直流偏磁（共8篇）
直流偏磁 篇1
0 引言
宾金直流输电工程是一条连接我国西南水电基地和东部负荷中心的能源大通道, 是目前我国输电容量最大、电压等级最高的直流输电工程。特高压金华换流站是±800kV宾金直流输电系统的受端站, 站址在浙江省金华市武义县。
直流输电系统在系统调试或故障情况下, 会有大量的直流电流在受端和送端直流极之间的大地中传输。地中直流电流可能会引起直流极附近地电位的变化, 对交流系统产生直流偏磁的危害。宾金直流单极大地回线方式运行时, 金华换流站及周边数十个变电站内变压器普遍存在直流偏磁现象, 出现了中性点谐波电流并伴有噪声。
本文介绍了金华换流站直流偏磁的特点, 分析了直流偏磁原理和成因, 介绍了饱和保护的配置情况, 并结合换流站的实际给出了合理建议。
1 直流偏磁原理
1.1 原理
当换流阀触发脉冲不对称或部分丢失、站内接地点电位升高或其他相关因素影响时, 就会有直流电流通过换流变压器中性点流入变压器, 从而引起换流变压器铁芯饱和并导致换流变压器激磁电流畸变。
如图1所示, 正常情况下, 激磁电流的平均值为i0=0, 相应的磁通直流分量=0, i (t) 正负半波对称, —i曲线运行在2 max—2imax的对称范围内。当直流电流流入变压器绕组时, 会产生直流磁通, 直流和交流励磁磁通相互叠加导致了与直流方向一致的半个周波的磁通密度大大增加而另外半个周波的磁通密度大大减小, 铁芯偏于—i曲线的一边运行, 形成变压器的直流偏磁。这时, 铁芯趋向饱和, 励磁电流畸变, 在每个周期中都有一个很高的尖峰及许多谐波成分, 虽然从激磁电流曲线上无法看出直流磁通和直流激磁电流之间的关系, 但激磁电流的平均值i0就是直流激磁电流。发生直流偏磁的变压器无功损耗、金属构件损耗增加, 温升增大, 由于铁芯周期性饱和伴有低频噪声。
我国特高压换流站的换流变均采用单相结构, 研究证明, 相对于三相芯式变压器, 三相组式 (单相) 变压器受直流偏磁的影响更严重。单相结构换流变压器, 磁回路独立、磁阻低, 较小的直流就容易引起饱和。直流偏磁越大, 励磁电流的峰值越大, 谐波成分越多, 饱和也就越严重。
1.2 直流偏磁产生的原因与影响因素
单极大地回线方式或双极电流不平衡运行方式导致的地电位升高, 是直流偏磁的主要来源。
在双极电流不平衡运行或单极大地回线方式下, 入地电流造成地表电位分布不均匀, 在交流电网不同接地点间产生电位差, 部分直流电流从一端换流变中性点流入, 从其他变电站变压器中性点流出, 就会引起直流偏磁。
110kV及以上电压等级的系统为保证安全运行一般均将中性点直接接地, 从而存在直流电流的自然通路。以一个只有两台变压器的简单系统为例, 考虑了感应地电位、接地电阻后的直流网络及其单相等值电路如图2所示, 其中RW1、Rg1、RW2、Rg2分别为变压器1和变压器2的绕组直流电阻和接地电阻, RL为线路电阻, Eg1、Eg2为两变电站的接地网感应电位。
现代大型交流电网是一个庞大的直流低阻网络, 变压器绕组上的直流电流会导致直流偏磁。直流电流分布的本质是交流电网地上低阻网络通过庞大的地下接地网络吸引地中直流电流向远方传播。而交流电网直流电流分布情况和接地极周围电位分布、网络电气参数等多方面的因素有关。
直流偏磁来源还有地磁效应、触发脉冲不对称、直流线路感应电压、地磁感应电流、变压器空载合闸励磁涌流等。
触发角不平衡使得换流变阀侧绕组中正负半波电流平均值不等于0时, 才会引起直流偏磁。换流阀触发角不平衡产生的原因可能是由于交流系统电压的不对称、晶闸管触发回路的触发误差, 两个阀触发信号光纤长度的不同也会导致触发时间的轻微差别。
在工程中, 如果直流架空线路平行并靠近交流线路架设, 在稳态运行时, 直流线路上可能感应出基频电压, 从而导致直流线路上出现基频电流。由于在换流过程中换流阀按顺序通断, 直流线路的基频电流会使换流变阀侧绕组出现直流电流分量。
直流偏磁的来源之一是地磁感应电流。地磁场导致了地磁感应电流的产生, 研究表明, 纬度越高的地区, 长距离东西走向的输电线路越容易受到地磁感应电流的影响。特高压工程承担着长距离、大容量输电的任务, 这些长距离东西走向的输电线路容易受到地磁感应电流的影响。
1.3 直流偏磁对变压器的影响
直流偏磁现象使得换流变压器铁芯持续性地饱和, 空载损耗上升, 铁芯温升上升。严重情况下可能使得在饱和期内的饱和度过深, 漏磁通增加, 结构件涡流损耗增加, 甚至可能出现严重的局部过热情况, 导致变压器热损毁、寿命缩短。
随着流入单相变压器中性点直流的增加, 励磁电流各次谐波电流幅值增大, 二次谐波的增大可能会闭锁变压器的保护, 导致保护拒动, 尤其是发生小匝间故障时。
在设计阶段, 应计算出换流站在最不利条件下的直流偏磁电流, 从而计算出每台500kV单相变压器承受的直流电流, 对制造厂提出变压器直流偏磁要求, 同时换流变压器保护需要配置饱和保护功能。
2 饱和保护的整定、配置和实现
2.1 饱和保护的整定原则
从以上分析可以看出, 存在多种可能性导致换流变压器出现直流偏磁现象, 实际应用中换流变压器饱和保护主要是用来防止换流站地电位变化和触发不对称造成的换流变直流偏磁可能导致的换流变压器损坏的情况。
饱和保护只配置在Y/Y换流变压器上, 一方面角接换流变的零序阻抗较星接换流变大, 发生直流偏磁时, 星接换流变的直流偏磁更严重;另一方面区外故障时, 角接换流变其中性点电流也会有很大扰动。为防止饱和保护误动, 将保护只配置在星型接线的换流变压器上。
2.2 饱和保护的实现
金华站饱和告警分三段式, 当零序电流峰值大于告警整定值时, 饱和告警动作, 发告警信号 (只投入定时限一段) 。
反时限跳闸元件给出6个设定的值 (包括零序电流峰值I0fz和动作时间t) , 通过曲线 (图3) 拟合, 来达到反时限动作的效果。当I0fz大于反时限下限时, 反时限启动计算, 在I0fz1~I0fz6之间根据设定的值, 计算延时时间, 时间到则保护跳闸。当I0fz大于反时限上限时, 反时限仍然按照反时限上限的时间跳闸。当延时大于反时限跳闸时间的0.7倍时, 饱和保护切换系统功能动作。
为使饱和保护的动作特性与变压器承受直流饱和能力相匹配, 在进行定值整定时, t下限、t上限分别对应反时限下限延时和反时限上限延时, t1对应第一点延时时间, t6对应第六点延时时间。
3 金华换流站直流偏磁情况与分析
3.1 金华站直流偏磁情况
金华换流站单极大地回线解锁、金属回线转大地回线方式, 使得直流功率通过大地在整流站和逆变站输送, 金华站换流站主变及接地极周边的广大范围内变电站都出现了直流偏磁现象。
(1) 2014-04-19T06:35, 极2低端换流器由金属回线转为大地回线运行后直流入地电流1 800A, 极1低端换流变进线开关在合位, 极1低端换流变饱和保护动作, 极2低端换流变饱和保护动作。
(2) 2014年6月1日, 极1高端换流器调试期间, 多次出现饱和保护动作。
2014年6月1日, 极1高端换流器大地回线, 流入接地极电流500A条件下多次解锁。其余换流变进线开关均在分位。中性点峰值电流以及饱和保护动作情况如表1所示。
(3) 2014年6月11日, 极2高端换流器大地回线功率正送, 流入接地极电流500A条件下解锁, 饱和保护动作, 中性电流峰值与极1单极大地回线功率正送条件下中性电流极性相反, 中性点电位极性相反。中性点峰值电流以及饱和保护动作情况如表2所示。
(4) 2014年6月16日进行极1单换流器、双换流器大地回线试验, 测试了直流偏磁电流。入地电流500 A, 极1高低端换流变进线开关合位, 极2换流变冷备用的情况下, 针对以下几种工况, 用钳形电流表分别测量高低端换流变中性点的直流电流分量和交流电流分量实际值 (一次值) , 如表3所示。
3.2 直流偏磁情况分析
直流偏磁不是某个站的问题, 而是普遍影响到接地极周围的广大交流电网。偏磁电流通过变压器中性点在大地和交流电网传播, 浙江电网受影响的站点主要分布在金华、丽水、绍兴、杭州110kV及以上变电站。
(1) 换流变饱和保护均正确动作。4月19日极2低端Y/Y换流变8221B中性点零序电流峰值已至0.1~0.15A之间, 达到饱和反时限第一点, 从事件记录阀组控制系统切换后约90s (对应于30%的反时限跳闸延时) 后阀组闭锁, 因此可以推算对应的反时限跳闸延时约为300s, 也就是从极1低端闭锁时, 换流变中性点电流达到反时限动作定值。饱和保护正确动作。
(2) 直流偏磁电流的方向与接地极电流方向有关, 直流偏磁电流的大小与接地极电流大小有关。极1单极大地回线方式功率正送时, 接地极入地电流为正, 换流变中性点电位被抬高, 电流通过换流变中性点流向网络。极2单极大地回线方式功率正送时, 接地极入地电流为负, 换流变中性点电位被拉低, 电流通过换流变中性点流向地, 即向电网流进负的电流。随着单极大地回线方式输送功率的增加, 中性点电位变化变大, 变压器中性点电流增大, 直流偏磁现象就更严重。
(3) 在直流系统运行方式相同的情况下, 由于网络参数的变化, 直流偏磁的严重程度不同。6月1日极1高换流器大地回线运行方式, 入地电流500A条件下多次解锁, 从录波图上可以看到, 15:29极1高端Y/Y换流变峰值电流0.09A, 00:59极1高端Y/Y换流变峰值电流0.062A。由于00:59负荷水平较低, 而15:29负荷水平相对较高, 交流电网网络中中性落点多, 系统阻抗偏低, 因此换流变中性电流较大, 直流偏磁现象较严重。
(4) 换流变直流偏磁程度同进线开关在合位的换流变的数目有关。换流变进线开关在合位, 不论换流阀是否解锁, 网侧接地的中性点都为直流偏磁电流提供了流通路径。6月12日试验数据, 极1单极大地回线运行电流500A, 隔直装置未投入, 高端偏磁电流为23.3A, 低端偏磁电流为23.1A。将低端隔直装置投入后, 低端偏磁电流为0.8 A, 高端偏磁电流达到31.3A。可以看出, 接地极电流相同的条件下, 换流变中性点直接接地时, 充电或解锁的换流变数目越少, 每台换流变的直流偏磁情况越严重;充电或解锁换流变数目增多, 每台换流变的直流偏磁情况相对较轻。
3.3 直流偏磁影响因素分析
双极平衡运行的方式下, 并未检测到明显直流偏磁现象。因此, 宾金直流单极大地回线方式运行, 接地极电流分布使得接地极周围地电位抬高是交流系统直流偏磁的主要原因。变压器中性点能引起多大的直流电流分量取决于与接地极的距离、接地极周围的大地电阻率、电位升高程度、换流变压器铁芯的特性以及交流电网参数等多方面的因素。
靠近河流、湖泊的土壤电阻率较低, 而一些岩石如花岗岩地质结构的土壤电阻率较高。若接地极深层土壤电阻率较大, 入地电流则主要沿表层分布, 从而感应出较大的电位。从宜宾站、金华站水文地质情况 (表4) 也可以看出, 金华站附近土壤电阻率分布不均匀, 宜采用多层结构模型, 相对于电阻率均匀分布的土壤, 电位分布衰减缓慢。
接地极有电流流入时, 距离接地极越近电位变化越大。直流接地极附近地电位分布示意图如图4所示。接地极附近电位被抬高。
天中直流单极大地回线方式, 天山换流站接地极附近60km范围内变电站普遍存在直流偏磁现象, 而天山换流站距离接地极距离超过80km, 换流变并没有直流偏磁现象。金华换流站距离接地极约24km, 宜宾站距离共乐接地极80km, 复龙站距离共乐接地极72km, 奉贤站距离接地极约97km。
直流系统接地极电流在变电站接地网上感应出较大的电位还不足以产生直流电流, 只有形成电流的通路才会在变压器绕组中流过直流电流。
金华换流站距离接地极相对较近, 出线数目多, 交流网络复杂, 变压器中性落点多, 单极大地回线方式下换流站内地电位被抬高, 并且通过500kV线路连接至远离直流极的变压器产生直流电流。
3.4 治理情况
由于换流变压器的直流偏磁现象超过了换流变的承受能力, 金华换流站及周边大接地系统变电站都安装了容型隔直装置———南瑞PAC-50K变压器中性点电流抑制装置, 金华站共安装四台隔直装置, 每台对应YY和YD六台换流变, 一次回路原理图如图5所示。
目前的策略为使得隔直装置正常运行状态下一直处于电容隔直运行状态, 当变压器中性点发生过电压时状态转换开关快速闭合来旁路电容器, 起到保护电容器的作用, 经过2.5s延时后重新进入电容隔直运行状态。
从实际应用情况来看, 隔断直流电流在交流网络中的通路 (直流电流从变压器接地中性点流入交流架空线路最后通过另一个接地点入地) , 可以有效避免变压器中性点流过直流电流, 抑制直流偏磁。6月12日试验数据比较, 接地极电流500A, 极2高端换流变中性点投入隔直装置前直流偏磁电流35A, 投入后0.7A。
在宾金直流单极大地回线方式下, 目前的治理措施还不能完全抑制交流电网中主变中性点直流电流。电容隔直可彻底堵塞直流电流的通路, 但有可能使其他中性点直流电流增大。实际中, 为消除某台变压器的直流偏磁而不得已断开接地, 可能导致其他变电站的变压器中性点直流电流增大并引起直流偏磁。浙江电网受影响的站点主要分布在金华、丽水、绍兴、杭州, 110kV及以上有30多个变电站已安装隔直装置。
4 总结与建议
直流偏磁现象与接地极周围的大地电阻、交流电网的构成和参数等情况有关, 金华地区土壤电阻率分布不均匀、数值较高, 换流站交流出线多、周围电网结构复杂, 当宾金直流单极大地回线方式下, 金华及周边地区交流电网普遍存在直流电流。目前采用电容型隔直装置, 以有效阻塞直流电流通路。
隔直装置应具备较强的抗干扰能力, 防止在系统扰动的情况下直接接地电容接地转换开关反复动作, 提高其可靠性。
目前的治理措施还不能完全抑制交流电网中主变中性点直流电流。对未装设隔直装置的观测站应该加强变压器振动、噪声和谐波的监测, 若出现直流偏磁程度增加, 则需要采用增加隔直装置等措施加以抑制。随着电网的发展, 新增变电站时应进行直流偏磁风险评估, 确定需要采取的抑制措施。
500kV站用变压器、高压并联电抗器用三相三绕组变压器, 相对于单相换流变压器, 磁阻高, 不易引起饱和, 因此一般不配置饱和保护。而金华站换流变及周边变电站增加隔直装置后, 当宾金直流单极大地回线运行时, 换流站地电位被抬高, 直流偏磁电流通过站用变、高抗流入交流电网。在接地极电流4 000A时511B、512B直流偏磁电流达到4.84 A、5.06 A, 5906线高抗和5916线高抗直流偏磁电流为13.32 A、11.43A。因此, 需要进一步评估偏磁对站用变及高抗的影响, 单极大地回线方式或双极电流不平衡运行时, 要密切关注换流变的直流电流及温升, 加强变压器油的在线监测, 确定是否需要配置饱和保护和加装隔直装置。
摘要：宾金直流单极大地回线方式会引起换流站及周边变电站变压器中性点流过直流电流, 现分析直流偏磁现象原理和形成原因, 介绍换流变压器饱和保护的原理和配置情况, 根据调试的试验数据分析换流变直流偏磁特点及治理情况, 并结合换流站的实际提出建议。
关键词：直流偏磁,饱和保护,隔直装置
参考文献
[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].2版.北京:中国电力出版社, 2011.
[2]段炼, 江安烽, 傅正财, 等.多直流接地系统单极运行对沪西特高压变电站直流偏磁的影响[J].电网技术, 2014, 38 (1) .
[3]陈丹.锦屏—苏南特高压直流输电入地电流在四川电网内分布的预测分析[J].电力系统保护与控制, 2012, 40 (14) .
[4]李跃婷, 郝跃东, 李腾亮.奉贤换流站换流变压器直流饱和保护分析[J].南方电网技术, 2012, 6 (6) .
[5]马玉龙, 肖湘宁, 姜旭, 等.用于抑制大型电力变压器直流偏磁的接地电阻优化配置[J].电网技术, 2006, 30 (3) .
[6]SBH-100A系列微机型换流变压器保护装置技术说明书[Z].
[7]王明新, 张强.直流输电系统接地极电流对交流电网的影响分析[J].电网技术, 2005, 29 (3) .
[8]李贞, 李庆民, 李长云, 等.直流偏磁条件下变压器的谐波畸变特征[J].电力系统保护与控制, 2010, 38 (24) .
[9]朱林, 韦晨, 余洋.单相变压器的直流偏磁励磁电流问题及其对保护的影响分析[J].电力系统保护与控制, 2010, 38 (24) .
[10]赵志刚, 刘福贵, 张俊杰, 等.直流偏磁条件下变压器励磁电流的实验与分析[J].电工技术学报, 2010, 25 (4) .
直流偏磁 篇2
四川泸州川南发电有限责任公司（方山电厂）正处于向家坝--上海±800kV复奉直流超高压直流输电线路接地极附近，其中2013年复奉直流共发生6次不对称运行方式，方山电厂220kV中性点接地运行的变压器就出现了噪声、振动明显增大等情况，测得中性点最大直流电流为18A，数值大大超过了主变压器额定允许流过的直流电流8.59A。直流偏磁现象对变压器的正常运行和使用寿命有着严重的影响，危害大型发电厂安全运行，因此应加以重视。
1、变压器直流偏磁的原因
当直流电流流入中性点接地变压器的三相绕组时，会在铁心磁通中产生直流分量，引起磁通偏移，从而使励磁电流高度畸变，变压器出现直流偏磁现象。其原因主要有以下两种：
a、太阳等离子风活动引起的“地磁暴”会在地表产生电势差，诱发的地磁感应电流（近似直流）在中性点接地变压器中产生直流偏磁；b、超高压直流输电单极大地回路运行或双极输送功率不平均时，因交流系统的直流阻抗很小，会有直流电流流入中性点接地变压器产生直流偏磁。
2、直流对中性点接地变压器的影响分析
受到大地电阻的影响，直流电流在大地中流通总是从高电位流向低电位。那么两个换流站接地极之间肯定会产生电位差，入地电流将由逆变器接地极流向整流器接地极。如果不同地点并联运行的中性点接地变压器处在接地极附近，那么变压器的中性点必然会有压降。接地极的一部分入地电流将从地电位较高的变压器1中性点串入其绕组，通过输电线路进入中性点地电位较低的变压器2绕组，再由中性点流入大地，从而构成直流回路。
图1 构成直流回路示意图
如图2所示：当中性点电压被抬升，有直流分量时（虚线），磁路工作在磁化曲线的非线性区域，使得变压器磁通发生偏置，导致铁芯半波饱和，产生很大的激磁电流。
图2 变压器直流偏磁原理图
直流偏磁引起变压器励磁电流高度畸变，产生大量谐波。当谐波频率与变壓器有关部件的固有频率接近时，发生共振噪音增大。严重磁饱和产生的漏磁通导致磁致伸缩加剧，变压器振动加剧，同时磁滞损耗和涡流损耗使铁损增加，铁心的空载损耗增大。励磁电流的增大使变压器无功消耗增加，铜损增加，线圈发热，损坏绝缘，降低变压器使用寿命，威胁变压器的安全运行。
3、变压器直流偏磁治理方法
根据变压器直流偏磁的原因，目前主要有以下消除中性点直流电流的方法：
3.1中性点串联电阻
在变压器中性点串入一个低值电阻，这样能够有效地抑制流入中性点的直流电流。其优点：原理简易，容易实施，成本较低。缺点：a、无法完全消除流入中性点的直流；b、电阻值选取较大时变压器中性点不能可靠接地；c、系统零序参数产生了变化，影响到继电保护的整定；d、每当电网运行方式改变时，接地电阻需要重新计算阻值并更换。现场应用较少。
3.2中性点注入反向直流电流
借助有源注入直流电流直接抵消大地电流窜入变压器中性点的直流电流。其优点：使用灵活，无需改变系统参数。缺点：a、由于采用的是先检测后抑制，存在滞后性，导致不能完全抵消中性点的电流；b、工程量大，必须为装置建造一个独立的接地极；c、装置的成本和维护费用较高。虽然国内已有使用，但不适合推广。
3.3在交流线路上串联电容
变压器绕组出线处串联电容，能够有效切断直流回路。其优点：a、完全隔离直流电流流入交流系统；b、能够增加线路输送的能力，大大提高系统的暂态稳定性。缺点：a、对电容自身的要求较高；b、电网中有自耦变压器时，必须要安装多个电容。
3.4变压器中性点串联电容器
因为电容器具有“隔直通交”的特性，所以将其串入变压器中性点用来隔断直流电流流入变压器中性点。电容器组工频阻抗很小，理论上可以认为变压器中性点是金属接地，不需要修改变压器继保参数；在系统发生短路故障时，旁路保护装置可以承受大电流短时冲击和快速合上旁路开关，保证系统和隔直装置的安全。因此，使用中性点串联电容的方法较普遍。
图3 中性点串联电容器原理图
4、方山电厂采取的治理方案
方山电厂#1、2主变为三相五柱式重庆ABB变压器；启备变为三相三柱式天威保定变压器。由于直流输电接地极电流对不同结构变压器所产生的影响不同，根据研究结果表明，对三相五柱式变压器影响较大，对三相三柱式变压器影响较小，而实测结果也证明了这一点。经反复论证与技术评估，方山电厂于2014年最终采用变压器中性点串联电容器技术仅对主变中性点直流电流进行抑制。#1、#2主变共用一台隔直装置采用一拖二的结构，但同一时间仅允许一台主变通过该装置中性点接地运行。
以#1主变使用隔直装置为例：在变压器中性点新设一把K12隔离开关，为保证完全隔离直流电流，在隔直装置投运后，#1主变中性点接地隔离开关K11处于分断状态，新设隔离开关K12处于闭合状态。当变压器中性点未检测到直流电流，这时旁路开关K3处于合闸状态，#1主变中性点通过旁路开关K3金属接地，保证系统发生任何故障，变压器中性点均不出现不接地状态。当变压器中性点检测到直流电流超限时，旁路开关K3立即断开，使得电容器组投入运行以隔断直流电流，然后再通过电容器组两端的直流电压判断变压器中性点的直流电流已消失，则装置合上旁路开关K3。装置在电容接地运行状态下，一旦检测到变压器中性点的交流电流超限时，装置判断为电网发生不对称短路故障，晶闸管被触发导通，同时驱动旁路开关K3立即合闸，确保#1主变中性点迅速进入直接接地运行状态。
图4 一拖二的变压器中性点隔直装置
5、结束语
综上所述，直流偏磁现象严重危害中性点接地变压器及电力系统的安全运行，与其他三种治理方法相比，变压器中性点串联电容器法成熟实用，是治理直流偏磁比较理想的措施。本文结合方山电厂采取的治理方案验证了由该方法构成的隔直装置的可靠性，为大型发电厂变压器直流偏磁防治提供了参考。
变压器直流偏磁的仿真研究 篇3
近些年, 随着中国直流输电技术的日益完善, 直流输电工程在中国得到了广泛应用。对于远距离输电的两端直流系统, 通常采用双极方式运行, 但在直流输电系统建设初期, 为了提高经济效益, 往往建设好一极后立即投入运行, 这是很常见的直流输电单极大地运行方式。当直流输电系统采用单极大地运行方式时, 流过接地极的直流电流将在大地中产生一定的电位差[1], 在电位差的作用下, 直流电流将通过变压器中性点及交流输电线路组成的通路, 流经变压器绕组[2], 如图1所示。
此外, 地磁暴产生的地磁感应电流 (GIC) , 其频率在0.001~0.01 Hz, 也可近似看做直流[3]。当直流经过变压器两侧绕组时, 在变压器铁心内产生一恒定的直流磁通, 造成直流偏磁现象, 直流磁通与交流磁通相互叠加共同作用铁心, 致使变压器铁心饱和程度大大增加。直流偏磁对变压器的影响主要表现在:一方面, 变压器励磁特性曲线端部的非线性, 导致了励磁电流高度畸变, 如图2所示, 增加了变压器无功损耗;另一方面, 铁心饱和使漏磁增加, 漏磁作用在变压器部件上会导致变压器相关部件损耗增加, 温升增大。此外, 大量实测数据还表明, 直流偏磁现象会导致变压器的振动加剧, 产生的大量谐波还能使变压器噪声明显增大[4,5,6]。
2 变压器直流偏磁仿真
仿真对象为饱和的单相双/三绕组变压器, 如图3所示。利用MATLAB软件提供的Simulink仿真工具, 对变压器一次侧接50 Hz交流电源、二次侧空载进行仿真, 仿真采用自动步长及ode23tb求解器求解, 仿真时间为0.1 s。
图4为单相变压器仿真模型示意图, 对变压器同时加入交流和直流两种电压。仿真过程中变压器的基本参数如下:
图5—图8分别为加入不同直流电压时的励磁电流波形。由图5—图8可知:当变压器绕组中没有直流经过时, 励磁电流波形没有发生畸变;当变压器绕组中有直流经过时, 由于直流电流的偏磁影响, 使得励磁电流工作在铁心磁化曲线的饱和区, 发生畸变;随着所施加直流电压的增大, 产生的励磁电流波形畸变越严重, 它所对应的励磁电流波形的峰值增大, 出现上半周期励磁电流畸变, 下半周期工作在线性区, 不发生畸变[8]。
3 励磁电流波形的FFT分析
本文基于快速傅里叶变换 (FFT) 算法, 在MAT-LAB环境下, 通过对上述所得的励磁电流波形进行快速傅里叶变换, 得到变压器在不同直流偏磁下的谐波分布情况, 如图9所示。
由图9可知:变压器正常运行时, 励磁电流只含有奇次谐波, 不含偶次谐波分量;当发生直流偏磁时, 励磁电流中出现偶次谐波分量, 并且随着所加直流电压的增大, 直流分量及低次谐波分量明显增加, 其中偶次谐波的增长速度相对较快。
4 结论
1) 当变压器有直流入侵时, 由于直流电流的偏磁影响, 使得励磁电流上半周波发生畸变, 并且随着所加直流电压的增大, 励磁电流波形畸变越严重, 它所对应的励磁电流的峰值增大, 下半周波不发生畸变。
2) 当变压器正常运行时, 励磁电流中只含有奇次谐波, 不含偶次谐波分量。当发生直流偏磁时, 励磁电流中出现偶次谐波分量, 并且随着所加直流电压的增加, 直流分量及低次谐波分量明显增加, 其中偶次谐波的增长速度相对较快。
参考文献
[1]王学峰, 余小菲, 周俊宇.交直流混合电力系统中交流变压器中性点直流电流的研究[J].电网技术, 2008, 32 (2) :96-98.
[2]郭满生, 程志光, 张俊杰, 等.直流偏磁条件下单相三柱电力变压器三维磁场分析[J].变压器, 2007, 44 (4) :31-35.
[3]郭满生, 程志光.大型电力变压器直流偏磁研究综述[J].电气制造, 2006 (3) :52-54.
[4]梅桂华, 徐柏榆, 王晓毛, 等.直流输电对交流系统变压器的影响[J].广东电力, 2006, 19 (1) :1-7.
[5]薛向党, 郭晖, 郑云祥, 等.地磁感应电流对电力变压器危害的研究[J].电力系统及其自动化学报, 1999, 11 (2) :13-19.
[6]蒋跃强, 李红雷, 周行星, 等.变压器直流偏磁的振动特性研究[J].华东电力, 2009, 37 (1) :132-134.
[7]刘曲, 郑健超, 潘文, 等.变压器铁心承受直流能力的仿真和分析[J].变压器, 2006, 43 (9) :5-10.
变压器直流偏磁的抑制方法研究 篇4
直流偏磁指的是在变压器运行过程中, 励磁电流中含有直流的部分, 而这些直流分量的存在, 使得变压器铁芯呈现正负半周不对称饱和, 由此引起的一系列电磁效应。当变压器在运行过程中出现直流偏磁现象时, 变压器的励磁电流高度会发生严重畸变, 铁芯磁通将处于过度饱和状态, 持续一段时间的话, 会产生一定的噪声, 导致变压器本身及无功功率的损耗, 更有甚者会导致局部过热, 以致绝缘层遭到破坏, 从而使变压器使用寿命大大降低或直接损坏。本文对现有的直流偏磁电流抑制措施进行了总结, 主要包括变压器中性点串小电阻法、电位补偿法、电容隔直法及直流电流反向注入法等, 并对其进行技术经济比较。
1现有抑制方法
1.1变压器中性点串小电阻法
当两台变压器中性点直接接地时, 会通过大地构成直流回路, 于是有直流电流流经中性点接地线。直流电流大小只与电阻元件以及元件间电位差有关。直流电阻包括存在于变压器各相绕组的等效直流电阻、接地网直流电阻、变压器连接线的直流电阻;同时, 直流电流的大小还与两台变压器的中性点电位差有关。因为三相负荷不对称, 以及三相线路等效阻抗值不对称, 即使电力系统处于正常工况, 系统中性点也会有不平衡电流, 其数量级为几个安培, 对系统的稳定安全运行没有影响;但是在发生接地故障时, 中性点电流值可能会突变到数十千安。这种情况下, 在中性点串入电阻可以大幅度减小故障电流的幅值, 但是, 电流流过电阻就会产生电压差, 这会使得变压器中性点对地电位相比不串接电阻时高很多。在中性点串联电阻可以抑制直流偏置电流, 降低系统谐振的几率, 但是当系统发生短路故障时电阻容易被烧毁或者遭遇雷击。
1.2电位补偿法
其原理是在变压器中性线中间串一小电阻 (0.5~2.0Ω) , 通过一外部电源在该电阻上形成一直流电位, 以此调节变压器中性点的直流电位来达到减小流入变压器绕组直流电流的目的, 该电阻同样需要保护旁路。
1.3电容隔直法
电容隔直法是指将变压器的中性点通过电容与大地相连, 有效隔断直流电流。主变压器中性点安装电容后, 在单相接地故障发生在主变压器高压侧的情况下, 电流通过大型主变压器中性点时, 会生成一个高幅值的暂态电压。当电容两端的电压超过一定限值时, 可以通过保护动作将电容旁路掉, 来限制这一暂态电压的幅值。所以系统中不需要大型电容器承受大故障电流, 这样一来, 节省了安装空间, 降低了成本, 也消除了对主变中性点绝缘的有害威胁。故障消除后, 电流旁路保护自动回到正常状态, 电容器又处于投入运行。保护间隙的作用是:当电容或其他设备发生故障时, 若超过放电电压则保护间隙放电, 保护变压器的绝缘。如果主变压器中性点电容器损坏或发生故障, 则放电间隙旁路掉保护装置以及电容, 相当于变压器中性点直接接地。同理, 也可以通过这样的操作, 实现电容器或电流旁路保护装置的维修。
1.4反向注入法
当有侵入电流入侵变压器中性点时, 可以利用可控直流源, 经调压器调压后, 再经硅整流至辅助接地极, 通过变压器中性线, 注入反向直流电流。
2典型技术方案优缺点比较
上述4种直流偏置电流的抑制方法, 按接入方式划分可以分为两类:一类是间接法, 串小电阻、电位补偿以及电容隔直属于这一类。采用这类方法, 必须在变压器与变电所接地电网中间串入保护设备, 如旁路装置、放电间隙、整流逆变装置等。第二类是直流电流注入方法, 它不改变变压器中性点接地方式。
相比其他限流方法, 电位补偿法具有以下优点:首先, 它可以保持变压器中性点有效接地, 完全消除变压器中性点的直流电流。其次, 它串入的小电阻阻值相比较小电阻限流法要小得多, 因此其能量损耗也相对较小, 并且对继电保护的影响及对变压器中性点电位的增大程度较小。再次, 它虽然需要配置直流电流源, 是有源设备, 但是它不需要建立另一个辅助接地极 (网) , 因此不用考虑接地极释放的电流对周围环境的腐蚀作用。这一点要绝对优于反向注入直流电流法。
本文推荐采用电位补偿法, 并就此做了仿真研究。
3仿真研究
最终拟研制基于电位补偿法的直流偏磁抑制装置, 如图1所示。
3.1双向可控直流电源技术方案
通过12脉波SCR半控整流电路将低压交流电压整流为直流, 通过SCR触发角度的控制输出可变的直流电压, 根据系统运行要求可灵活调节直流电位大小和极性。该方案具有电路结构和控制简单、可靠性高、容量大、成本较低的优点。
3.2仿真系统原理图
图2所示为受到直流偏磁影响的交流系统模拟图, 外加5V直流电压, 通过可调电阻输出可变直流电压, 模拟直流偏磁程度, 偏磁抑制装置根据检测直流电流信号, 通过内置的控制算法进行跟踪补偿, 并维持直流偏磁电流在规定范围内。
3.3仿真结果
直流偏磁抑制装置的控制目标是将变压器中性线电流限制在规定范围 (±3A) 内。图3所示为直流偏磁抑制仿真结果图。
图3中mag代表的是变动的电压源 (为了产生变动的电流, 模拟直流偏磁量) , E1代表的是12脉动晶闸管桥式半控整流电路直压侧经过双向开关后的电压, Is代表的是直流偏磁电流量, 也就是控制目标 (±3A范围内) , α代表的晶闸管触发角, 晶闸管的触发角导通范围是0°~180°, 触发角0°在桥式电路中指的是实际电路的自然换相角, 即实际电路的30°, 图中触发角从210°开始减小, 随着触发角的减小, 输出的直流电压不断增加, 从而控制串联在变压器中性线上的0.5Ω电阻上的电压大小。
从图中可以看出, 在0.5s时直流偏磁量控制电压源电压mag突然正向增大, 模拟交流系统附近的HVDC系统发生单极运行方式, 使直流偏磁电流Is突然增加。控制电路检测到Is绝对值大于3A, 将迅速根据设定控制策略调节晶闸管导通角减小, 使直流电压E1迅速增大, Is减小, 直到E1电位完全补偿直流偏磁量, Is处于规定的范围内为止。
4结语
高压直流输电单极大地回路运行产生的地电流会导致变压器直流偏磁, 干扰变压器的安全稳定运行。本文介绍了变压器中性点串小电阻法、电位补偿法、电容隔直法及直流电流反向注入法。经过比较, 本文推荐使用电位补偿法, 并对其进行仿真研究, 结果证明, 电位补偿法能有效抑制直流偏磁效应。
参考文献
[1]梅桂华, 梁文进, 刘艳村, 等.变压器直流偏磁电流阻容抑制装置的开发应用[J].高电压技术, 2009, 35 (10) :2 581~2 585
[2]蒋伟, 黄震, 胡灿, 等.变压器接小电阻抑制直流偏磁的网络优化配置[J].中国电机工程学报, 2009, 29 (16) :89~94
[3]李晓萍, 文习山, 蓝磊, 等.单相变压器直流偏磁试验与仿真[J].中国电机工程学报, 2007, 27 (9) :33~40
[4]马玉龙, 肖湘宁, 姜旭, 等.用于抑制大型电力变压器直流偏磁的接地电阻优化配置[J].电网技术, 2006, 30 (3) :62~65
直流偏磁 篇5
关键词：变压器,直流偏磁,PSCAD/EMTDC,总谐波畸变率,谐波含有率
0 引言
高压直流输电系统调试或发生单极故障时,将采用导线-大地回线的运行方式,此时较大的直流经接地极注入大地,在极址附近土壤中形成一个恒定的直流电场,场域内的变电站间会产生电位差,形成的直流偏磁电流将由一个变电站的变压器中性点流入,经交流输电线路后再从另一变电站的变压器中性点流出,如图1所示。
此外,地磁暴产生的地磁感应电流(GIC),其频率在0.001~0.01 Hz之间,也可近似看作直流[1]。当直流经过变压器两侧绕组时,在变压器铁芯内产生一恒定直流磁通,造成直流偏磁现象,致使铁芯饱和程度大大增加。直流偏磁对变压器的影响主要表现在:一方面,由于变压器励磁特性的非线性,励磁电流高度畸变,变压器无功损耗增加;另一方面,铁芯饱和使漏磁增加,相关部件损耗增加,温升增大。此外,大量实测数据还表明,接地极附近的交流电力变压器会出现不同程度的噪声增大、振动加剧等异常现象[2,3,4]。
依托我国在建的±660 k V宁东-山东直流输电线路,本文以某台实际运行的变压器为研究对象,分析不同直流注入情况下其输出电压的畸变情况,以获得各种谐波分量的物理特征,为探寻基于中性点注入直流的偏磁抑制方法提供了新思路。
1 变压器直流偏磁的仿真分析
我国首条±660 k V宁东-山东直流输电系统正在建设当中,现针对距青岛换流站30 km的220 k V匡正站一号主变T1进行分析。在额定负载下,当中性点注入直流分别为高压侧额定电流的3%、5%、10%、15%、20%(对应直流大小分别为14.2、23.4、47.3、70.9、94.6 A)时,观察T1低压侧输出电压的谐波特征。
1.1 仿真实例
T1型号为SFS9-180000/220,额定电压为220/110/35 k V,Y/Y/△接线,三相五柱式铁芯结构,空载损耗为110 k W,短路损耗分别为530.53 k W、135.65 k W、195.28 k W。图2为仿真实例图,有关参数设置如下:
1)等值系统1、2内阻不为零,零序阻抗参数采用经验值,系统1的电压相角超前1°,T1高压侧接系统1,低压侧接输电线路L,中压侧接系统3;
2)输电线路L东西走向,长度为50 km,三相对称;
3)变压器模型采用PSCAD/EMTDC[6,7]提供的UMEC模型,并以文献[8-9]所述的分段线性化的等效支路电导,来模拟铁芯的磁化曲线,其取值如表1所示。
4)Ea为T1高压侧A相电压,e为低压侧A相电压,通过快速傅里叶变换器(FFT)获得Ea和e的基波及各次谐波分量的方均根值(至7次谐波);
5)线路参数及负载均为线性,以免因线路和负载对Ea、e的谐波分析产生影响。
1.2 结果及分析
额定负载情况下,当T1中性点注入直流不同时,Ea、e的谐波分量如图3所示。图中横坐标为谐波次数,标注[1]后的数字表示基波均方根值。
由图3可以看出,T1中性点无直流注入时,Ea、e都仅含有少量奇次谐波,当有直流注入时,均出现偶次谐波。随T1中性点注入直流的增加,Ea、e的谐波含量均将显著增大。以e的二次谐波为例,无直流注入时为0,当注入直流14.2 A时则达10.14 V,而注入直流23.4 A时则增加到27.15 V。总体而言,2、4和5次谐波增加显著,7次谐波增加较缓。因该变压器低压绕组为三角形联结,所以相电压中三的倍数次谐波含量较少。
1.3 低压侧输出电压的谐波分析
根据电压总谐波畸变率(THDu)和第h次谐波电压含量(HRUh)的计算公式[10]:
可计算得出不同直流注入时e的总谐波畸变率(THDe)和e的2、4次谐波电压含量(HRe2、HRe4),如表2所示。这里,U1、Uh分别为基波及h次谐波的方均根值。
表2定量给出了T1在不同偏磁水平下35 k V线路侧的谐波含量。当偏磁电流为T1高压侧额定电流的3%、5%、10%、15%、20%时,e的总谐波畸变率THDe分别是无偏磁时的6.99倍、15.7倍、53.4倍、80.1倍、100倍。显然,处于偏磁状态的变压器已经成为系统的主要谐波源。对表2中HRe2、HRe4的数据进一步分析表明,当直流注入不为零时,e的偶次谐波含量较大,从数值上看,HRe2、HRe4的大小近似为THDe的1/2,与文献[1]的实测数据相符(文献[1]中表1、2的实测数据表明,北郊变电站和嘉禾变电站在偏磁情况下,其220 k V母线电压的HR4约为THD的1/2)。
1.4 直流偏磁对变压器影响的相关因素分析
当中性点注入直流为14.2 A时,计算表明,空载、额定负载以及150%额定负载情况下,e的总谐波畸变率分别为0.0912%、0.0811%、0.0790%,限于篇幅,未给出附图说明。这与文献[11]的试验结果相一致,直流偏磁对空载变压器的影响较负载时更严重。
保持其他条件不变,仅将T1改为三相组式变压器或三相三柱式铁芯结构,当额定负载下注入直流14.2 A时的谐波含量如图4所示。
对比图3(b),可以看出,三相组式变压器受偏磁影响最为严重,三相三柱铁芯结构的变压器受偏磁影响最小,这与文献[12]的分析相一致。
2 直流偏磁抑制措施的探讨
目前抑制直流偏磁的措施主要有:交流线路上装设串联电容器;变压器中性点串联小电阻接地;变压器中性点串联电容器接地;中性点反向电流注入抑制方法[13],等。以上措施在应用中都存在着不同程度的问题。其中的反向电流注入抑制方法,是在变压器中性点注入反向的直流电流,以消除偏磁电流对变压器影响,该方法不改动变压器的原有接线,利于运行安全,但是中性点注入直流电流的监测是个技术难点。电网电压谐波一般为奇次谐波,而直流偏磁状态下的变压器是电网电压偶次谐波的主要来源,且与中性点注入直流的大小有对应关系,考虑到交流电压的在线监测技术已较为成熟,则可通过检测变压器输出电压的偶次谐波来确定反向注入电流的大小,实现起来较为容易。这为发展基于反向注入电流的直流偏磁抑制方法,提供了有价值的思路,但需要进一步深入研究。
4 结论
1)采用PSCAD/EMTDC提供的UMEC变压器仿真模型,能准确模拟其非线性励磁特性,并可根据变压器的不同结构,充分考虑变压器饱和磁通在相内、相间的耦合作用。
2)直流偏磁状态下,变压器输出电压存在奇次和偶次谐波,且后者含量较高。输出电压的总谐波畸变率随中性点注入直流电流的增加而增大,且与变压器结构及负载状况有关。中性点注入直流对高次谐波影响不明显。
直流偏磁 篇6
直流偏磁是指变压器的一种非正常工作状态, 即在变压器励磁电流中出现了直流分量[1]。引起变压器直流偏磁的主要因素有高压直流输电单极运行和太阳风暴引起的地磁感应电流。单极运行的高压直流输电是以大地返回方式运行, 接地极电流会通过变压器中性点流过变压器绕组产生直流偏磁[2]。由太阳风暴引起的地磁感应电流频率较低, 一般为0.01-0.1Hz之间, 相对于工频电流来说, 可以看作为准直流, 经变压器中性点流入电网[3]。GIC本身在电网中流通并不会产生很大危害, GIC衍生的变压器效应危害更大, 如无功损耗、谐波、噪声等效应, 严重时可引发电网停电事故, 产生国民经济损失[4]。其中变压器振动噪声、发热等效应属长期积累效应, 在很大的GIC下会导致变压器一次性损坏。变压器无功的短期效应明显, 受侵害范围内变压器同时受影响, 使电网产生无功波动的可能性大, 危害电网的安全运行[5]。
随着特高压直流输电工程的建设和发展, 因变压器直流偏磁而引发的不利影响在特高压输电工程投运阶段及运行中时有发生, 迫切需要研究直流偏磁对大型主变的影响及偏磁程度, 进而制定相应的改进或抑制措施, 确保电网的安全可靠运行。为此, 本文通过PSCAD仿真软件搭建500k V自耦变压器仿真模型, 分析GIC对变压器励磁电流、无功功率损耗以及谐波等的影响程度。
1 变压器直流偏磁分析
正常变压器由于励磁电流较为合适, 使得变压器运行在较为稳定的情况下, 而当变压器由于注入了直流电流后, 由于直流电流会在变压器铁芯中产生一个直流磁通与变压器原有的励磁磁通进行叠加是得变压器铁芯进入饱和状态, 其产生的直流磁通的大小可用公式表示为:
式中, 为地磁感应电流在变压器中产生的感应电动势。这样一来变压器的励磁电流由于注入的直流电流而发生畸变如图1所示。
当变压器发生直流偏磁之后, 由于其存在的直流磁通使得变压器的铁心达到饱和的状态, 导致变压器的励磁电流发生较大程度的改变, 使得励磁电流的波形呈现为尖顶波的形状, 并便随有大量的谐波产生, 导致变压器的无功功率损耗大幅度上升, 系统电压发生改变, 引起继电保护元件的错误动作, 使得整个电力系统处于混乱的状态。除此之外变压器直流偏磁之后, 由于变压器的励磁电流发生严重的畸变, 使得变压器绕组以及铁心过热, 烧毁变压器的相关元件, 引起绝缘老化, 机械结构反应迟钝, 直接影响着变压器的使用寿命甚至可能导致变压器的毁坏。
而当发生直流偏磁较为严重时可能会使得变压器退出系统的正常运行, 使得电力传输中断, 产生大规模停电事故, 产生难以估量的经济损失。
2 仿真分析
本文在PSCAD仿真环境下搭建了500k V自耦变压器仿真模型, 详细参数见文献[6]。
2.1 励磁电流分析
通过仿真模型不断改变注入变压器的直流电流进行分析计算变压器励磁电流和磁通的变化情况来说明引起的偏磁程度, 具体见表1所示。
表1所示的数据可以清楚的反映出随着直流电流值得不断增加, 变压器的励磁峰值电流不断增加, 形成明显的尖顶波, 其磁通也随着直流电流的增加其饱和程度不断加深。
2.2 谐波分析
变压器在不同GIC下, 其励磁电流的谐波成分及其总谐波失真分析如表2所示。
从表2可以看出, 当直流电流注入变压器后由于励磁电流发生畸变会产生大量的谐波, 会导致变压器工作异常, 可能引起变压器发生故障, 对电力系统造成一定的损失。
2.3 无功损耗分析
变压器直流偏磁引起励磁电流畸变, 必然会造成无功功率损耗的增加。然而, 注入直流电流会引起变压器无功功率损耗存在什么样的关系值得研究, 为此, 本文通过仿真模型计算出输入直流电流与变压器无功损耗的值如表3所示。
从表3可以看出, 变压器的无功功率损耗主要原因是直流电流通过变压器中性点流入变压器铁心后产生相应的直流磁通, 这会使得变压器铁心向着饱和的方向发展, 产生直流偏磁, 增加变压器的无功功率损耗。而直流磁通又会在变压器励磁电流中感应出相应的直流励磁电流分量, 使得变压器饱和近一步加剧再一次加剧铁心的饱和程度, 使得铁心电抗增加, 变压器无功损耗也随之增加。
3 结论
通过对变压器在直流偏磁下的励磁电流、谐波成分以及无功功率损耗的分析和仿真可以得出如下结论:
变压器的励磁电流会在某一个方向产生饱和, 使得励磁电流波形产生半波饱和的现象, 使得变压器运行点发生变化, 影响电力系统的正常运行;
变压器中会产生大量谐波, 使得变压器频率发生波动, 变压器损耗增加, 变压器运行不正常最终引起变压器故障;
变压器在遭受直流偏磁后其无功功率损耗会急剧增加, 会引起局部节点电压偏低, 严重时会促使电力系统电压失稳, 甚至会造成电力系统电压崩溃, 导致大面积停电事故发生。
摘要：为分析电网自耦变压器遭受直流偏磁的影响, 本文应用PSCAD电磁暂态仿真软件搭建了自耦变压器仿真模型, 分析了直流偏磁对变压器励磁电流、无功功率损耗以及谐波等的影响程度。仿真结果表明了, 随着直流偏磁电流的增加, 励磁电流波形逐渐变为尖顶波且谐波含量较大, 同时, 无功功率损耗也与直流偏磁电流呈线性关系增加。本文的研究成果可为今后国家大型电力网络建设提供一定的参考依据。
关键词：电网,自耦变压器,直流偏磁,磁滞特性
参考文献
[1]苑舜, 王天施.电力变压器直流偏磁研究综述[J].高压电器, 2010, 46 (3) :83-87.
[2]钟连宏, 陆培均.直流接地极电流对中性点直接接地变压器的影响[J].高电压技术, 2003, 29 (8) :12-13.
[3]刘连光, 刘春明, 张冰, 等.中国广东电网的几次强进暴影响事件[J].地球物理学报, 2008, 51 (4) :976-981.
[4]Albertson V D, Thorson J M, Clayton R E, et al.Solar-induced-currents in power systems:cause and effects[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1973 (2) :471-477.
直流偏磁 篇7
在交直流线路相邻架设,特别是交流线路发生不对称故障时,由于线间的互感会导致直流线路上感应产生纵向的工频电压与电流[1,2,3]。另外,当换流变压器交流网侧存在二次谐波扰动时,也会在直流线路中产生一个基波电流[4]。且经过换流阀有规律的通/断,直流侧工频电流会在换流变的阀侧感应出叠加的直流电流分量,从而引起换流变铁芯不对称饱和。由于变压器铁芯的非线性,使得励磁电流严重畸变,从而引起振动,噪声增大,内部铁芯过热等问题,对变压器的正常工作与运行寿命产生影响。
目前的文献中对直流偏磁的研究主要围绕直流端极大地运行和地磁感应等因素导致的接地极电位偏移现象[5,6,7,8],且已有的研究主要以仿真试验为主[9,10,11],未就直流偏磁引起的换流变三相饱和情况作具体的计算分析。文献[12]虽对变压器二次侧绕组中直流电流的影响作了计算,但仅讨论了单相空载变压器的情况。
本研究首先计算单相变压器直流偏磁下的偏置磁通与励磁电流,再将其结论应用于三相组式变压器,并讨论Y-Δ接线的影响,最后在Matlab中进行仿真分析。
1 单相变压器直流偏磁计算
直流偏磁下的单相变压器模型与等效电路如图1所示,则根据安培环路定律可得:
N1i1-N2(Idc+ild2)=Hl (1)
设铁芯的励磁曲线为im=f(ψ1),由式(1)得:
N1(im+ild1)-N2(Idc+ild2)=f(ψ1-ψ0) (2)
由于直流电流无法直接转变,为了保持两边的磁势平衡,一次侧主磁链ψ1会在原正弦磁链ψac的基础上感应出一个相同的直流磁链ψ0来平衡二次侧直流电流Idc的影响。故有:
ψ1=ψac+ψ0 (3)
式(2)可简化为:
N1im-N2Idc=f(ψac) (4)
式中 f(ψac)—负荷磁链对应的励磁电流,为正负对称的交流量。
两边积分可得:
∫undefined(N1im-N2Idc)dt=0 (5)
从电流的角度看,铁芯不对称饱和后产生了偏置的励磁电流,而其中的直流分量,即用于抵消Idc的影响。
由图1(b)可知,励磁电压Um=e-(Ls+Lσ)di1/dt,由于励磁电流相对于负荷电流很小,i1≈ild,故Um可看作定值,且:
ψac=∫Umdt (6)
代入式(4)可得到:
∫undefinedundefined (7)
求解式(7)即可得出Idc所产生的直流磁链ψ0,进而由式(3)、式(6)解得ψ1与励磁电流im。
2 三相直流偏磁计算
假设直流线路中叠加的工频电流分量为iac=Iacsin (ωt+φac),在等间隔触发且忽略换相角的理想工况下,该电流会在换流变阀侧产生一个直流电流分量:
undefined (8)
式中 p—A、B、C相,φp=0°、120°、240°;α—整流侧滞后角。
而在Y-Δ接线的换流变压器中(如图2所示),进入各相绕组的直流电流发生了改变,可以算得其三相直流为:
undefined (9)
其中,由于Y-Δ换流变的两侧变比为Y-Y接线的undefined倍,因而I′dcp与Idcp产生的直流磁势幅值相等,相位角差30°。故当φac+φp+α=150时,两个换流变在p相的直流分量均为undefined,此时流入该相交流侧系统的偏置励磁电流最大,谐波干扰也最严重。
在直流输电中,换流变压器多采用三相组式[13],其各相磁路相互独立,将I′dcp和Idcp分别代入式(7)即可求得各相的励磁情况。且当三相负荷电流对称时,流入变压器一次侧中性点接地极的电流就等于三相励磁电流之和。
3 计算结果分析
本研究以CIGRE标准直流系统中的组式换流变压器为例进行计算。变压器参数为:额定电压345 kV/213 kV,容量603.7 MVA,励磁电流1%。忽略系统与漏抗压降,以分段线性的三折线拟合其励磁曲线,如图3所示,ψsat=1.15ψm,斜率K1=89.7,K2=0.126。
计算得到的磁链直流分量ψ0与励磁电流im峰值随直流电流变化而变化的情况如图4所示,Idc折算至高压侧。由图可见Idc使得一次侧出现了很大的励磁电流,但随着直流的增大,铁芯饱和程度增加,使得单位Idc产生的直流磁链不断减小。
假设直流线路上叠加基波电流为iac=100 sin (ωt+20°) A,触发角α=0,根据式(8)可算得感应到换流变阀侧线路上的直流电流为:IdcA=18.9 A;IdcB=35.4 A;IdcC=-54.3 A。而对于Y-Δ接线,实际进入三相绕组的直流为I′dcA=-9.6 A;I′dcB=51.8 A;I′dcC=-42.2 A。此时Y-Y与Y-Δ换流变的三相励磁电流如图5所示。可见,在Δ绕组的影响下,三相的励磁情况发生了较大的变化。
由于三相饱和程度不同与铁芯的非线性,三相励磁电流相加后会在一次侧接地极产生一个零序电流(如图6所示),但由于三相直流电流之和始终为零,故该零序电流的直流分量也为零。因而目前普遍使用的在中性点串联电容以抑制直流偏磁的方法不适用于该类偏磁情况[14]。且文献[15]提出的中性点电位补偿方法对三相偏磁产生的是同方向的校正作用,必然会使一相直流偏磁更加严重。
4 结束语
本研究主要对由交直流线路互感引起的三相直流偏磁进行了计算分析,得出了以下结论:
(1) 直流磁通并不随直流电流的增大而线性增加,而是随着铁芯的逐渐饱和而趋于平缓。
(2) 直流线路上流过基波电流时会在换流变压器阀侧三相感应出不同的直流电流,导致变压器三相的直流偏磁程度不同,并且在Y-Δ连接下流入三相绕组的直流会发生变化。
(3) 三相不等的直流偏磁所产生零序电流的直流分量为零,这使得目前的直流偏磁抑制方法对交直流线路互感引起的偏磁并不适用,需要考虑其他针对该类直流偏磁的抑制方法。
摘要：为研究相邻架设的交直流线路互感在换流变压器中产生的三相直流偏磁情况,在计算了单相变压器二次侧直流电流所产生的偏置磁通与励磁电流的基础上,对直流线路基波电流引起的换流变阀侧直流电流及其在换流变三相产生的直流偏磁进行了分析,讨论了Δ绕组的影响,并在Matlab中对换流变三相励磁电流做了仿真计算。其结果表明:交直流线路互感引起的换流变三相直流偏磁大小不等,且会因Y-Δ连接而发生变化,而由此产生的变压器接地中性点零序电流的直流分量为零。
直流偏磁 篇8
当高压直流输电 (HVDC) 线路处于单极—大地回路方式运行时, 一般入地电流可达3 k A。地中直流会经由变压器中性点流入电力系统, 会引起电网中的电磁设备的直流偏磁现象[1]。此外, 在太阳活跃期时, 太阳黑子所产生的太阳风和射线会使地球磁场发生变化, 会在地磁场中感应出地磁感应电流 (GIC) , 许多现场的监测数据显示, GIC的幅值可达几百安培, 其频率一般在0.001~0.1 Hz, 与我国电网工频相比而言, 可以近似地认为GIC为直流电流, 由此, GIC流入电网也可能会引起直流偏磁现象[2,3,4,5]。目前电力系统中的保护用CT大多数都采用电磁式CT, 直流偏磁也可能对电磁式保护用CT产生不利的影响。由于直流偏磁电流流入电力系统首先进入变压器, 故当前很多研究直流偏磁对电力系统的影响都集中在变压器本体上, 而现场的情况是直流偏磁电流流入电力系统后首先经过的装置就是CT, 而目前的研究所涉及到直流偏磁影响CT的较少[6,7,8,9]。
对于电力系统安全稳定运行来说, CT能正确传变一次电流对于继电保护的可靠性有至关重要的意义。CT一次侧电流是50 Hz的工频电流, 当直流偏磁现象发生时CT一次侧电流中出现了直流电流, 且直流电流全部作用于CT励磁支路, 就有可能会引起CT的饱和, 一旦CT出现饱和现象, CT二次侧电流波形就会出现畸变、缺损, 进而可能会引起继电保护算法出现误差, 导致继电保护不正确动作[10,11,12,13]。
目前, 尽管我国电网在大力建设数字化变电站, 具有无饱和现象、抗干扰能力强的电子式CT也逐渐向电网推广使用, 但是电子式CT工作环境对温度、湿度及防止振动等要求较高, 并且, 目前电子式CT的成本较高, 在当前国情条件下大规模使用电子式CT的条件尚未成熟, 我国电网中使用电磁型CT必将会持续很长的一个时期[14,15,16]。随着我国不断大力发展高压直流输电以及太阳黑子活动活跃期的到来, 直流偏磁现象将会越来越严重, 电网所遭受直流偏磁影响的风险也在日益增加。深入研究直流偏磁对保护用CT的影响机理, 对于防范继电保护遭受直流偏磁影响, 确保电力系统安全稳定运行具有重要的现实意义[17,18]。
本文以实验用CT为例, 研究了直流偏磁对CT传变特性的影响, 在不同大小的直流偏磁电流的情况下, 仿真分析了直流偏磁条件下CT饱和特性, 并通过搭建实验电路对直流偏磁条件下电流互感器传变特性进行了相应的实验, 验证了理论分析的正确性。
1 直流偏磁等效分析模型
1.1 直流偏磁分析模型
如果在入地电流附近有中性点接地变压器存在, 地中电流会经由变压器中性点接地系统流入电力系统, 流经输电线路后会由相邻的变压器中性点接地系统流入大地, 由此与大地形成直流偏磁电流回路, 其流通示意图如图1所示。图1中Idc为直流偏磁电流, T1、T2为相邻两台中性点接地变压器, E1、E2为所在变压器中性点接地系统的直流等效电位, Z1、Z2为变压器接地阻抗, Z为输电线路阻抗。本文主要考虑直流偏磁对CT的影响, 本文中一律采用理想变压, 忽略直流偏磁对变压器的影响。
1.2 CT等效分析模型
当直流偏磁电流流入电力系统中时, 对电磁式CT影响最为严重, 本文根据电磁式CT特性作出等值电路如图2 (a) 所示, 图中Z1为一次阻抗, Z2为二次阻抗, Zen为二次负载阻抗, I1为折算到二次侧的一次电流, I2为二次电流, Ie为励磁电流, 通常为了分析方便, 忽略CT二次绕组的漏抗和铁芯损耗, 当二次负载为纯电阻R2时, 作出CT简化等效电路如图2 (b) 所示。
本文的分析模型采用建立在Jiles-Atherton理论上的CT模型, 通常情况下保护用CT在现场实际运行时, 我们比较关注它的暂态特性, 除了饱和深度与暂态特性有较大的联系之外, CT的励磁特性曲线本身决定了其暂态特性。根据文献[5]对J-A模型的描述, 相应的励磁特性曲线如图3 (a) 所示, 其中Bm为磁密的最大值, Br为CT剩磁大小, Hm为场强的最大值, Hc为矫顽力大小, 本文中将CT的电感分段线性等效如图3 (b) 所示。
2 直流偏磁对CT的传变特性影响
2.1 CT的励磁分析
根据图2所示的等效电路, 假设CT一次侧流过的电流为ip1=Imcosωt, 则折算到二次侧的一次电流为i1=ip1/k, 由图2 (b) 可知CT的二次时间常数τ2=Ln/R2, 根据CT的等值电路可得到
其中:k为CT变比, 有k=N2/N1;ie为CT的励磁电流, 通过式 (1) 可得到励磁电流为
此时CT中的Ln非常大, 故有二次常数τ2很大, 且一般情况下满足, 励磁电流中的非周期分量很小, 非周期分量会在较短时间内衰减, 可以忽略不计。此时周期分量的幅值也不是很大, 当前CT工作在线性区而未进入饱和区, 因此能够正确地传变一次电流。设此时CT的励磁磁通为Ф, 同时忽略CT的剩磁, 则根据CT的励磁基本方程:
其中, R2为CT的二次负载电阻, 可以得到
2.2 直流偏磁条件下CT励磁特性分析
当直流偏磁现象发生时, 流过CT一次侧的电流中就会叠加有直流电流, 此时流过CT一次侧的电流为ip1=Imcosωt+Idc, 同理, 根据CT的等值电路可得到CT的励磁电流与磁通关系式分别为式 (5) 、式 (6) 所示。
由于二次常数τ2较大, 通常可将CT的励磁电流化简为
由式 (6) 可以看出此时CT的励磁电流中含有两种频率的电流成分, 一种是工频电流作为励磁电流, 另一种是直流偏磁电流也进入CT铁芯作为励磁电流出现。
同时由CT的基本励磁方程可得到此时直流偏磁条件下的励磁磁通为
同理, 可将CT的励磁磁通化简为
由图3 (b) 可以看出, 当偏磁电流较小时, 等效电感L1处在未饱和区域的线性段, 此时CT铁芯中由直流偏磁电流提供的励磁电流和励磁磁通都很小, 因此在这种条件下直流偏磁电流不会对CT的运行工况产生实质性的影响, 此时的CT可以正常工作, 并能准确传变一次电流;当偏磁电流增加时, 此时CT铁芯中的磁链将会急剧增加, CT的工况发生较大变化, 直流磁通将会增加很多, 此时CT工作在饱和点附近, 工作特性变差, 从而CT不能准确传变一次电流, 二次电流波形开始畸变;当直流偏磁电流较大时, 此时会引起CT中的直流励磁电流和直流磁通将会大于工频电流所产生的励磁电流和励磁磁通, 此时CT会出现严重饱和特性, 并且二次电流波形明显畸变, 从而导致CT不能正确传变一次电流, 极大地威胁了电力系统继电保护的可靠性。
3 仿真分析
本文利用PSCAD/EMTDC仿真软件根据图1所示的原理图搭建了保护用CT的仿真模型, 相关参数为:110 k V输电线路, 额定电流为700 A。基于J-A模型的CT能较为准确地模拟铁磁材料的磁滞现象, 本文采用建立在J-A理论上的CT模型对电流互感器在直流偏磁条件下的工作特性进行仿真。主要参数为CT二次负载R=0.5Ω, X=0.8×10-3H。直流偏磁电流的模拟本文采用直流电源来提供, 并且通过定义直流偏移系数Kdc这一概念来定量地衡量直流偏磁电流对CT传变特性的影响。
由图4~图12可以得知, 在直流偏磁条件下, 二次电流波形会发生畸变, 随着偏磁电流的增大, 二次侧电流的畸变会越来越严重, 并且相位和电流出现偏差, 在对二次电流进行谐波分析之后可以看出, 当CT铁芯中出现直流偏磁电流时, 二次侧电流中出现了偶次谐波, 并且偶次谐波幅值的增长较奇次谐波幅值增长较为明显。当直流偏磁电流增加到一定程度之后偶次谐波中的二次谐波将大于奇次谐波中的三次谐波, 二次电流的畸变会随着直流偏移系数的增加越来越严重。同时也可以从图中看出, 直流偏磁条件下CT的铁芯中磁化曲线的第三象限部分会向原点方向移动。
此时, 可以明显地看出CT二次电流波形无畸变, 并且与一次电流相位相同, 比例误差在允许误差10%以内, 图5为Kdc=0时的二次电流基波与谐波的幅值与相位, 在这种情况下CT铁芯稳定工作在线性区, 能准确传变一次侧工频电流。
不同直流偏移系数时CT二次侧电流谐波的幅值和相位如表1所示, 其中M、P分别为所对应的幅值和相角。
4 实验分析
本文为了进一步验证理论分析的正确性, 根据图1搭建了实验电路。本文用台湾致茂电子公司的61511可编程交流电源供应器, 其可以提供任意频率和幅值的电流, 在实验中与采用工频与直流电流相叠加来模拟直流偏磁。示波器采用Tektronix MSO3034, 二次电流测量采用GWINSTEK GDM-8245, 电流源探头采用A621, 本文通过对不同型号的CT大量试验之后, 以试验用CT为样本进行分析, 其相关参数为:变比为20/5 A, 容量为10 VA。由于本文不考虑CT铁芯剩磁的影响, 在实验开始前先对CT进行去磁。
在实验中利用电流表统计出不同直流偏移系数条件下CT二次侧电流的有效值, 并利用Matlab作出直流偏移系数与二次侧电流的关系如图13所示。
从上图可以看出当Kdc小于0.025时, 二次侧电流有效值几乎没有变化, 此时偏磁电流对CT二次电流的影响不大, 当直流偏磁电流大于一次电流的2.5%时, 二次电流的有效值开始逐渐减小, 并且随着偏磁电流的增大, 其有效值呈线性减小的趋势。
其中不同偏移系数条件下的一次、二次电流波形及二次电流的谐波含有率分别如图14、图15所示。
图14为偏磁电流为0.1 A (Kdc=0.025) 时的二次电流波形和各次谐波的幅值相位图, 可以看出此时二次电流无明显畸变, 并且二次电流相位无明显变化, 但是谐波中出现了偶次谐波, 并且反映出基波幅值有所减小。
图15为偏磁电流是2 A (Kdc=0.5) 时的二次电流和谐波幅值实验结果, 此时可以看出二次电流已经严重畸变, 并且基波的幅值较未发生偏磁现象时下降40%, 反而其余各次谐波的幅值在线性增加, 此时二次电流相位较一次电流偏移119.4厘弧度, 电流误差达到-0.49, 通过大量实验数据不难发现, 在随着直流偏移系数增加时角差正方向增加, 而比差在朝着负方向增加。但是比差增长的幅度相比角差增长幅度而言小很多, 由此可见直流偏磁对CT的角差影响较比差明显。本文给出了角差和比差的部分数据如表2所示。
根据以上的实验数据可知, 当直流偏磁现象发生时, 若继电保护采用均方根算法时, 由于在偏磁条件下, 二次电流有效值会随着偏磁电流的增加而减小, 此时会明显地影响继电保护的正确动作, 若继电保护采用傅里叶算法时, 由于CT二次电流基波分量在减小, 此时对保护的正确动作也会产生相应的影响, 同时对于采用谐波制动方法的保护来讲, 由于谐波分量幅值的增加, 可能会导致继电保护失效, 本文统计了不同直流偏移系数条件下的二次电流各次谐波幅值如表3所示。
本文的实验验证在实验室中进行, 实际的实验现场布置如图16所示。
5 结论
本文根据CT的等效模型, 并依据CT的基本方程, 推导出直流偏磁条件下的励磁电流和励磁磁通的表达式, 从数学角度分析了直流偏磁对CT的影响。同时本文利用PSCAD/EMTDC仿真软件中的基于J-A理论的CT铁芯模型对直流偏磁条件下的CT传变特性进行仿真分析, 最后通过搭建实际电路进行实验分析, 本文的分析结果可作为保护用CT选用的参考依据。
(1) 基于CT的T型等值电路推导了直流偏磁条件下的励磁电流和磁通表达式, 通过对直流偏磁条件的CT进行仿真可以看出其磁化曲线会朝着原点方向移动, 当偏磁电流增加时, CT铁芯会出现严重饱和状态, 磁化曲线在第三象限中的面积会变小。
(2) 直流偏磁条件下CT的二次侧电流会发生畸变, 并且随着偏磁电流的增加二次侧电流的畸变会越来越严重, 并且出现了谐波。
(3) 通过具体的实验装置对保护用CT进行实验分析, 实验结果表明, 当Kdc小于0.025时, 二次电流的有效值基本上不受偏磁电流的影响, 当随着直流偏移系数增大时, 二次电流有效值呈线性减小;同时对二次电流进行傅里叶分析不难发现, 随着直流偏移系数的增加基波分量在减小, 同时二次电流中出现了偶次谐波, 各次谐波分量在增加, 当Kdc大于0.05时二次谐波幅值大于三次谐波, 二次电流波形也在随着Kdc的增加畸变会越来越严重, 并且随着直流偏移系数的增加相角误差正向偏移、比例误差负向偏移, 从实验数据可以看出直流偏磁对相角误差的影响较比例误差大。
当前条件下, 直流偏磁现象发生的频率较低, 尚未引起人们普遍关注, 但是随着太阳活跃期的到来和我国高压直流输电工程的飞跃式发展, 直流偏磁现象会越来越严重, 将会严重威胁继电保护的正确动作, 为了确保电网的安全稳定运行, 应当值得电力系统科研工作者对其进行深入研究。
摘要：保护用电流互感器 (Current Transformer, CT) 对电力系统继电保护的动作特性影响很大。直流偏磁会对CT的传变特性产生影响, 利用其T型等值电路推导出了直流偏磁条件下的励磁电流和磁通的表达式。通过PSCAD/EMTDC仿真软件对不同直流偏移系数条件下的CT传变特性进行仿真分析, 结果表明, 偏磁条件下CT的磁化曲线第三象限部分会减小, 二次电流波形也会发生畸变, 同时二次电流中谐波幅值也在增加, 当偏磁电流增加到一定值时二次谐波将会大于三次谐波, 随着直流偏移系数的增加各次谐波也呈线性增长, 而基波幅值在减小。同时, 设计了交流叠加直流的实验电路来模拟直流偏磁现象以对保护用CT的传变特性进行实验分析。实验结果表明, 在偏磁条件下CT不能正确传变一次电流, 在偏磁条件下CT二次电流有效值会减小, 同时基波幅值也相应减小, 而其余各次谐波的幅值呈线性增加, 对角差的影响较电流误差而言更为严重。由此可见, 直流偏磁改变了保护用CT的传变特性, 对采用基波分量算法及谐波制动方案类型的保护构成严重威胁, 降低继电保护的可靠性。