朱岸明，王 森，胡攀峰，劉 超，丁 彬

（1.西北電網(wǎng)有限公司，西安710048；2.陜西電力科學研究院，西安 710054；3.寶雞供電局，陜西寶雞721004）

0 引言

隨著西北地區(qū)750 kV系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)及國家電網(wǎng)大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的進展，西北地區(qū)已初步實現(xiàn)750 kV電網(wǎng)覆蓋，實現(xiàn)與華中電網(wǎng)通過±500 kV德寶直流工程連接，實現(xiàn)了水火互濟的模式。

德寶直流工程設(shè)計電壓為±500 kV，輸送容量3 000 MW，單極運行電流3 000 A。當?shù)聦氈绷鲉螛O大地回路運行，輸送容量為1 500 MW時，流入直流接地極的電流為3 000 A。巨大的入地電流會造成接地極周圍變電站接地網(wǎng)地電位的變化，若2個變電站接地網(wǎng)之間存在電位差，電流將有一部分流經(jīng)變壓器中性點、變壓器繞組及輸電線路。在中性點接地變壓器上流過的直流分量，引起變壓器直流偏磁，使一些變壓器出現(xiàn)磁飽和，造成變壓器振動加劇、噪聲增大、過熱。750 kV寶雞交流變與德寶直流寶雞換流站同址建設(shè)，本文就德寶直流對750 kV寶雞變主變壓器的運行影響進行計算和實測分析研究。

1 地中直流對交流變壓器的影響

直流輸電在雙極兩端接地運行的情況下，一般僅有不到1%額定電流的不平衡電流流過接地極，不會對環(huán)境產(chǎn)生影響。當直流輸電工程單回大地回路運行時（一極投運時，或者雙極運行一極檢修或因故障退出運行時），會有較大的直流電流流過接地極，此時會在大地上形成恒定的直流電流場，產(chǎn)生地表電位差，在交流網(wǎng)絡(luò)中變壓器繞組、架空線和大地形成的回路中產(chǎn)生直流電流。直流電流流入運行中的變壓器，產(chǎn)生的直流磁通與交流磁通相疊加，會導致鐵心半波飽和[1-5]，即直流偏磁。這時，變壓器的電流中含有大量諧波分量，造成變壓器本體的有功和無功損耗增加，振動加劇，噪聲增大，嚴重時引起變壓器內(nèi)鐵心綁帶松脫、絕緣夾件脫落、油中產(chǎn)生乙炔，導致變壓器損壞。如廣核集團嶺澳核電廠500 kV主變壓器中性點直流電流為15 A，為額定電流的1.2%，造成變壓器的損壞事故；另外廣東電網(wǎng)中某220 kV變壓器中性點直流電流達到37.5 A，造成變壓器振動、噪聲增大，電網(wǎng)諧波超標，影響電能質(zhì)量和變壓器的安全運行。對變壓器共性影響主要有以下幾個方面[6-7]。

1）噪聲、振動增大。由于變壓器磁致伸縮的原因，當變壓器發(fā)生直流偏磁時，變壓器繞組流過相同的交流電流，鐵心伸縮、振動幅度將加大，從而導致變壓器的噪聲增大。同時，由于磁致伸縮產(chǎn)生的振動是非正弦的，其噪聲頻率包含多種諧波分量，當某一分量與變壓器構(gòu)件發(fā)生共振時，噪聲將更大，有可能導致變壓器內(nèi)部零件松動,絕緣受損。

2）電壓波形畸變。由于變壓器鐵心發(fā)生直流偏磁，嚴重時，鐵心可能工作在飽和區(qū)，從而使變壓器漏磁通增加，電壓波形發(fā)生畸變。

3）銅耗、鐵耗增加。由于鐵心發(fā)生直流偏磁致使漏磁通增加，在鐵心、構(gòu)件中會產(chǎn)生渦流，使鐵耗增加；同時，由于直流偏磁，使變壓器勵磁電流增大，變壓器的銅耗也隨之增大。由于銅耗、鐵耗的增加，造成鐵心、繞組等發(fā)熱嚴重，損壞變壓器絕緣和部件使用壽命。

4）對繼電保護的影響。直流系統(tǒng)不對稱運行時，零序電壓增大和電流量突變,導致母差失靈復(fù)合電壓動作，線路保護起動。

對于三相分體式變壓器,如寶雞站750 kV變壓器，無論何種結(jié)構(gòu)，其零序磁通所走的磁路與主磁通的磁路相同。由于技術(shù)的進步，這種變壓器的勵磁電流很小，較小的直流電流流過變壓器繞組產(chǎn)生的直流偏磁與空載磁通幅值相當，直流電流對這種變壓器的影響較大。

2 德寶直流對750 kV寶雞變變壓器的影響

今后幾年西北電網(wǎng)運行方式將發(fā)生較大變化，750 kV主網(wǎng)架形成后，330 kV將解環(huán)分片運行，引起電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，由此有必要跟蹤電網(wǎng)網(wǎng)架的變化情況，對變壓器中性點直流電流變化情況進行分析計算，測試。

2.1 750 kV寶雞變電站變壓器中性點直流電流計算

直流工程中，直流接地極的作用是單極-大地方式運行時作為直流工作電流的返回通道。如德寶直流工程直流接地極的設(shè)計額定電流為3 kA，即運行中接地極將可能注入3 kA直流電流，必將會影響接地極極址周邊中性點接地變壓器的正常工作。

當直流接地極電流引起的電位升高時，若2個變電站之間存在電位差，則直流電流從一個變電站的變壓器中性點流入交流系統(tǒng)，從另一個變電站的中性點流出系統(tǒng)。流入中性點接地變壓器的直流電流計算方法如圖1所示。

圖1 流入中性點接地變壓器的直流電流計算圖

圖1中，設(shè)變壓器1和變壓器2所處位置的電位升分別為V1和V2，2個變壓器中性點接地電阻分別為R1和R2，每相導線直流電阻為RL，2個變壓器每相繞組直流電阻分別為RT1和RT2，則流過變壓器各繞組中的直流電流如式（1）所示。

式中，IZ為流過變壓器中性點的直流電流。根據(jù)各點地電位升既系統(tǒng)的直流等值網(wǎng)絡(luò)，即可計算得出流過各接地點變壓器的直流電流。

交流系統(tǒng)中，除了變壓器外，高壓并聯(lián)電抗器繞組也連接于高壓導線與地之間。在交流系統(tǒng)直流等值網(wǎng)絡(luò)中，高壓電抗器與變壓器電路關(guān)系為并聯(lián)。對于750 kV線路，高壓電抗器中性點通常安裝有中性點小電抗。高壓并聯(lián)電抗器、中性點小電抗直流電阻比變壓器繞組直流電阻大得多，可忽略高壓電抗器的影響。

根據(jù)西北電網(wǎng)、寶雞地區(qū)電網(wǎng)運行方式，計算變壓器中性點直流電流時交流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

西北電網(wǎng)運行中，750 kV、330 kV變壓中性點均接地。寶雞地區(qū)110 kV賈村變、虢鎮(zhèn)變、五丈塬變、雞冠巖水電站、堡子梁水電站、胥水河水電站變壓器中性點接地，其余110 kV變電站變壓器中性點不接地。

圖2 交流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

寶雞換流站接地極極址處表層土壤電阻率為53.7 Ω·m。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合寶雞地區(qū)地質(zhì)情況，建立寶雞地區(qū)土壤分層模型。共分4層，表層厚度為30 m，電阻率為53.7 Ω·m；第二層厚度為10 000 m，電阻率為5 000 Ω·m；第三層厚度為50 000 Ω·m，電阻率為100 000 Ω·m；底層土壤電阻率為100 Ω·m。當直流系統(tǒng)單極大地回流方式運行，輸送負荷1500MW時，變壓器中性點直流電流計算結(jié)果如表1所示。

表1 變壓器中性點直流電流計算結(jié)果

2.2 750 kV寶雞變電站變壓器中性點直流電流測試

±500 kV德寶直流工程是華中—西北直流聯(lián)網(wǎng)工程，單極輸送容量1 500 MW。在2010年3月23至24日，德寶直流極Ⅱ投運調(diào)試中的單極大負荷運行時，測試了750 kV寶雞變、330 kV雍城變、330 kV硤石變、110 kV賈村變4個變電站變壓器中性點的直流電流。測試儀器采用試制的直流鉗型電流表，準確度為0.5級（DL/T 437-1991 4.3.4條規(guī)定：根據(jù)調(diào)試現(xiàn)場具體情況，各種直流電流測量儀器和儀表，例如直流互感器、直流鉗形電流表、直流分流器和霍爾元件直流測量儀等均可采用；4.3.5條規(guī)定：直流電流測量儀表的準確度要求為0.5～1.0級）?，F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 德寶直流極Ⅱ單極大地回路運行時變壓器中性點直流電流測試結(jié)果

從表2中測試數(shù)據(jù)可以看出，測試變電站中變壓器中性點直流電流均不大。在單極滿負荷情況下，750 kV寶雞變變壓器中性點直流電流為3.87 A，約為寶雞變750 kV變壓器額定電流1 585 A的0.24%，滿足《高壓直流接地極技術(shù)導則》（DL/T 437-1991）規(guī)定的通過變壓器繞組中的直流電流應(yīng)不大于額定電流的0.7%（約11.10 A）的要求。

《高壓直流接地極技術(shù)導則》（DL/T437-1991）只是給出了參考值，變壓器對直流電流的耐受能力需要得到制造商的確認。

2.3 計算與實測結(jié)果分析

由以上計算和實測結(jié)果可知，750 kV寶雞變和330 kV硤石變的計算結(jié)果和實測數(shù)據(jù)吻合較好，而330 kV雍城變和110 kV賈村變的計算和實測結(jié)果存在一定的差異，但整個變電站變壓器中性點直流電流的大小趨勢是對應(yīng)的。

計算結(jié)果和測試結(jié)果不可能完全吻合，因為建立的模型對計算結(jié)果存在很大的影響。計算直流電流在整個交流電網(wǎng)中的分布存在一個矛盾，一方面希望知道電流的精確分布，電流分布是受大地土壤影響的；另一方面為交流系統(tǒng)所跨越尺度下的大地土壤建立一個確定的模型，幾乎不可能也沒有必要，因為在整個交流電網(wǎng)覆蓋的大尺度下，精確考慮接地極極址處的土壤模型對地表電位和直流電流分布的計算沒有很大的意義，極址處的土壤模型和整個交流電網(wǎng)跨越的土壤相比之下，顯得太小。仿真結(jié)果表明陸地雙層土壤模型電阻率的變化，會改變各個站電位的大小，但是整個電流分布的趨勢不變。

3 西北電網(wǎng)變壓器運行狀況的分析重點

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果及西北電網(wǎng)近幾年的發(fā)展變化情況，今后應(yīng)開展以下工作。

1）對西北電網(wǎng)中變壓器中性點直流電流進行測試、計算研究。直流輸電單極大地回路運行時，附近交流系統(tǒng)中變壓器中性點電流與接地極的位置、流過接地極電流、交流系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均有關(guān)系。相關(guān)研究表明，在距接地極100 km以內(nèi)的變壓器均會受到影響，一般規(guī)律是離接地極近的變壓器受影響較大。由于交流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也會出現(xiàn)離接地極較遠的變壓器受影響嚴重的情況。

2）變壓器承受中性點直流電流能力評估研究。研究表明，變壓器承受直流偏置的能力與變壓器本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于三相三柱式結(jié)構(gòu)的變壓器，直流電流對變壓器磁路而言相當于零序電流，產(chǎn)生的磁通需經(jīng)過磁阻較大的氣隙（或油）閉合，允許的直流電流較大。由單相變壓器Y連接組成的變壓器組，3個鐵芯對直流磁通形成閉合的低磁阻通道，直流電流影響最突出，允許的直流電流最小。

一般來說，變壓器對直流電流的承受能力取決于變壓器的設(shè)計。通常變壓器允許直流電流的數(shù)值可以從鐵芯、繞組、結(jié)構(gòu)件局部過熱、諧波、噪聲、震動影響限制來確定，這就需要與制造商配合進行評估研究。

4 結(jié)論

目前西北電網(wǎng)直流輸電工程不斷增多，但相對國內(nèi)其他區(qū)域，電網(wǎng)的直流工程相對較少，因此變壓器受直流電流偏磁影響問題并不突出，但是隨著西北電網(wǎng)直流輸電規(guī)模的擴大，就會帶來相應(yīng)的問題。由于寶雞750 kV交流變電站與寶雞換流站的合建，直流電流偏磁影響程度不很明確，因此進行了計算和測試研究，為今后西北電網(wǎng)的直流輸電對交流變電站變壓器的影響提供數(shù)據(jù)，奠定基礎(chǔ)。通過計算和測試研究，可得到如下結(jié)論：

1）在單極滿負荷情況下，750 kV寶雞變變壓器中性點直流電流為3.87 A，約為寶雞變750 kV變壓器額定電流1 585 A的0.24%，滿足《高壓直流接地極技術(shù)導則》（DL/T 437-1991）規(guī)定的通過變壓器繞組中的直流電流應(yīng)不大于額定電流的0.7%（約11.10 A）的要求；

2）處于寶雞換流站周圍100 km內(nèi)的330 kV變電站和110 kV變電站內(nèi)的變壓器，受直流輸電引起的中性點直流電流都很小，不會對變壓器的運行造成影響；

3）計算結(jié)果和測試結(jié)果不可能完全吻合，因為建立的模型對計算結(jié)果存在很大的影響，但整個變電站變壓器中性點直流電流的大小趨勢是對應(yīng)的；

4）近幾年西北電網(wǎng)運行方式將發(fā)生較大變化，750 kV主網(wǎng)架形成后，330 kV將解環(huán)分片運行，引起電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，由此有必要跟蹤電網(wǎng)網(wǎng)架的變化情況，對變壓器中性點直流電流變化情況進行分析計算，測試。

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