好偏磁计算，能够有效的保证其良好运行。