直流输电地中电流对交流系统的影响.docx

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直流输电地中电流对交流系统的影响

直流输电地中电流对交流系统的影响

及抑制装置的研制

肖冬

（天津市电力公司电力调度通信中心天津300010）

InfluenceofHVDCGroundElectrodeCurrentonACTransmissionSystemanddevelpmentofRestrainingdevice

XIAODong

（TIANJINELECTIRICPOWERCORPORATION）

Abstract:

HVDCpowersystemsoperatinginground-returnmodeproduceDCvoltagesaroundtheelectrodes.DuringMonopolaroperationsoftheHVDCelectrode,DCbiasesofthetransformerscausedbytheDCcurrentthroughneutralpointsmaydamagethetransformersandthewholenetwork.ThenoisesandtheneutralpointDCcurrentsofthemaintransformerswithearthedneutralpointsinYihesubstationandLNpowerplantweremeasuredandrecordedduringthecommissioningoftheHVDCsystemfromThreeGorgespowerstationtoGuangdongpowernetwork.Comparedtoinjectingreversedirectcurrentandinsertinginserieswiththeneutralpointanappropriateresistance,thestrategyofinstallingcapacitorstothemaintransformerneutralpointismoreeffective.AccordingtotheDCcurrentvaluesmeasuredatthetransformerneutralsofapowerstation,thismethodwasstudiedbasedonitscorrespondingmoduleofpowersystemwithgroundgridproposed.Simulationshavebeencarriedoutandsomemaintechnologyparameterswereputforwardaccordingtotheresearchresults.

Keywords:

DCbias;HVDC;transformerneutralpoint

[摘要]直流输电运行在单极大地回线方式或者双极不对称方式时，在接地极附近会产生直流电位。

通过分析三峡－广东直流输电系统调试投运期间的一些实测数据，发现接地极电流通过变压器中性点流过变压器绕组,会产生直流偏磁问题,从而导致变压器噪音增大、损耗增加、温升增高和电网谐波电压增大。

文章研究了3种抑制措施：

反向注入电流法、中性点串电阻法和中性点串电容法。

与反向注入电流法、串电阻法相比，串电容接地的方法更为有效。

针对义和变电站和某电厂主变中性点电流的实测值，通过仿真、试验，研制了一种电容器抑制装置，有效地解决了以上问题。

[关键词]直流偏磁；HVDC；变压器中性点

1引言

随着高压直流输电（HVDC）技术在国内电网愈来愈多地应用，由于其输送容量大、输送距离远、调节迅速、运行灵活，HVDC在远距离大容量输电、区域电力系统互连中起到了十分积极的作用[1-3]，但同时也带来了一些新问题，因此有必要研究交直流并联输电系统中直流系统对交流系统的影响。

当HVDC运行在单极大地回线或者双极不对称运行方式时，接地极附近有直流电位，该电位和HVDC输送的电流大小和的该处的土壤电阻率有关。

HVDC输送的电流越大，土壤的电阻率越高，电位也就越高。

不同位置的接地变压器的中性点之间由于存在着直流电势差，且交流系统的电阻值较小，从而使直流电流通过接地变压器中性点，在交流系统中形成了回路。

如图1所示，当流过接地变压器中性点的电流过大时，变压器会发生直流偏磁[4-7]，进而导致谐波增加、噪声增大、过热等问题，严重时可引起变压器的损坏，并可能引起保护的误动。

它还会引起220kV、500kV交流电网电压总畸变率大幅升高，谐波的大幅升高也会对其他电气设备产生较大影响，这些影响最终将会危及到电网的安全运行。

图1HVDC单极大地运行方式下地电流分布示意图

Fig.1SketchmapofDCnetworkduringmonopolargroundcircuitoperationoftheHVDCelectrode.

2009年6月，云南至广东±800kV直流输电工程,将实现单极投运,单极运行的时间必然较长，若不采取有效措施，直流接地极电流将会对电网的安全运行产生较大影响。

因此，有必要研究限制流入变压器中性点的直流电流的措施，研究工作对于确保电力系统及其他设备的安全稳定运行将起到非常重要的作用。

目前，抑制直流输电单极大地回线运行方式引起的接地变压器直流偏磁的措施有：

反向电流注入法、在变压器中性点串接电阻、在变压器中性点串接电容。

本文根据义和变电站和某电厂（以下称LN发电厂）主变的具体情况，实测了流过主变中性点的电流值，分别对以上三种措施进行了深入的研究，研制出了一种在变压器中性点串接电容的直流电流抑制装置。

2主变中性点直流电流和主变噪声测量

三广直流输电系统双极输送能力3000MW,其极Ⅰ调试于2003年12月开始,双极调试于2004年4月中旬完成[8]。

2004年3月20日,三广直流输电工程进行单极大地回线方式输送功率1500MW试验,在义和变电站1号主变压器、LN发电厂2号主变压器测试了接地变压器中性线直流电流、变压器噪声。

2.1主变压器中性线直流电流及主变压器噪声测量情况

义和变电站、LN发电厂主变压器中性线直流电流及主变压器噪声测量情况见表1。

2.2三广直流输电影响测试的主要结论

直流输电在单极金属回线方式或双极对称方式运行输送功率的情况下，对变电站接地变压器的中性线直流电流影响非常小；在单极大地回线方式或双极不对称方式输送功率的情况下，对变电站接地变压器的中性线直流电流、主变压器噪声影响最大。

根据现场实测，当三广直流输电线路以单极大地回线方式输送功率为600MW，天广直流输电线路为双极平衡运行时，义和变电站主变中性点直流电流为14.3A，LN发电厂主变中性点直流电流为12.8A；当三广直流输电线路以单极大地回线方式输送功率增为1500MW，天广直流输电线路双极不平衡（极Ⅰ为750MW,极Ⅱ为150MW）运行时，义和变电站主变中性点直流电流增至21.6A，LN发电厂主变中性点直流电流也曾至16.0A。

义和变电站若不采取两台主变同时接地运行的措施，单台主变压器中性点直流电流估计会达到35A以上，这对主变压器的安全运行是极其不利的。

表1义和变电站、LN发电厂主变压器中性点直流电流及主变噪声测试情况

Tab.1Themeasurementofthemaintransformersneutralpointdirectcurrentsandnoises

三广直流线路输送功率（MW）

天广直流

线路极Ⅰ（极Ⅱ）输送功率（MW）

主变中性点

直流电流（A）

主变噪声

（dB）

义和

变电站

LN

发电厂

义和

变电站

LN

发电厂

600单极大地回线

450（450）

14.3

12.8

90.6

90.2

600单极大地回线

600（300）

16.0

7.2

91.8

87.6

750单极金属回线

450（450）

0.2

-0.2

80.0

83.6

750单极大地回线

600（300）

19.5

7.8

93.7

87.4

900单极大地回线

750（150）

13.5

3.5

91.2

83.6

1250单极大地回线

750（150）

18.05

10.9

93.5

86.5

1500单极大地回线

750（150）

21.6

16.0

94.8

87.2

1500单极金属回线

750（150）

2.8

12.0

88.7

85.9

3抑制接地变压器中性点直流电流的三种措施比较

3.1反向注入电流法

这种方法是在变压器中性点串入一个直流电压源，根据所检测到的直流电流值，动态调整该电压源设置，实时提供反向的直流电流。

目前国内已有反向注入电流装置应用在武南变电所的主变上[9]，装置组件及原理接线见图2。

图2反向注入电流装置原理图

Fig.2Sketchmapofinjectingreversedirectcurrentdevice

这种装置的优点在于使用灵活，针对不同的中性点流入的直流电流值，可以动态地选择注入不同的反向电流，具有一定的灵活性。

缺点是：

a、并不能完全抵消直流从中性点流入；b、工程量比较大，必须在变电站外建造独立接地极；c、维护费用高等。

3.2串接电阻法

这种方案[10-12]十分简单明确：

在中性点和地网之间串入一个电阻，可以使得中性点流入的直流电流明显减小，达到工程上可以接受的程度。

图3中性点串入小电阻方案原理图

Fig.3Sketchmapofinsertinginserieswiththeneutralpointanappropriateresistance

串电阻方法的优点：

原理简单，较为经济。

缺点：

a、这种方案的缺点是无法完全抵消直流从中性点流入；

b、计算在一个电网内不同接地变压器所串接的电阻阻值十分繁琐，而且未必能计算十分精确，因为包括地质条件、土壤含水量、矿物含量、地埋金属等诸多影响因素不可能全部计算进去。

而且对于有些变压器，所需电阻值可能非常大，不能保证变压器中性点有效接地；

c、中性点串入电阻对系统零序参数产生了影响，进而也会影响到继电保护的整定；

d、当系统发生故障时，还会导致变压器中性点过电压等一系列问题。

e、每当电网结构变化时（比如在网络中增加或减少一台接地变压器），接地电阻阻值需要重新计算，串接电阻需要更换。

3.3串接电容法

这种方案是在中性点和地网之间串入电容器，由于电容有隔直通交的作用，主变中性点装设电容后，可以有效地消除流过变压器中性点的直流电流，而且不影响交流电流流过中性点。

在一些非正常的情况下，比如交流故障、雷击等，主变中性点会流过很大的电流，并产生幅值很高的暂态电压，这样有可能会损坏电容器，我们在电容器两端并联一个电流旁路装置，当电容器两端电压超过规定值后，电流通过电流旁路保护装置流过，从而将电容旁路，限制了中性点电容器的暂态电压幅值，这样则不需要安装容量很大的电容器来承受故障电流，节省了安装空间，缩减了成本，确保了变压器安全可靠地运行。

在故障清除后，电

图4中性点串入电容器方案示意图

Fig.4Sketchmapofinsertinginserieswiththeneutralpointacapacitor

流旁路保护装置自动返回到动作前状态，电容器重新投入中性点接地运行。

这个电流旁路装置可以由放电间隙或大功率开关管组成。

目前，国内外有许多学者在研究此种方案[13-17]。

4电容器隔直装置的设计

我们设计了如图5所示的电容器隔直装置。

在交直流系统正常运行工况下，电容器两端的电压值和流过它的电流在允许范围之内，电流旁路保护装置是不动作的。

一旦出现故障情况，电容器两端的电压值和流过它的电流值超过预先设定的门槛值时，旁路保护装置会马上动作，故障电流会通过旁路流向大地，从而保护电容器不会损坏。

装置动作的同时，内部计时器开始计时，计时结束时检测故障电流是否已经减小到一定值，是则关断开关管，电容器重新投入；反之继续等待，直至故障电流减小到一定值。

图5电容器隔直装置原理图

Fig.5Diagramofcapacitorblockingdevice

为了防止装置的拒动，我们设定两个电压触发和一个电流触发回路，任何一种方式都可以触发IGCT。

IGCT的主触发电压是600V，后备触发电压是700V（可以根据需要整定），这两个触发回路是完全独立的，当主触发回路失灵时，后备触发电路才会起作用。

50Hz交流电流触发值为100A。

对于最严重的50Hz故障情况，为了避免由于电容器的暂态过流引起的误触发，设定瞬时电流触发值为1000A。

为了不影响相关继电保护装置的正确动作，并且避免因电容容抗值过大而在变压器中性点产生过电压，主电容C1的容值我们取3000μF，500μH空芯电抗器L1在电容放电时起到缓冲作用。

快恢复二级管D5和0.1Ω放电电阻R1在IGCT关断后起到续流作用，避免由电抗器在关断时刻产生高压而再次导通IGCT。

IGCT驱动器、电流互感器、电压互感器和其他部分见图6。

图6电容器隔直装置控制部分示意图

Fig.6SketchmapofIGCTdriver,currentsensor,voltagesensorandotherelements

IGCT触发开通和关断的流程图如图7、图8。

图7电容器隔直装置IGCT触发开通流程图

Fig.7Flowprocesschartoftriggercontrol

图8电容器隔直装置IGCT关断流程图

Fig.8FlowprocesschartofturningofftheIGCT

5仿真和试验结果

整个装置的在动模实验室试验结果如图9所示（由于篇幅原因，只给出了参数为200A，0.5s；2000A冲击电流，0.5s；200A，1s的故障电流），波形a～波形f分别为故障电流、流过整流桥的电流、主电容两端电压、流过IGCT电流、电抗器电压和IGCT两端电压。

故障电流在1s时刻由200A的稳态电流突变为2000A的冲击电流，在主电容电压达到600v时，IGCT立即导通，与此同时，IGCT两端的电压也降为0。

2s时刻，IGCT开通延时结束，由于故障电流在1.5s时刻恢复为200A的稳态电流，IGCT关断，主电容又投入到中性点，整个旁路装置均复位，等待下一次触发导通。

快恢复二级管在这里起到非常关键的作用，仿真发现，若没有快恢复二极管，在关断IGCT的瞬间，将会在电抗器两端产生超过10000V的高压，肯定会导致装置的损坏。

图9故障电流下的隔直装置各元件波形示意图

Fig.9Curvesoftheresultsatafaultcurrent

6结论

直流输电运行在单极大地回线方式或者双极不对称方式时，直流系统会对交流系统产生一些不利影响，尤其是对在直流输电接地极附近的中性点直接接地变压器。

部分直流电流会通过变压器中性点流入交流系统，变压器会发生直流偏磁，进而导致谐波增加、噪声增大、过热等问题，严重时会引起变压器的损坏。

与反向注入电流法、串电阻法相比，串电容接地的方法更为有效。

通过仿真、试验，研制了一种电容器抑制装置，有效地解决了以上问题。

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