楊 猛 胡 諄 吳建洪

（杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江杭州310014）

0 引言

伴隨著我國大規(guī)模交直流混聯(lián)電網(wǎng)的迅速發(fā)展，直流輸電工程在調(diào)試或故障情況下單極大地回線運(yùn)行時(shí)有發(fā)生。直流輸電線路在單極大地回線運(yùn)行方式下，直流電流經(jīng)直流系統(tǒng)接地極流入大地，同時(shí)在接地極附近形成不等電位。

不同發(fā)電廠（變電站）由于相對于接地極地理位置不同，其電位也不一樣，由于電位差的存在，直流電流經(jīng)中性點(diǎn)接地變壓器流入變壓器繞組，從而引起變壓器直流偏磁現(xiàn)象。變壓器在直流偏磁下，直流與交流磁通相疊加，鐵芯飽和程度在與直流偏磁方向一致的半個(gè)周波增加，在另外半個(gè)周波減小，對應(yīng)的勵(lì)磁電流波形呈現(xiàn)正負(fù)半波不對稱形狀。

變壓器直流偏磁的主要危害有變壓器噪聲和振動(dòng)加劇、變壓器無功損耗增加、系統(tǒng)電壓波形畸變、產(chǎn)生大量高次諧波、繼電保護(hù)誤動(dòng)等。

目前，國內(nèi)抑制直流偏磁的方法主要有電容隔直法、小電阻限流法、中性點(diǎn)注入反向電流法、電位補(bǔ)償法。小電阻限流法只能減弱變壓器中性點(diǎn)直流電流且靈活性較差。注入反向電流法直流利用率低且會(huì)對相鄰變壓器造成直流污染，加劇直流偏磁程度，同時(shí)需另建直流接地極，投資較大。電容隔直法采用無源裝置，安全性較高，隔直效率高，對系統(tǒng)繼電保護(hù)影響很小，運(yùn)行維護(hù)方便。綜合比較，本文所述電廠采用電容隔直裝置。

1 電容隔直裝置結(jié)構(gòu)

電容隔直裝置由三個(gè)部分構(gòu)成。

第一部分是戶內(nèi)隔離刀閘，本裝置采用電動(dòng)雙刀切換隔離刀，用于切換隔直裝置的投入與退出。

第二部分是串聯(lián)接入變壓器中性點(diǎn)的隔直裝置本體，包括電容器、整流二極管、晶閘管、限流電感、限流電阻、快速轉(zhuǎn)換開關(guān)等一次設(shè)備及二次控制單元。

第三部分是就地監(jiān)控終端，供運(yùn)維人員監(jiān)測裝置的運(yùn)行狀態(tài)，包括開關(guān)量、模擬量及保護(hù)定值的設(shè)置。

裝置原理接線圖如圖1所示。

2 電容隔直裝置工作原理

2.1 電容隔直裝置運(yùn)行方式

電容隔直裝置通過投入刀閘（GZ12）和接地刀閘（GZ11）的切換實(shí)現(xiàn)投退的靈活轉(zhuǎn)換。GZ11斷開、GZ12閉合為隔直裝置投入運(yùn)行，反之為退出運(yùn)行。為保證變壓器中性點(diǎn)可靠接地，電動(dòng)雙刀切換隔離刀為雙刀互鎖隔離刀，GZ11和GZ12不能同時(shí)處于分?jǐn)酄顟B(tài)。另外，利用與電容器并聯(lián)的轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)直接接地運(yùn)行狀態(tài)和電容接地運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖1 裝置原理圖

運(yùn)行方式接線圖如圖2所示。

圖2 電容隔直裝置運(yùn)行方式

2.2 電容隔直裝置控制策略

隔直裝置有兩種運(yùn)行模式：自動(dòng)運(yùn)行模式和手動(dòng)運(yùn)行模式。

正常運(yùn)行方式下，電容隔直裝置快速轉(zhuǎn)換開關(guān)處于合閘狀態(tài)，隔直電容被短接，變壓器中性點(diǎn)為直接接地運(yùn)行狀態(tài)。通過檢測變壓器中性點(diǎn)直流電流和系統(tǒng)故障情況，按照預(yù)設(shè)策略控制電容隔直裝置轉(zhuǎn)換開關(guān)的分、合閘。

2.2.1 隔直裝置直接接地運(yùn)行狀態(tài)

在直接接地運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)檢測到變壓器中性點(diǎn)直流電流超過設(shè)定限值且時(shí)間達(dá)到時(shí)限時(shí)，在自動(dòng)模式下，裝置自動(dòng)進(jìn)入電容接地運(yùn)行狀態(tài)；在手動(dòng)運(yùn)行模式下，裝置發(fā)出告警信號（直流電流越限告警），等待運(yùn)行人員通過遠(yuǎn)程終端手動(dòng)進(jìn)入電容接地運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.2 隔直裝置電容接地運(yùn)行狀態(tài)

在電容接地運(yùn)行狀態(tài)下，考慮到交流系統(tǒng)故障時(shí)中性點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)過電壓和過電流的情況，為避免電容器被擊穿從而影響繼電保護(hù)無法正確動(dòng)作，有如下3種控制策略：

策略1：交流系統(tǒng)無故障時(shí)，監(jiān)視中性點(diǎn)電容器兩端電壓，當(dāng)直流電壓低于設(shè)定限值并達(dá)到動(dòng)作時(shí)間時(shí)，在自動(dòng)模式下，裝置自動(dòng)進(jìn)入直接接地運(yùn)行狀態(tài)；在手動(dòng)模式下，發(fā)出直接接地安全提示信號，等待運(yùn)行人員手動(dòng)通過遠(yuǎn)程終端操作進(jìn)入直接接地運(yùn)行狀態(tài)。

策略2：交流系統(tǒng)故障時(shí)，監(jiān)視中性點(diǎn)電容器兩端電壓，當(dāng)電壓超過觸發(fā)電壓限值時(shí)，過電壓觸發(fā)元件瞬時(shí)動(dòng)作，快速進(jìn)入直接接地運(yùn)行狀態(tài)。

策略3：交流系統(tǒng)故障時(shí)，監(jiān)視中性點(diǎn)交流電流，當(dāng)電流超過觸發(fā)電流限值時(shí)，過電流觸發(fā)元件瞬時(shí)動(dòng)作，快速進(jìn)入直接接地運(yùn)行狀態(tài)。

策略2、3是針對交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱接地短路故障的情況，二者取“或”。因?yàn)榭焖俎D(zhuǎn)換開關(guān)動(dòng)作時(shí)間比晶閘管導(dǎo)通要慢，所以當(dāng)中性點(diǎn)出現(xiàn)過電壓或過電流時(shí)，晶閘管會(huì)迅速導(dǎo)通對電容器形成旁路，故障電流會(huì)先通過晶閘管流向大地，達(dá)到快速保護(hù)電容器的目的。同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的過電壓或過電流觸發(fā)元件，向快速旁路開關(guān)發(fā)出合閘指令，當(dāng)快速旁路開關(guān)合上后，對電容器形成機(jī)械旁路，故障電流轉(zhuǎn)移到快速旁路開關(guān)，同時(shí)關(guān)斷晶閘管。

另外，若觸發(fā)元件故障或快速轉(zhuǎn)換開關(guān)拒動(dòng)，可通過與電容器并聯(lián)的放電間隙保護(hù)電容器。

3 問題分析及處理

3.1 電抗器和電容器諧振問題

為防止電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)短路電流過大，該電廠采用變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地方式（圖3）。由此，當(dāng)電容器和電抗器參數(shù)選型不匹配時(shí)，可能會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振問題，使電容器和電抗器上出現(xiàn)過電壓，對設(shè)備帶來危害。以下對該電廠變壓器中性點(diǎn)諧振問題進(jìn)行分析。

圖3 變壓器電氣接線方式

電抗器和電容器的工頻阻抗XL和XC計(jì)算公式為：

式中，ωB=2πfB，fB=50 Hz。

由串聯(lián)諧振發(fā)生條件ω2LC=1可得：

經(jīng)查閱資料得知，小電抗工頻阻抗為60 Ω，電容器工頻阻抗為0.1 Ω，可計(jì)算出電抗器和電容器的諧振頻率為：

因諧振頻率遠(yuǎn)小于基波頻率，故按現(xiàn)有設(shè)備參數(shù)不會(huì)發(fā)生基波或諧波諧振問題。

3.2 快速轉(zhuǎn)換開關(guān)控制問題

調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，未設(shè)計(jì)電容隔直裝置直流電流越限告警信號和直接接地安全提示信號至集控室后臺(tái)供運(yùn)行人員監(jiān)視。若運(yùn)行模式為手動(dòng)，運(yùn)行人員無法及時(shí)根據(jù)實(shí)際狀態(tài)手動(dòng)操作轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換電容隔直裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

方案1：設(shè)計(jì)增加電容隔直裝置直流電流越限告警信號和直接接地安全提示信號至集控室后臺(tái)信號回路。

方案2：修改測控裝置內(nèi)部程序控制邏輯，當(dāng)運(yùn)行模式為手動(dòng)時(shí)，經(jīng)延時(shí)自動(dòng)切換至自動(dòng)運(yùn)行模式。

經(jīng)討論，考慮到保證變壓器安全運(yùn)行，減輕運(yùn)行人員的工作量，充分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，決定采用方案2——當(dāng)運(yùn)行模式為手動(dòng)時(shí)，經(jīng)延時(shí)自動(dòng)切換至自動(dòng)運(yùn)行模式。建議直流偏磁投運(yùn)行時(shí)，使用自動(dòng)運(yùn)行模式。

4 結(jié)語

隨著特高壓直流的快速發(fā)展，變壓器直流偏磁問題日益突出。電容隔直法因安全性較高，隔直效率高，對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)影響很小，運(yùn)行維護(hù)方便，從而得到普遍應(yīng)用。熟悉掌握電容隔直裝置的工作原理及調(diào)試過程中需要注意的問題，對現(xiàn)場調(diào)試工作具有指導(dǎo)作用，同時(shí)對保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

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