青豫直流工程入地电流对青海地区交流电网直流偏磁的影响

李学鹏，李庆军，薛峰，王树潭，张万祥，陈奇，常伟

(1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；2.国网青海省电力有限公司，青海 西宁 810008；3.国网青海省电力建设公司，青海 西宁 810008)

换流站接地极是直流输电工程换流站的重要组成部分，起着钳制中性点电位、通流不平衡电流以及在线路检修或单级大地运行时提供大地返回通道的作用[1-4]。当直流电流或不平衡电流导入大地后，导入点附近电位相对会升高，中性点接地的变压器绕组中会流入直流电流[5-6]。变压器绕组通过直流电流时，在铁心中将产生直流磁势，导致铁心磁密工作点偏移，这种现象称为直流偏磁。直流偏磁使变压器铁心处于半周饱和，铁心的饱和使漏磁增加，进而引起金属结构件和油箱局部过热，可能导致绝缘老化和变压器油分解，影响变压器的寿命，严重时甚至可能损坏变压器，危及到电网的安全稳定运行[7-13]。

现有对交流变压器直流偏磁特性的研究，多是通过分析直流偏磁产生的机理，优化仿真模型，以接地极电流场仿真结果为出发点，提出直流偏磁的治理范围或重点研究直流偏磁的治理措施。本文的主要目的是研究接地极入地电流对周围变电站的影响范围，评估直流偏磁的影响程度，以便提前确定停电时间和治理方案。目前对接地极直流偏磁已有的研究方法主要是通过对接地极土壤及电网结构进行建模，计算接地极入地电流在周围电网变压器中产生的直流偏磁电流的分布情况，但实测的土壤电阻率范围有限，影响了研究结果的准确性。本文拟在实测电阻率建模的基础上，利用调试期间周围变电站直流偏磁电流实测值对土壤电阻率进行修正，提出相应变压器直流偏磁的治理建议，也为该地区后续新建或扩建变电站的直流偏磁治理提供计算依据。本文内容主要包括直流偏磁计算模型分析、青海海南地区电网建模和计算、计算结果分析及主要结论4部分。

1 直流偏磁的影响及计算模型分析

1.1 直流偏磁参数的原因分析

当直流系统处于单极大地运行方式时，直流电流会注入接地极，将在接地极附近土壤中形成恒定的直流电流场[14]。进入变压器绕组的直流电流在铁心磁路中产生直流，进而在铁心磁路中产生直流磁化强度，由于变压器铁心的磁滞特性，直流磁化强度与交流磁化强度相互影响，造成交流磁化强度产生变化，于是产生直流偏磁现象。直流偏磁使变压器励磁电流在饱和半周出线尖峰，另半周收缩，波形不仅比正常时畸变严重，而且正负半周不再对称，出现偶次谐波。直流入地电流进入交流系统的示意图如图1所示。

1.2 变压器直流电流允许值

变压器中性点电流直流分量增大会引起变压器振动加剧，噪声增加，而变压器容许的直流电流在很大程度上取决于变压器设计，与变压器结构、铁心材料、磁通密度取值相关。一般情况下匝数越多，容量越大，相柱铁心面积越大，变压器饱和就越严重；相关研究表明单相变压器和壳式变压器受直流偏磁影响程度最大，三相四柱和三相五柱次之，而三相三柱侧基本不受直流偏磁影响；自耦变压器较其他类型变压器受直流偏磁影响程度最大[15-16]。

图1 直流入地电流进入交流系统Fig.1 Schematic diagram of DC ground current accessing into AC system

依据青海海南换流站换流变招标技术规范书及《35～750 kV变电站通用设备分册》[16]中的变压器技术参数要求，一般换流变压器三相承受直流偏磁不小于10 A，750 kV和500 kV变压器三相可承受的直流电流不小于6 A，330 kV和110 kV变压器三相可承受直流电流不小于10 A，具体数值需根据系统计算情况在招标文件中提出具体要求[17]。

从预防直流偏磁的角度出发，此工程换流变压器三相直流偏磁控制值取10 A；750 kV和500 kV变压器三相直流偏磁电流控制值取6 A；330 kV变压器三相直流偏磁电流控制值取10 A； 110 kV变压器三相直流偏磁电流控制值取10 A。

2 青海电网直流偏磁分布建模和计算

2.1 大地模型的测量与建模

根据极址电流场分布的基本原理，极址周边区域的电位分别主要受极址区域浅层土壤电阻率决定；而远离极址的土壤中电位分布主要与极址深层土壤电阻率有关。四极法属于电测量方法，具有局部分辨率高的特点，但测深不足，难以穿越高阻层；大地电磁法(MT法)属于磁测量方法，利用平面波形的天然电磁法作为激励，测深可达数百甚至上千千米，但无法取得地下1 km深度范围内的大地电阻率分布[18-19]。综合2种方法的特点，本工程对浅层土壤电阻率采用四极法测量，对深层土壤电阻率采用电磁法测量。

对测量的数据在工程上采用二层量板和辅助量板法进行土壤电阻率定量解释，对于个别畸变曲线进行合理的平滑。计算采用电力工程接地技术设计与计算软件集成系统对实测土壤电阻率进行拟合和反演，青海海南换流站接地极极址的大地电阻率模型、水平分层土壤电阻率见表1。

表1 青海海南换流站接地极土壤结构计算模型Tab.1 Soil structure calculation model of grounding electrode of Qinghai Hainan converter station

2.2 交流电网直流分布模型

变电站的模型由变电站节点、变压器模型、中性点串联设备三部分构成，变压器的模型要依据绕组的类型和母线的运行方式建立，主要由绕组直流电阻组成。

为了仿真和计算的方便，将变压器的模型简化为如图2所示的节点模型，因自耦变压器的绕组连接方式区别于其他类型变压器，所以自耦变的模型要特殊考虑。

图2 仿真计算中的变压器模型Fig.2 Transformer model in simulation calculation

在实际运行中，电网三相的直流参数是相互对称的，在推导数学模型时为推导方便将模型看成单相电路，仿真计算中交流电网的直流电流分布模型如图3所示。

青海海南换流站接地极模型依据青海海南藏族自治区2020年110 kV及以上电网地理接线图和青海330 kV及以上地理接线图建立。模型共有变电站144个，其中750 kV变电站17个，330 kV变电站62个，110 kV变电站65个。青海电网750 kV系统地理位置图如图4所示。

青海直流分布建模工作需要考虑两方面的因素：一是变电站信息，主要包括变电站的地理位置信息、接地电阻、站内变压器参数、母线和中性点信息；二是线路信息，主要包括线型、回线数量和长度等信息，同时考虑深层电阻率分布的大地模型。

图3 交流电网直流电流分布网络Fig.3 DC current distribution network of AC grid

图4 青海电网750 kV系统地理信息Fig.4 The geographic information map of 750 kV system in Qinghai power grid

利用计算软件建立电网模型地理信息图，接地极附近的电网分布如图5所示。

图5 接地极附近的变电站和线路分布Fig.5 Schematic diagram of the distribution of substations and lines near the grounding electrode

2.3 电位分布计算结果

青海海南换流站接地极设计的系统条件为额定电流 5 523 A，2 h过负荷电流6 231 A，双极不平衡电流10 A。

根据海南换流站土壤电阻率及区域地形条件，海南换流站接地极采用浅埋型陆地接地极，电极形状为同心双圆环形，外环半径为600 m，内环半径470 m；电极材料采用直径为50 mm的高硅铬铁棒，电极埋深4.0 m；活性填充材料为石油焦炭，焦碳截面外环、内环均为 0.80 m×0.80 m；

经过仿真模型计算，接地极极址附近变电站的变压器中性点直流电流分布计算结果见表2，因为极址周围变电站站点众多，只列出直流偏磁风险较大的站点和距离接地极较近的变电站变压器中性点直流电流计算结果。

表2 海南换流站接地极周边变压器中性点直流电流计算结果汇总Tab.2 Calculation results of DC current at the neutral point of transformer around the grounding electrode of Hainan converter station

从表2可知，在青海直流工程投运后，青海交流电网受直流偏磁影响最严重的站点是青南换流站和750 kV塔拉变电站，青南换流站换流变压器中性点入地电流最大为6.82 A，小于换流变直流偏磁限制值(10 A)，故青南换流站不超标。塔拉变电站变压器中性点入地电流最大7.74 A，略微超过限制值(6 A)，从计算结果预测塔拉变电站受直流偏磁影响较严重，故在工程初步设计阶段预留了2套隔直装置，依据直流工程调试期间塔拉变电站中性点入地电流及变压器噪音的实测值再确定是否安装隔直装置。

3 直流偏磁实测结果分析

为评估仿真计算的准确性，保证换流站投运及后期运行的安全可靠，在青豫直流工程单极大地运行方式调试期间，青海省电力科学研究院分别在接地极注入入地电流1 000 A、3 000 A和5 000 A，对海南换流站接地极周边变电站变压器中性点直流电流实际情况进行了测试，实测结果见表3。

表3 海南换流站接地极周边变压器中性点实测电流汇总Tab.3 Measured current at the neutral point of transformer around the grounding electrode of Hainan converter station

由表3可以看出，现场实测结果与仿真计算结果大部分比较接近，或者变化规律及变化趋势比较接近，对于仿真计算直流偏磁比较严重的变电站，其现场实测的变压器中性点直流电流值也比较大。

从实测值来看，变压器中性点直流电流的大小与单极大地运行方式下馈入大地的直流电流关系密切，近乎于线性关系。为了验证计算结果的准确性，挑选接地极附近主要变电站的实测值与计算值进行比较，见表4。

从表4中可以看出实测值与计算值的变化趋势基本一致，尤其是对于距离接地极较近的站址，预测值和实测值比较接近，比如塔拉变电站，预测的变压器中性点直流电流为7.74 A，实测结果最大值为8.20 A，也证明塔拉变电站直流偏磁电流确实超过控制值。但对于距离接地极较远的站，因为地理位置差别较大，地理参数复杂，仿真模型难以模拟大范围的直流电流分流情况，会出现仿真结果与实际测量值差异较大的情况。

表4 周围变电站变压器中性点电流计算值与实测值比较Tab.4 Comparisons of calculated and measured values of current at the neutral point of transformer around substations

针对重点关注但又距离较远的变电站，若仿真结果已显示变压器中性点直流电流超出控制值，为验证仿真结果的准确性，可采取调整地理信息参数的方法，让已获得实测值的站点的计算值与实测值的差异尽量小，并用已修正的地理参数来获得关注站点的变压器中性点直流电流的计算值。在本工程计算过程中通过采用此方式修正地理参数，明显提高了仿真结果与实测结果的整体接近程度。

工程实际运行中变压器对直流偏磁的反应受多种因素的影响，对于变压器中性点直流电流实测值超过控制值的变压器，应重点考虑限制直流偏磁措施，但也应结合变压器的实际运行情况。比如塔拉变电站实测值超过控制值，但调试期间塔拉变电站的主变压器在接地极入地电流5 000 A工况下，主变压器的噪音和振动并未明显变化，也没有局部过热现象，故暂未采取限制直流偏磁具体措施，后续进一步跟踪变压器的运行状况再确定是否安装隔直装置。

4 结论

通过对青海海南换流站接地极对周边电网中性点有效接地的变电站、输电线路进行建模，并对其变压器中性点直流电流的计算值与实测值的分析，得出如下主要结论：

a)对于±800 kV直流工程接地极附近浅层和深层大地土壤电阻率采用四极法和电磁法测量能够满足计算要求，通过软件对土壤电阻率进行拟合和反演，得到的分层土壤电阻率模型可以反映接地极土壤电阻率的实际情况，可用于仿真计算。

b)在实测土壤电阻率模型下，由于海南换流站接地极极址深层土壤电阻率较低，青海海南换流站接地极对周围变电站的影响整体较小，因塔拉变电站距离接地极较近，仅塔拉变电站变压器中性点直流电流高于直流偏磁控制值，其他站点均在控制值范围内，调试期间对多个站点的检测结果验证了仿真结果的正确性。

c)对于仿真结果显示超标又距离接地极较远或其他因素导致难以准确仿真的变电站，可采取调整地理信息参数的方法，让已获得实测值的站点的计算值与实测值的差异尽量小，并用已修正的地理参数来获得关注站点的变压器中性点直流电流的计算值，实践表明此方式对于提高仿真结果的整体准确性有很大帮助。利用修正后的模型可对后续海南地区新建变电站的直流偏磁进行预测，以便提前确定停电时间和治理方案。

d)由于实际交流网络的复杂性和运行工况的差异，某些变电站的计算结果与实际情况存在一定差异，对于计算值在治理限值附近的变电站，应通过实测值与现场变压器的噪音、振动、温升实际表现，再确定是否需采取限制直流偏磁措施。