一种无源电容隔直装置在电厂直流偏磁治理中的应用

胡振中 HU Zhen-zhong；高佳 GAO Jia

（国家电投集团江西电力有限公司景德镇发电厂，景德镇 333000）

0 引言

雅中～江西±800kV特高压直流输电工程起于四川省盐源县雅中换流站，途经四川、云南、贵州、湖南、江西5省，落点抚州东乡鄱阳湖换流站，线路长度1702km，额定功率双极8000MW，额定电流：5000A，最大过负荷电流：6000A。直流工程单极大地运行工况下，巨大的直流入地电流通过直流接地极入地，引起周边中性点接地的大型变压器出现直流偏磁的情况。

2021年5 月-6月，景德镇电厂参与雅中特高压直流工程两轮直流偏磁测试，测试结果显示：2021年5月14日第一轮测试在接地极入地电流1500A时，#2主变中性点直流电流18.2A，变压器运行中噪音由72分贝增大至96分贝，变压器运行振动明显加大，#1主变中性点直流电流0.6A，变压器运行噪音、振动基本无变化；当周边厂站完成变压器直流偏磁治理后，2021年6月16日第二轮直流偏磁测试在接地极入地电流1500A时，#2主变中性点直流电流38.2A、噪音98分贝，#1主变中性点直流电流19.2A、噪音91分贝，两台变压器直流偏磁各项参数测试结果均严重超标。若雅中直流在满负荷时单级运行，则入地电流将达到6000A，此时通过主变中性点的直流电流将会产生非常严重的直流偏磁现象，变压器损坏的风险极大。

1 直流偏磁产生的原因和危害

1.1 直流偏磁产生的原因

当发生直流输电线路存在一端接地或两级不平衡运行方式时，一个超强的电流场会在接地极的周边产生。不同区域，大地土壤层的电阻率会有明显区别，由于处于不同位置，导致接地极周边中性点接地变压器地电位也将不同。入地电流会从地电位相对高的变压器中性点流入变压器三相绕组，然后通过后续线路及设备，流入地电位相对低的变压器三相绕组，最后通过中性点流入大地，这样一个完整的直流回路就形成了，如图1所示。

1.2 直流偏磁的危害

当变压器三相绕组中流过直流电流时，励磁电流增长迅速，造成变压器铁芯磁通饱和。还会引起绕组、夹件、铁芯等部件涡流损耗变大，变压器内部油温贺绕组温升增加，造成局部过热甚至破坏绝缘的情况发生，如果直流持续时间较长，会造成电力系统电压降低或畸变，保护装置误动作的事件发生。直流电流流过变压器线圈时，励磁电流会明显增大，导致变压器运行噪音增大，并且有了谐波成分会使变压器噪音频率发生变化，极有可能与变压器绕组、铁芯、冷却器或油箱等结构部件产生共振，导致变压器振动增大，噪音增大。因此，直流偏磁严重影响变压器的使用寿命和安全稳定运行。

2 直流偏磁问题解决方案

我们处理直流偏磁的问题，最常用的主要有三种解决思路，有串接电阻、串接电容器和反向注入电流。

2.1 串接电阻法 在变压器中性点与地网之间串接一个较小的电阻，流过中性点的直流电流可以通过这个电阻进行限制。这种方案不需要电源，结构简单、成本低。这种方法最大的问题是没能对直流偏磁现象进行彻底治理，只是对电流大小进行一定程度的限制。并且对串接电阻的选择必须进行精确计算：如果串接的电阻阻值超过一定值时，会导致该变压器中性点不能有效接地，也会对系统的零序参数造成影响，不利于继保设备的稳定性。系统运行方式和相关参数变化时，为更好地限制直流电流大小，需要人为调整限流电阻的阻值，灵活度不高。

2.2 反向电流注入法 我们知道改变变压器中性点的电位，可以有效限制直流电流向变压器中性点流入，这样就可以通过在变压器中性点并联一个直流电源，这个电源电流要能实现在线调控。这个方法的优点是：变压器及其中性点系统没有增加任何设备，本身系统没有任何改变，不会对原系统和相关继保设备定值整定产生不利影响。但是缺点也很明显，此方法要在变压器或厂站附近建设辅助接地极用于直流电流注入，施工工程量巨大，且由于增加了一套大容量的直流电源，设备维护工作量和成本都很大。同样，注入电流的方法也不能完全消除直流偏磁的影响。

2.3 串接电容法 电容具有阻断直流通交流的特性，电容型隔直装置就是利用这一特点设计的。将一组串联的电容器，接入变压器中性点与地网之间，就能有效阻隔直流，这种方案原理简单、效果良好，成为了目前抑制直流偏磁最常用、最可靠的方案。

①传统有源电容隔直装置都并联了一个旁路装置，用于起到及时限制电容器过电压和过电流，保护电容器的目的。传统有源电容型直流偏磁抑制装置受电容器制作水平的限制，电容器性能的好坏与制造成本和体积大小有密切联系，综合考虑，容抗一般在1.2～0.1Ω范围之间。当主变出现不对称短路故障时，主变中性点故障电流可达10kA甚至更高，那么在电容接地情况下，在电容器上产生的电压将大大超过电容器的耐压水平。为了保证电容器的安全运行，增加了由可控硅、二极管原件等组成的过电压、过电流保护回路等旁路模块，隔直电容的投入和退出是通过与电容器并联的转换开关来来实现的。为了更好地实现整套装置的控制，便于运行人员及管理者对设备的监控，配置了繁琐的电流测量和信号控制设备。综合上述原因，有源电容型直流偏磁抑制装置的结构、控制、运行流程均很繁杂，可靠性不高，维护成本偏高，检修维护技术难度较大。传统有源电容隔直装置原理如图2所示。

②一种无源电容隔直装置采用专用隔直电容器，在体积基本不变的情况下，电容器的额定电压1200VDC（耐压1800VDC），电容量增大了10倍以上。为了留有一定裕度，整套隔直装置的电容值达到130000uf以上，容抗小于0.025Ω。当故障电流为10kA时，在电容器组上产生的电压为250V。故障电流20kA时，在电容器组上产生的故障电压为500V，远小于电容器的耐压值1200V。也就是说电容器的容量增加至足够大后，在不采用外部保护回路的情况下，已经完全可以耐受主变中性点最大故障电流的冲击。无源电容隔直装置可以完全摆脱外部保护回路独立运行，取消了旁路回路和控制单元，没有了繁琐的旁路回路和控制单元，可靠性大大增强，可以实现免维护运行。无源电容隔直装置原理如图3所示。

③两种电容隔直装置的比较。

1）传统有源电容型直流偏磁抑制装置受当时电容器制作水平的限制，容抗一般在1.2～0.1Ω范围之间。当主变出现不对称短路故障时，主变中性点故障电流可达10kA甚至更高，那么在电容接地情况下，在电容器上产生的电压将大大超过电容器的耐压水平。为了保证电容器的安全运行，增加了由可控硅、二极管原件等组成的过电压、过电流保护回路等旁路模块，隔直电容的投入和退出是通过与电容器并联的转换开关来实现的；为了更好地实现整套装置的控制，配置了电流测量和信号控制设备。因此，有源电容型直流偏磁抑制装置的结构、控制、运行流程均很繁杂，可靠性不高，维护成本偏高，检修维护技术难度较大。

2）无源电容型直流偏磁抑制装置原理更简单，没有与电容器并联的快速开关，不需要繁杂的保护回路及控制回路，取消的部分均是故障率高，维护成本高，技术难度大的地方，大大降低了日常运维成本。

为了特殊情况下保护点设备安全运行，电容器组两端安装了石墨球间隙放电保护，球隙距大小为1mm左右，放电电压3000～5000V。电容器组两端装设了放电电阻器，以达到消除电容器组直流电压产生的影响。

装置采用超低容抗电容器永久接入方案，隔直电容器组采用9组电容并联，工频阻抗小于0.025Ω，可以完全耐受50kA以上的短路电流冲击。由于系统故障时不需要快速旁路系统来保护电容器组，具有本质安全的可靠性。

通过对上述直流偏磁治理方法的比较，并结合直流偏磁测试的实际结果和运维成本，景德镇电厂两台主变都选用无源电容型隔直装置来治理直流偏磁问题。

3 无源电容隔直装置参数选择

根据GB/T 1904.23-2019《电力变压器第23部分：直流偏磁抑制装置》的规定要求，变压器中性点所装设电容式隔直装置电容在系统额定频率50Hz下，容抗值一般≯1.2Ω。对市场上的隔直装置及电网公司已安装的隔直装置调研发现，电容型隔直装置一般采用33000uF及66000uF两种容值规格，通过计算公式容抗：Xc（Ω）=1/2πfC得知，两种容值对应的容抗分别为0.1Ω和0.05Ω。经咨询调度保护处和设计院，中性点处增加电阻3Ω以下时对中性点接地电流及保护定值等影响较小，可基本忽略。但由于66000uF电容型隔直装置与33000uF装置相比较，容值增加一倍，装置整体价格增加约25%，装置体积约增加20%。电容值越大，整体装置的尺寸和投资费用均会增加，因此综合比较可得，景德镇电厂两台主变选用电容值不低于33000μF的电容式隔直装置。

4 直流偏磁治理效果验证

景德镇电厂完成两台主变隔直装置接入后，于2021年6月19日参与雅中特高压直流工程第三轮直流偏磁测试，此次测试完成了雅中直流江西侧额定入地电流下的直流偏磁测试，入地电流最高为5000A。在5000A入地电流下，景德镇电厂两台主变运行状况良好，对变压器中性点直流电流几乎无任何影响，变压器噪声、振动、绕组温升等各项参数均正常。#1、#2主变通过加装无源电容隔直装置，达到了直流偏磁治理的良好效果。景德镇电厂两台主变直流偏磁治理前、后测试数据分别见表1、表2。

表1 直流偏磁治理前数据

表2 直流偏磁治理后数据

5 总结

雅中特高压直流输电工程投产运行后，中性点直流偏磁问题对周边区域变压器的影响会日益突出，受影响的变压器必须及时进行直流偏磁治理。本文通过对比几种抑制直流偏磁方案的优缺点，景德镇电厂最终采用无源电容隔直装置，该装置在隔离效果、成本、安全性、稳定性等达到了最优效果。通过多次试验测试，在变压器中性点处安装无源电容隔直装置，能有效解决直流偏磁对主变的不利影响，提高了电厂及周边系统的安全可靠性。