摘要：1000kV特高压变压器作为特高压输电网络的关键设备，其安全运行是整个特高压电网安全稳定运行的前提。随着我国特高压电网的逐步建设，其在整个电力系统中的重要性日益增强。随着我国交直流特高压电网的不断建设和运行，直流偏置现象日益严重，本文就特高压直流输电引起的直流偏磁现象进行了探讨。
关键词：特高压；直流输电；直流偏磁
特高压直流输电具有大容量、远距离、低损耗的优势，在我国电力系统中的应用越来越多。直流系统在调试、检修或发生故障时，会出现单极－大地回路的运行方式，直流接地极中将产生巨大的直流入地电流，在接地极周边形成直流电场，使得附近的变电站主变中性点接地系统中有直流电流通过，引起直流偏磁。直流偏磁会导致主变出现噪声增大、振动加剧、局部过热等现象，降低主变效率，缩短主变寿命;主变在饱和区域工作将产生大量谐波，造成交流电网的谐波畸变增大，受影响变电站低压侧可能因谐波放大导致谐波过流，从而造成电容器鼓肚、爆炸等事故。
1直流工程概况
1.1交流输电系统中的直流分布
接地极直流电流入地后，在大地和交流电网中形成一个巨大的直流分布系统，包括地下电流场和地上电阻网络两个部分。地下电流场电位分布与大地土壤电阻率、直流接地极入地电流大小及方向有关;地上电阻网络由电厂及变电站接地电阻、变压器直流电阻和输电线路直流电阻构成。接地极直流电流入地后，通过土壤的传递，在电厂升压变高压侧、220kV及以上变电站主变高－中压侧、部分110kV变电站主变高压侧、交流输电线路(含串联电容补偿的除外)等支路中存在直流电流通路。
1.2变电站接地网模型
接地网是变电站安全运行的重要保障，接地电阻的大小是衡量变电站接地网性能的主要指标之一。当有大电流入地时，接地电阻的大小直接决定了接地网电位的高低。在实际电力系统中，生产运行部门对降低接地网接地电阻、接触电压及跨步电压的要求越来越高。
2变压器直流偏磁场路耦合模型
2.1场路耦合原理
场路耦合法分为直接耦合和间接耦合两种方式。基本原理是通过电压实现场路耦合，将磁场方程与电路方程联合计算.将各节点磁矢量和励磁电流按照谐波分量分别计算，然后再整体迭代求解。进行变压器直流偏磁计算时，需综合考虑其内部电磁耦合特性和铁芯硅钢片的非线性问题，以磁路为基础，建立变压器的场路耦合模型，并将非线性场路有限元法与时域龙格库塔法相结合，求解迭代耦合，有效降低求解难度，提高计算效率。采用L1～L6表示主体变压器的6个绕组，建立特高压变压器主体变压器各绕组连接电路图，根据特高压变压器主体变压器的铁芯型式、线圈排布方式，建立特高压变压器主体变压器的磁场模型。
2.2场路耦合计算模型
基于场路耦合法，根据变压器的实际参数、尺寸.建立1000MVA／1000kV特高压主体变压器直流偏磁三维计算模型。特高压变压器电压高、容量大，结构件尺寸差异大，根据其结构对称性，取其1／2建立三维磁场分析模型。建模时在不影响产品磁场分析的前提下，仅对个别构件进行了适当的处理。在该产品模型中，所有导磁材料均按非线性考虑，铁芯、夹件肢板磁屏蔽、油箱磁屏蔽设为27ZH095，按各向同性材料考虑；夹件、主要油箱部分、垫脚、撑板、旁柱拉板、夹件肢板取Q345钢；中柱拉板，部分油箱取20Mn23A1低磁钢。
3计算原理
场路耦合方法将直流偏磁计算的磁场模型和电路模型分开；考虑铁芯磁性材料的非线性，以基于棱边有限单元建立的磁场模型计算动态电感，将动态电感参数耦合到时域电路微分方程，利用四阶龙格库塔法求解电路方程。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆该方法求解思路简单明确，求解准确度及稳定性高。由于在路中串联电阻R以提高计算精度，串联电阻的分压导致电路模型中串联电阻R后侧的电压小于励磁侧额定交流电压。为此，在给定计算条件下，进行初次直流偏磁计算之后，需针对励磁侧交流电压u5进行电压补偿后的仿真计算。电压补偿原理为：取第k次计算得到的励磁绕组电流的稳定后的一个完整周期的电流瞬时值，将电流瞬时值与串联电阻R相乘则为补偿电压。当k为1时表示初次直流偏磁计算。将补偿电压与励磁侧交流电压相加，作为第k+1次计算的励磁侧交流电压值。进行电压补偿后的第k+1次计算。由此逐次进行电压补偿的迭代仿真计算，直至电路模型中串联电阻后侧的电压与额定交流电压之间相对误差的绝对值的最大值小于额定交流电压幅值的3%停止。
4计算及分析
4.1地电位分布特性
以额定电流作为直流线路单极运行时接地极的入地电流，，其他入地电流情况和地电位大小，可按比例折算。接地极极环上方地表电位最高，离开接地极后地表电位逐渐下降，且下降速度逐渐变慢;可知距离接地极20km以外，地电位下降已达到90%以上。比较3种土壤模型下地电位的分布特性可知，土壤电阻率越大，距离接地极同一位置处地电位越高;土壤电阻率越小，地电位衰减越快。
4.2变压器中性点偏磁电流
直流线路在调试、检修或发生故障时将单极运行，考虑如下4种运行方式。方式1:仅直流单极运行;方式2:仅直流单极运行;方式3:仅直流单极运行;方式4:3条直流线路同时单极运行。一般情况下，方式4出现的概率较小。根据电路叠加原理，多条直流线路同时单极运行时在大地某处产生的地电位应该等于各个直流线路单独单极运行时的地电位代数和，对应方式主变偏磁电流也应满足叠加关系。叠加表示方式1、2、3的代数和，方式4与叠加结果的差值很小，误差不超过0.1%，验证了前述叠加原理。对于其他任意两种直流线路同时单极运行的情况，进行代数叠加即可。直流对变电站的直流偏磁影响较小，这是由于直流接地极附近土壤电阻率较小，且距离这几个变电站较远，均在150km以上，因此产生的偏磁电流较小。
5抑制措施
DL/T437—2012高压直流接地极技术导则中规定，变压器每相绕组允许直流电流暂定为:单相变压器为额定电流的0.3%;三相五柱变压器为额定电流的0.5%;三相三柱变压器为额定电流的0.7%。对于常用500kV三单相变压器或三相五柱变压器，计算结果为每相绕组允许直流电流的3倍。变电站在方式2及方式4两种情况下偏磁电流均超过18A，需要加装抑制装置。根据以往的研究，抑制偏磁电流的方法有反向注入电流法、电容隔直法、电阻抑制法，采用电阻抑制法，考虑在主变加装1Ω小电阻，加装之后偏磁电流计算结果可知，主变加装1Ω小电阻后，偏磁电流明显下降，减小了约87%，但其他几个变电站的偏磁电流有所增大，最大增大了约13%。因此，在采用小电阻抑制偏磁电流时要考虑对周边变电站的影响，如果造成周边变电站偏磁电流增大过大，超过了变压器的承受能力，则也需要加装小电阻进行抑制。
4结论
(1)地电位分布与土壤电阻率密切相关，土壤电阻率越大，距离接地极同一位置处地电位越高。对于多直流接地极且各接地极相距较远的系统，可采用土壤分块模型，兼顾各接地极附近土壤情况。
(2)多条直流线路同时单极运行时在某主变中性点产生的偏磁电流等于各直流线路分别单极运行时的代数和。
(3)采用小电阻抑制直流偏磁时，有可能造成周边变电站偏磁电流增大，如果因此超过了变压器的承受能力，需综合考虑抑制措施。
参考文献：
［1］杨永明，刘行谋，陈涛，等.特高压直流输电接地极附近的土壤结构对变压器直流偏磁的影响［J］.电网技术，2017，36(7):26－32.
［2］杨林，汪惟源，万振东，等.“十三五”江苏电网网架评估研究［J］.电网与清洁能源，2016，32(7):71－75.
论文作者:李新涛,郑云丹
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/27
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