文衛(wèi)兵 拾 揚(yáng)

（國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京102209）

0 引言

近年來(lái)，伴隨著我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展與高壓直流輸電技術(shù)的進(jìn)步，高壓直流輸電工程不斷增加，為區(qū)域電網(wǎng)之間的互聯(lián)互通和電力能源的遠(yuǎn)距離輸送提供了有效支撐，使電網(wǎng)對(duì)電力的輸送能力大大提升，為我國(guó)的電力安全與社會(huì)發(fā)展提供了保障；另一方面，高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用也引發(fā)了一些問(wèn)題，如變壓器直流偏磁［1］。

本文針對(duì)接地極單極大地回線運(yùn)行方式所引起的變壓器直流偏磁問(wèn)題，分析其對(duì)變壓器正常運(yùn)行的不利影響，研究接地極各方面與直流偏磁的關(guān)系，提出接地極與變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 直流偏磁效應(yīng)的負(fù)面作用

對(duì)于高壓直流輸電，通常在工程上采用雙極直流輸電系統(tǒng)，若其中一極因檢修停止正常運(yùn)行或突然發(fā)生故障，系統(tǒng)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換為單極方式運(yùn)行［2］。而在高壓直流輸電系統(tǒng)采用單極大地回線方式運(yùn)行的過(guò)程中，輸電線路與接地極、大地構(gòu)成回路，由于輸電線上會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的直流電，電流流經(jīng)大地，使得接地點(diǎn)附近的大地電位發(fā)生變化，如果其附近存在電力交流系統(tǒng)，則會(huì)受到較大影響，使變壓器運(yùn)行異常，產(chǎn)生直流偏磁問(wèn)題［3－4］。

如果直流電流入變壓器繞組，尤其是流入的電流值大于變壓器所能承受的限值時(shí)，會(huì)影響變壓器的正常運(yùn)行，甚至損害設(shè)備。具體表現(xiàn)為如下4點(diǎn)：（1）變壓器鐵耗、銅耗增加。變壓器繞組流入的直流電，會(huì)大大增加變壓器內(nèi)部的勵(lì)磁電流，進(jìn)而惡化變壓器的漏磁問(wèn)題。漏磁問(wèn)題會(huì)影響變壓器的其他組件，包括油箱、夾件等，并在其中產(chǎn)生鐵耗與銅耗。（2）變壓器運(yùn)行溫度升高，發(fā)生過(guò)熱。直流電由大地經(jīng)中性接地點(diǎn)流入變壓器繞組，變壓器繞組的勵(lì)磁電流直線上升，將使設(shè)備內(nèi)部的其他組件產(chǎn)生渦流，設(shè)備整體溫度上升，如果這一狀態(tài)持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使設(shè)備過(guò)熱。（3）變壓器噪聲變大。直流電由大地經(jīng)中性接地點(diǎn)流入變壓器繞組，將使變壓器磁通飽和且包含諧波分量，變壓器運(yùn)行磁致伸縮，進(jìn)而誘發(fā)噪聲。（4）變壓器振動(dòng)增大。直流電由大地經(jīng)中性接地點(diǎn)流入變壓器繞組，會(huì)加劇鐵芯的伸縮現(xiàn)象，使變壓器振動(dòng)問(wèn)題變得嚴(yán)重。

2 接地極對(duì)直流偏磁的影響

對(duì)于高壓直流輸電系統(tǒng)而言，進(jìn)入接地極中的直流電流通常會(huì)受到接地極所處環(huán)境以及換流站與接地點(diǎn)距離的影響，下文將圍繞上述幾個(gè)方面展開(kāi)分析。

2.1 接地極入地電流與變壓器直流偏磁的關(guān)系

當(dāng)直流輸電系統(tǒng)處于單極大地回線運(yùn)行方式時(shí)，輸電線會(huì)有幾百甚至上千安培的電流通過(guò)接地極注入大地。由于中性點(diǎn)與接地網(wǎng)之間會(huì)構(gòu)成直流通路，在電位差的作用下，會(huì)有直流電流入變壓器。

假設(shè)有兩座變電站——M與N，這兩座變電站的電勢(shì)分別為VM和VN。M和N的中性點(diǎn)直接與大地相連，兩座變電站有線路連接。則通過(guò)中性點(diǎn)進(jìn)入變壓器的直流電流由下式可得：

式中，RTN、RTM分別為兩變電站主變的直流電阻；RN、RM分別為兩變電站的接地電阻；RZ為兩變電站之間線路的電阻。

由上式可知，入地電流越大，變壓器直流偏磁越嚴(yán)重。

2.2 接地極所處環(huán)境與變壓器直流偏磁的關(guān)系

在雙極直流輸電系統(tǒng)中，一極檢修或故障會(huì)引發(fā)中性點(diǎn)接地變壓器的直流偏磁效應(yīng)，流入變壓器的電流大小主要受大地電位差的影響。

對(duì)于接地極附近的區(qū)域來(lái)說(shuō)，大地土壤的導(dǎo)電特性差異大，周邊的地理環(huán)境、地形情況也十分復(fù)雜。地表電位的大小與附近土壤電阻率有著正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)與流入變壓器中性點(diǎn)的直流電流也呈正相關(guān)的特性。

另一方面，接地極深度對(duì)直流偏磁也會(huì)產(chǎn)生影響。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，為了使入地電流在地表產(chǎn)生的電位和電位梯度保持在相對(duì)較低的范圍內(nèi)，常采用垂直于大地的深層接地極，將電流直接泄放入地層深處。接地極埋得距離地表越遠(yuǎn)，其附近的地表電位下降得越明顯，從而能有效抑制直流偏磁效應(yīng)。

2.3 接地點(diǎn)距離與變壓器直流偏磁的關(guān)系

如果接地極附近環(huán)境相同，勵(lì)磁電流的波形還會(huì)受到接地點(diǎn)距離的影響。接地點(diǎn)與電流源越近，變壓器的直流偏磁問(wèn)題就越大，且變壓器勵(lì)磁電流波形畸變也會(huì)加劇。反之，偏磁現(xiàn)象就會(huì)減弱。當(dāng)直流接地極和變壓器中性點(diǎn)的距離超過(guò)60 k m時(shí)，勵(lì)磁電流畸變可以忽略。

3 直流偏磁抑制

伴隨著高壓直流輸電工程的發(fā)展，直流偏磁問(wèn)題逐漸引起了電力從業(yè)者的重視，針對(duì)接地極所引發(fā)的變壓器直流偏磁問(wèn)題，學(xué)者們從不同方面開(kāi)展了研究，并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3.1 變壓器制造設(shè)計(jì)

從變壓器自身考慮，提升變壓器中性點(diǎn)所能通過(guò)的電流最大值是解決直流偏磁問(wèn)題的根本之道。這一參數(shù)受到變壓器運(yùn)行噪聲、溫升等指標(biāo)的限制。進(jìn)一步分析，直流偏磁的影響與變壓器鐵芯各向異性、磁滯損耗等因素密切相關(guān)，它是一個(gè)非線性的三維瞬態(tài)模型，需從變壓器尺寸、結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、加工等多方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 接地極與變壓器選址

直流輸電系統(tǒng)的單極大地回線運(yùn)行方式會(huì)對(duì)地注入大電流，使接地極附近變壓器接地端電位發(fā)生變化，其變化大小與接地極附近土壤結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因而，當(dāng)我們分析直流輸電系統(tǒng)接地極對(duì)變壓器的直流偏磁影響時(shí)，必須以實(shí)際環(huán)境為基礎(chǔ)，通過(guò)土壤建模，計(jì)算土壤地表電位分布，進(jìn)而評(píng)估變壓器偏磁大小，通過(guò)合適的接地極選址，降低直流輸電工程中接地極對(duì)變壓器直流偏磁問(wèn)題的影響。

定性分析來(lái)看，當(dāng)接地極附近土壤電阻率較低時(shí)，接地極對(duì)變壓器直流偏磁的影響降低；同時(shí)，加大接地極埋深或增加變壓器接地點(diǎn)與接地極距離也可以降低對(duì)變壓器直流偏磁的影響。

3.3 變壓器接地設(shè)計(jì)

從變壓器自身的接地設(shè)計(jì)出發(fā)，可從以下3個(gè)方面改進(jìn)優(yōu)化，從而降低接地極對(duì)變壓器的直流偏磁影響：（1）在變壓器中性點(diǎn)接地端加裝電容；（2）向變壓器中性點(diǎn)注入反向電流；（3）在變壓器中性點(diǎn)加裝電阻。以上3種方法分別具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)：（1）在變壓器接地點(diǎn)加裝電容，使變壓器對(duì)大地的直流電流相當(dāng)于斷路，能夠有效阻擋直流電流向變壓器的流入，但加裝電容會(huì)影響附近其他變壓器設(shè)備，使其直流偏磁問(wèn)題加重；（2）向變壓器中性點(diǎn)注入反向電流需要借助直流發(fā)生裝置，而這一措施目前多用于流入電流較大的運(yùn)行環(huán)境，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜且成本較高；（3）在變壓器中性點(diǎn)加裝電阻這一方法實(shí)施起來(lái)簡(jiǎn)單方便、造價(jià)便宜，能夠有效阻擋直流電流的流入，抑制變壓器直流偏磁問(wèn)題，但如何根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)接地端電阻參數(shù)、分析加裝電阻對(duì)附近電力設(shè)備的影響等問(wèn)題仍無(wú)明確的方法，有待各方面的進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行于單極大地回線方式時(shí)，電力系統(tǒng)將大地作為輸電回路的一部分，通過(guò)接地極向大地注入較大電流，這一電流將引起接地極附近土壤地表電位變化，如果附近存在變壓器設(shè)備，部分電流會(huì)通過(guò)變壓器的接地端流入變壓器繞組，影響變壓器運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)一步引發(fā)直流偏磁問(wèn)題。綜合來(lái)看，接地極入地電流越大，對(duì)直流偏磁的影響越大；接地極所處環(huán)境中周圍土壤電阻率越大、接地極埋深越淺，變壓器的直流偏磁問(wèn)題就越嚴(yán)重；接地點(diǎn)的距離也會(huì)影響直流偏磁，接地極與變壓器距離越近，變壓器受影響越大。針對(duì)接地極所引發(fā)的變壓器直流偏磁問(wèn)題，其解決需從變壓器制造設(shè)計(jì)、接地極與變壓器選址設(shè)計(jì)以及變壓器接地設(shè)計(jì)3個(gè)方面展開(kāi)。

［1］王彪，王渝紅，丁理杰，等.高壓直流輸電接地電極及相關(guān)問(wèn)題綜述［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012（1）：66－72.

［2］顧承昱，司文榮，鄭旭，等.并聯(lián)直流接地極抑制上海區(qū)域直流偏磁的方法研究［J］.高壓電器，2012（4）：65－74.

［3］黃道春，魏遠(yuǎn)航，鐘連宏，等.我國(guó)發(fā)展特高壓直流輸電中一些問(wèn)題的探討［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007（8）：6－12.

［4］何文林，孫翔，鄒國(guó)平，等.直流偏磁對(duì)中性點(diǎn)接地變壓器衍生影響的檢測(cè)分析［J］.浙江電力，2014（10）：1－5.