摘要：直流输电系统双极不对称或单极大地回线运行时产生的地电流会导致变压器直流偏磁，影响变压器及交流系统的安全稳定运行。直流输电系统以大地为回路运行时，地中直流通过附近中性点直接接地的交流变压器进入交流系统形成回路，引起变压器直流偏磁从而对交流系统产生不利影响。为此，综合比较了各种偏磁抑制方法的优缺点，分析了其对交流电网继电保护的影响。
关键词：高压直流输电；直流偏磁抑制装置；变压器中性点；继电保护
1.引言
当直流输电系统因故障或系统要求处于双极不对称或单极大地回线运行方式时，大地中流过的直流电流会导致中性点接地变压器出现直流偏磁问题，从而对交流输电系统造成不利影响，尤其是在交流变压器交流量叠加由中性点流入的直流量后，易导致变压器铁芯饱和，产生谐波、噪声，严重影响变压器以及交流电力系统的安全稳定运行。针对该问题，目前国内外对变压器直流偏磁的抑制方法主要有串接电容、注入反向电流和串接电阻。这3种方法各有利弊，且都不同程度上改变了某些电气量，对相关保护性能可能造成影响，甚至造成保护退化。其中串接电容法以其原理简单、造价低廉、易于维护等特点在实际应用中最为广泛，但串接电容法改变了主变零序阻抗，这会对零序电流保护及接地距离保护造成影响。
地中直流对交流系统的影响主要是由接地极附近中性点直接接地的变压器直流偏磁所引起的。为将变压器直流偏磁抑制到工程上可以接受的程度，国内外研究了多种抑制变压器中性点直流的措施和方法。本文在比较各种偏磁抑制方法优缺点的基础上，重点分析了在变压器中性点安装的直流抑制装置对交流电网继电保护的影响。结论可为其他受直流偏磁影响的变电站安装偏磁抑制装置后的继电保护提供参考。
2.变压器直流偏磁的产生机理
导致直流偏磁的原因主要来自两方面：一是高纬度地区的地磁干扰（GIC），二是HVDC接地极到变电站的电磁耦合。国外的研究多针对前者，国内的研究多针对后者。但从本质来说，这两类问题解决的方法大致相同。直流系统在单极大地回线方式和双极不平衡运行方式下均有直流电流通过接地极流经大地，因土壤存在一定的电阻率，在交流系统中不同位置的变电站间就会产生一定的电位差。系统中不同位置变电站中星型连接的变压器接地中性点将承受该地面电位差的影响。该电位差会在与大地经主变压器中性点并联运行的交流系统中产生直流电流，主变压器中性点直流电流的大小由地面电位差除以变压器绕组和输电线路的等值电阻值而定。当变压器绕组中流过直流电流时，将使铁心磁化曲线不对称，加剧铁心饱和，产生直流偏磁。表现为变压器运行噪声骤升，在激磁电流中产生大量谐波，变压器消耗无功增加，使系统无功补偿装置过载或系统电压下降。谐波流入系统的后果是系统电压波形畸变，滤波器过载，继电保护误动，合空载长线时产生持续过电压，单相重合闸过程中潜供电流增加和断路器恢复电压增高。不同的研究方法得出的变压器直流限值不尽相同。一种方法是基于具体变压器的励磁特性曲线，根据其波形畸变程度及励磁电流峰值反推直流电流限值。另一种方法是现场试验确定各变压器允许通过的直流电流限值或结合厂家设计值。加拿大Teshment咨询公司和中南电力设计院认为通过变压器绕组每相的直流电流不大于2倍变压器额定励磁电流（约1%额定电流）时可以被接受。DL437-1991《高压直流接地极技术导则》规定，通过变压器绕组中直流电流不大于额定电流的0.7%。
3.大型变压器直流偏磁抑制对继电保护影响
3.1变压器和输电线路保护的典型配置分析
变压器中性点接入偏磁抑制装置后，改变了电网的零序参数，在出现不对称接地故障且阻隔装置有效接入时继电保护可能会受到影响。典型的高压变电站主变压器主保护配置一般为比率制动式差动保护、工频变化量比率差动保护、差动速断保护和对应于本体主保护的瓦斯保护、油温保护、压力释放保护等。高压侧后备保护配置一般有反映相间短路故障的相间阻抗保护、复合电压启动的过电流保护、负序电流保护等；反映接地故障的变压器中性点直接接地时的零序电流保护和中性点不接地时的零序电压保护、中性点间隙零序电流保护二段零序方向过流保护；反映容量在0.4MVA及以上变压器的对称过负荷保护。其中中性点间隙零序电流及零序电压保护适用于变压器中性点不接地情况时的变压器保护，故不用考虑对其影响；而各主变压器中性点接入的偏磁抑制装置只对接地故障时的保护产生影响，对相间低阻抗保护、负序电流保护和变压器本体的主保护无影响。微机线路保护装置一般以高频方向保护和高频距离保护为主保护，以阶段式距离保护、阶段式零序电流方向保护及综合重合闸作为后备保护。故在变压器中性点接入偏磁抑制装置后受影响的保护为：变压器高压侧后备保护中性点零序方向过流保护、线路零序电流方向保护和接地距离保护。
3.2含有阻抗型偏磁抑制装置的电网等效电路
包含主变压器中性点偏磁抑制装置的电网简化等效电路如图1所示，用 M、N 两个电源等效线路MN 以外的系统。以 M 侧变压器和线路MN 为对象分析保护所受的影响。
线路MN两端等效电源EM和EN的等值正序（负序）、零序阻抗分别为ZM1（ZM2）和ZN1（ZN2）、ZN0。线路MN的序阻抗表示在图1中。M母线变压器等值正序（负序）、零序阻抗分别为ZTM1（ZTM2），ZTM0，其中性点接入阻抗为ZφM0。若两个等值系统还有其他线路联系，可通过等值变换转化为此模型的形式，并不影响分析所得的结论。
为准确分析在不同运行情况下主变压器中性点接入偏磁抑制装置后各故障量的变化情况，针对单相接地和两相接地故障，分别取不同的主变压器中性点阻抗ZψM0、故障位置（ZMK1和ZMK0）、故障点过渡电阻和电网运行方式进行分析。
3.3对继电保护影响的分析
以中性点偏磁抑制装置为电阻性为例分析，即ZψM0为电阻性。通过各种保护要求电气量的解析表达式，分析ZψM0接入对各保护影响的结论如下：
a）对零序过流保护的影响。主变压器中性点电阻ZψM0的接入使接地短路故障时M侧保护零序电流减小，零序过流保护灵敏系数减小；N侧保护零序电流增大，零序过流保护灵敏系数增大；M侧主变压器中性点零序电流减小，中性点零序过流保护灵敏系数减小。
b）对零序方向保护、零序电压元件的影响分析。零序方向保护要求零序电压达到一定阈值（一般取一次侧2-3V）时才开放。在长距离输电线的末端发生接地短路故障时，线路首端保护的零序功率方向元件可能会出现灵敏度不足不开放的情况。在MN线路的M侧主变压器中性点接入偏磁抑制装置的情况下，在线路上发生单相接地故障时可能造成M侧、两相接地短路故障时造成N侧零序方向过流保护电压元件灵敏度不足而不开放。
c）对测量阻抗的影响分析。由于过渡电阻的存在，M侧阻抗继电器中将出现附加测量阻抗。M侧保护的测量阻抗幅值在M侧主变压器中性点接入ZψM0之后增大。一定情况下会造成保护拒动，使距离保护的保护区缩短。
结语
1.HVDC直流单极运行和地磁干扰均能造成变压器的直流偏磁，影响变压器和交流电网的正常运行。
2.由于不同变压器中性点偏磁抑制装置的优缺点不同，因此安装偏磁抑制装置应根据实际电网的运行环境和经济条件合理选择。
3.变压器中性点接入电阻性偏磁抑制装置后使主变压器中性点零序方向过流保护和线路零序方向过流保护灵敏度降低；在高阻接地故障情况时将恶化可能出现的零序功率方向元件不开放的情况；在保护正方向近端带过渡电阻故障时，使距离保护的保护区缩短。对于线路的零序方向过流保护和接地距离保护定值则需要重新校核和整定分析，以确保电网的安全稳定运行。
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论文作者:蔡周宝
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/8/21
标签：变压器论文; 电流论文; 抑制论文; 阻抗论文; 装置论文; 系统论文; 故障论文; 《电力设备》2018年第14期论文;