直流輸電接地極電流對電力變壓器的影響

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直流輸電接地極電流對電力變壓器的影響 中南電力設計院 曾連生 摘要:本文簡要地介紹了 HVDC 輸電系統(tǒng)對接地極的要求、接地極作用和極址選擇方法，重點介紹了接地極地電流對附近電力變壓器磁飽和影響機理、流過電流變壓器繞組直流電流的計算方法；提出了不同容量和類型電力變壓器允許通過的直流電流的判別、消除或緩解直流接地極電流對電力變壓器磁飽和影響的方法。 1 概述 隨著我國國民經(jīng)濟和電力工業(yè)不斷地發(fā)展，高壓直流輸電技術得到迅速發(fā)展，且正在成為我國電力輸電系統(tǒng)中重要組成部分。 高壓直流輸電系統(tǒng)以大地返回運行是直流輸電主要運行方式之一，也是直流輸電優(yōu)點之一。但隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和輸電容量的增大，人們正面臨著一個急需要解決的問題,即防止或減少直流接地極地電流對電力變壓器磁飽和影響。 2 直流輸電對接地極的要求 2.1 接地極的作用 迄今為止,我國已投入運行的 HVDC 系統(tǒng)，都是雙極兩端接地方式，如圖 1 所示。接地極的作用一是鉗制中性點電位，二是為直流系統(tǒng)在以大地返回運行時提供電流通路。 (1)單極大地回線方式。在 HVDC 系統(tǒng)建設初期，為了盡快地發(fā)揮經(jīng)濟效益，往往要將先建起來的一極投入運行；直流送電線路投入雙極運行后，當一極故障退出運行時，為了穩(wěn)定系統(tǒng)，提高系統(tǒng)供電可靠性和可用率，健全極將繼續(xù)運行。此時，直流系統(tǒng)可處于單極大地回線方式運行，流過接地極的電流等于線路上的運行電流。 (2) 雙極對稱運行方式。對于雙極兩端中性點接地方式，當雙極對稱運行時，在理想的情況下，正負兩極的電流相等，地中無電流。然而，在實際運行中，由于換流變壓器阻抗和觸發(fā)角等偏差，兩極的電流不是絕對相等的，有不平衡電流流過接地極。 (3) 同極并聯(lián)大地回線運行方式。同極并聯(lián)運行是將兩個或更多的同極性電極并聯(lián)，以大地為回線運行方式。顯然該系統(tǒng)流過接地極的電流等于流過線路上電流的總和。同極并聯(lián)運行的優(yōu)點是節(jié)省電能，減少線路損耗。 2.2 接地極運行特性 直流輸電大地回線方式的優(yōu)點是顯而易見的，但可能帶來的負面效應引起足夠的注意。 （1）電磁效應。當強大的直流電流經(jīng)接地極注入大地時，在極址土壤中形成一個恒定的直流電流場，并伴隨著出現(xiàn)大地電位升高、地面跨步電壓和接觸電勢等。這種電磁效應可能會帶來下列影響：①直流電流場會改變接地極附近大地磁場，可能使得依靠大地磁場工作的設施（如指南針）在極址附近受到影響②大地電位升高，可能會對極址附近地下金屬管道、鎧裝電纜、具有接地系統(tǒng)的電氣設施（尤其是電力系統(tǒng)）等產(chǎn)生負面影響。因為這些設施往往能給接地極入地電流提供比土壤更好的泄流通道③ 極址附近地面出現(xiàn)跨步電壓和接觸電勢，可影響到人畜安全。因此為了確保人畜安全，必須將其控制在安全范圍之內。 （2）熱力效應。由于不同土壤電阻率的接地極呈現(xiàn)出不同的電阻率值，在電流的作用下，電極溫度將升高。當溫度升高到一定程度，土壤中的水分將可能被蒸發(fā)掉，土壤導電性能將會變差，電極出現(xiàn)熱不穩(wěn)定，嚴重時可使土壤燒結成幾乎不導電的玻璃狀體，電極可能喪失運行功能。因此，對于陸地(含海岸) 電極，希望極址土壤有良好的導電和導熱性能，有較大的熱容系數(shù)和足夠的濕度，這樣可以保證接地極在運行中有良好的熱穩(wěn)定性能。 （3）電化效應。眾所周知，當直流電流通過電解液時，在電極上便產(chǎn)生氧化還原反應；電解液中的正離子移向陰極，在陰極和電子結合而進行還原反應；負離子移向陽極，在陽極給出電子而進行氧化反應。大地中的水和鹽類物質相當于電解液，當直流電流通過大地返回時，在陽極上產(chǎn)生氧化反應，使電極發(fā)生電腐蝕。 第 1 頁共 5 頁 2.3 對極址的要求 根據(jù)接地極運行時表現(xiàn)的特性，并考慮到接地極運行特性和地中電流分布情況，極址一般應具備下列條件。 （1）離開換流站要有一定距離，但不宜過遠，通常在 20～60 公里之間。過近則換流站接地網(wǎng)易拾起較多的地電流，影響電網(wǎng)設備安全運行和腐蝕接地網(wǎng)；過遠會增大線路投資和造成換流站中性點電位過高。此外，離開重要的交流變電所也要有足夠的距離，一般應大于10km。 （2）有寬闊而又導電性能良好( 土壤電阻率低)的大地散流區(qū)，特別是在極址附近范圍內，土壤電阻率應在 100 歐米以下。這對于降低接地極造價，減少地面跨步電壓和保證接地極安全穩(wěn)定運行起著極其重要的作用。 （3）土壤應有足夠的水分，即使在大電流長時間運行的情況下，土壤也應保持潮濕。表層(靠近電極) 的土壤應有較好的熱特性(熱導率和熱容率高)。接地極尺寸大小往往受到發(fā)熱控制，因此土壤具有好的熱特性，對于減少接地電極的尺寸是很有意義的。 （4）附近無復雜和重要的地下金屬設施，無或盡可能少的具有接地電氣(如電力、通訊)設備系統(tǒng)。以免造成地下金屬設施被腐蝕或增加防腐蝕措施的困難；避免或減小對接地電氣設備系統(tǒng)帶來的不良影響和投資。 （5）接地極埋設處的地面應該平坦，這不但能給施工和運行帶來方便，而且對接地極運行性能也帶來好處。 （6）接地極引線走線方便，造價低廉。 3 接地極址的選擇 接地極極址的選擇是設計接地極過程中最重要的環(huán)節(jié)，一旦極址被確定，地電流對環(huán)境的影響基本確定，與接地極造價及運行性能有著密切關系的土壤物理參數(shù)也基本確定。為了使接地極在持續(xù)的大電流情況下，也能穩(wěn)定地運行，并且不影響或盡可能少影響其它設施，降低接地極造價，合理地選擇極址是十分重要的。接地極址的選擇過程是一個復雜的過程，它包括發(fā)現(xiàn)極址，極址論證與優(yōu)化，大地物理參數(shù)測定，是一環(huán)扣一環(huán)的總流程。按照與換流站同步要求，極址選擇也可分為規(guī)劃選址和工程選址兩個階段。 3.1 規(guī)劃選址 設計人員先收集資料并根據(jù)收集的資料和設計經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)極址是本階段的主要工作目標。向有關部門收集的資料應包括以下內容。 （1）地形圖(1：50000)或航測照片。通過地形圖或航測照片可以知道地形和地貌情況，從而可以很快地發(fā)現(xiàn)適合于設立接地極的地點。 （2）地質結構資料。地質結構資料調查是非常重要的，除了可以通過調查的資料(巖石或土壤的性質及其厚度)宏觀地估價出可行性和地中電流的分布外，還可以借助資料或經(jīng)驗估計出土壤電阻率，熱導率和熱容率等參數(shù)。 （3）地面水文和地下水文資料。地面水文資料主要是用來了解有否洪水對極址沖刷構成威脅；地下水文資料則是用來確定是否有足夠豐富的地下水來保證電極在大電流長時間運行條件下，極址土壤始終保持潮濕。 （4）地溫。地溫系指地下(幾米)深處的溫度，其值決定了電極最大允許溫升值。通常在10～50 公里范圍里地溫差別不大，但在有些地方（有溫泉）則不然，地溫差別可達十幾乃至幾十度。 （5）通訊、電力、地下金屬設施。接地極在運行中，對附近的接地電氣設備系統(tǒng)和地下金屬設施的安全運行會帶來影響。收集這方面資料的作用有兩個：其一，使極址盡可能遠離這些設施；其二，根據(jù)這些設施的規(guī)模和接地方式等，計算對它們影響的程度。 （6）其它資料。在某些情況下，需要進行特殊參數(shù)的測量。譬如：在沿海地區(qū)，應對土第 3 頁共 5 頁 壤或水進行含鹽量分析；對于固定的陽極，應對土壤進行滲透參數(shù)的測量；對極址土壤或水進行酸堿度分析，提出 pH 值等。 根據(jù)上述資料進行可行性研究，并結合經(jīng)濟綜合分析，確定出可行的極址若干處，然后對可行的極址進行踏勘，并對一些重要的參數(shù)，如土壤電阻率、土質、地下水位等，進行初步測試和勘探，擇優(yōu)決定“初選極址” 若干處。 3.2 工程選址 本階段的主要工作目標是對初選的若干極址進行技術論證和經(jīng)濟比較，提出推薦極址。 （1）測量土壤（大地）電阻率。土壤（大地）電阻率是設計接地極的重要參數(shù)，它直接影響到接地極運行性能和造價，也影響到地電流對環(huán)境影響的計算。 （2）概念設計。根據(jù)各極址的地形情況，擬定出電極形狀、尺寸和埋深，計算出接地電阻、電流分布、地面最大跨步電壓和熱時間常數(shù)等主要技術參數(shù)，估算出材料用量。 （3）評估地電流對環(huán)境的影響。計算地電流對環(huán)境的影響是極址論證階段的中心工作，必須根據(jù)每個初選的極址環(huán)境情況，通過計算，評估地電流對電力系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，地下金屬管道或鎧裝電纜，鐵路等設施有否影響。對于有影響的系統(tǒng)，提出緩解(或解決) 的措施及可能發(fā)生的費用。 （4）擬定接地極引線路徑。在 1：50000 地形圖上擬定出各初選極址至換流站架空線路路徑，量出線路長度，并根據(jù)其長度，沿途經(jīng)過的地貌，地質及交通等情況，估算出各初選極址的接地極引線所需要的建設費用。 （5）商辦協(xié)議。針對各初選極址，了解地方規(guī)劃，與地方政府和有關部門簽訂協(xié)議。征得地方政府的同意，求得地方政府的支持，這也是極址論證中的一個重要工作，這項工作往往要設計人員付出更大的努力。 （6）編寫選址報告。選址報告是極址選擇和極址論證工作結果的具體體現(xiàn)，其內容除了客觀地反映上述工作內容外，還應進行技術經(jīng)濟比較，并在此基礎上提出推薦極址。 4 地電流對電力變壓器的影響 當強大的直流電流經(jīng)接地極注入大地時，在極址土壤中形成一個恒定的直流電流場。假若變電站位于接地極電流場范圍內，那么在場內變電站間會產(chǎn)生電位差，直流電流將會通過大地、交流輸電線路， 由一個變電站(變壓器中性點) 流入，在另 —個變電站(變壓器中性點)流出。如果流過變壓器繞組的直流電流較大，可能引起變壓器鐵心磁飽和，具體表現(xiàn)為： （1）噪音增大，振動加劇。當變壓器線圈中有直流電流流過時，勵磁電流會隨著直流電流的增大會急劇增大，從而噪音隨之增大。此外，勵磁電流中增加的諧波成分，會使變壓器噪音頻率發(fā)生變化，甚至可能會因某一頻率與變壓器結構部件發(fā)生共振使噪音急劇增大，振動加劇。（2）變壓器銅耗增加。變壓器銅耗包括基本銅耗和附加銅耗。前面已提到，在直流電流的作用下，變壓器勵磁電流可能會大幅度地增加，因此變壓器基本銅耗可能會急劇增加。 （3）變壓器鐵耗增大。變壓器鐵耗包括基本鐵耗（磁滯和渦流損耗）和附加鐵耗（漏磁損耗） ?；捐F耗與通過鐵芯磁密的平方成正比，和頻率成正比。對于采用 Yo/Δ 和 Yo/Δ/ Yo接線的變壓器，盡管勵磁電流包含著諧波分量，由于主磁通仍然維持著正弦波，因此變壓器繞組中的直流電流不會對基本鐵耗（鐵芯中的磁滯和渦流損耗）產(chǎn)生明顯的影響。然而由于勵磁電流進入了磁化曲線的飽和區(qū)，使得鐵芯和空氣的導磁率接近(μ→μo),從而導致變壓器的漏磁大大地增加。變壓器漏磁通會穿過壓板、夾件、油箱等構件，并在其中產(chǎn)生渦流損耗，即附加鐵耗。附加鐵耗會隨著鐵芯磁密的增加而顯著增加。附加鐵耗應引起重視，即使在無直流情況下，大型變壓器的附加鐵耗與基本鐵耗相當，甚至更大，這意味著隨著變壓器繞組中直流分量的增加，變壓器的附加鐵耗會增加。 解決上述問題，我們認為需要多方面共同努力，具體如下:第 4 頁共 5 頁 4.1 選擇合適的極址（位置） 合理選擇極址位置是避免地電流對電力變壓器磁飽和影響的有效途徑。過去，人們只提到將接地極選擇在離開換流站 8-50km 范圍內，但隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)接線變得越來越復雜、龐大，本文認為，僅用一個距離參數(shù)來判斷極址位置是否合適是不夠的，應通過采用網(wǎng)絡法計算流過電力系統(tǒng)各變壓器中性點地電流，擇優(yōu)選擇極址。 采用網(wǎng)絡法需要建立等值網(wǎng)絡。建立等值網(wǎng)絡應包括那些變電站？范圍是多大？過去以離開接地極距離為判據(jù)是不可靠的。譬如：某一接地極周邊電力系統(tǒng)接線如圖 3 所示，其中 A(A1,A2,A3 相距很近),B,C 為變電站名稱（位置） 。A1 A2 B C A3 接地極 圖 3 容易看出，在接地極電流場作用下，變電站 A（A1,A2,A3）吸取直流地電流；變電站 B可能吸取電流，也可能釋放電流，取決于與變電站 A 的距離；變電站 C 會釋放直流電流。 如果變電站 B 與變電站 A 相距較近（B 點電位較高） ，變電站 B 吸取電流，那么流過變壓器 C 的電流將等于變壓器 A 和 B 之和（遠處變電站更容易受到影響） 。在此情況下，與變電站 B 相關聯(lián)的變電站 C（無論多遠）應納入計算網(wǎng)絡。如果變電站 B 與變電站 A 相距較遠（B 點電位較低） ，變電站 B 釋放電流。當 B 點電位低于某一數(shù)值(<5V)，流過變電站 C 的電流一般可以忽略不計。 由此可見，流過各變壓器繞組的直流電流大小不僅僅與接地極的距離相關，同時與極址土壤導電性能、電力系統(tǒng)網(wǎng)絡接線及其參數(shù)（如變電站接地電阻，導線型號及長度、變壓器容量及臺數(shù)等）有關。在一個變電站里單臺運行的變壓器比多臺投運的變壓器更容易受到影響；靠近接地極變電站和與接地極成徑向布置的變電站較其它方向布置的變電站容易流過更多的地電流。 4.2 制定評判標準 嚴格地講，對于中性點接地的變壓器，在地電流場的作用下，中性點一般總是有直流地電流流過的。電力變壓器能容許多大的直流電流？迄今為止世界上還沒有一個明確的標準。由于變壓器容許多大的直流電流在很大程度上取決于變壓器設計，即其值與變壓器結構、鋼芯材料、磁通密度取值等因素有關，因此變壓器允許多少直流電流，應向制造廠家咨詢。 基于解決工程問題，特別是在選擇接地極址階段，工程師們很希望有一個判別“標準” ，以判別接地極地電流對變壓器有否影響。對此，下列信息可為之提供參考。 （1）在“葛上”直流工程中，加拿大 Teshmont 咨詢公司認為，流過變壓器驍組的直流電流小于勵磁電流的 1.5 倍是可以接受的 [4]。 （2）CIGR?導則[1] 認為，現(xiàn)代（高導磁率鐵芯）單相變壓器勵磁電流大約只有額定電流的0.1%（在三峽－常州±500kV 直流輸電工程技術文件中， ABB 對他們生產(chǎn)的換流變壓器承若：在額定電壓下，勵磁電流為額定的 0.15%；在 1.1 倍的額定電壓下，勵磁電流為額定電流的0.45%） ， CIGR?導則同時認為，當直流電流達到勵磁電流，可聽噪音將增加 10dB 當直流電流達到 4 倍于勵磁電流，可聽噪音將增加 20dB。 （3 ）我國國標規(guī)定，電力變壓器在超過 5%的額定電壓下也應能長期安全運行，此時的勵第 4 頁共 5 頁 磁電流將較額定電壓下的勵磁電流大 50%。這意味著，只要流過變壓器繞組的直流電流所引起的勵磁電流增量不大于 50%，直流電流對變壓器的影響肯定是可以接受的。 4.3 緩解措施 解決直流接地極地電流對變壓器影響的措施最好的方法是使接地極遠離變電站或保持合適的位置。然而在實際工程中，由于受到客觀條件的限制，可能會使得部分變壓器不可避免的受到影響，對此，可以根據(jù)情況選擇采取以下措施： (1)對于 110kV 變壓器并且不是每個變電站都接地的系統(tǒng)，可以調整變電站接地（讓受影響變電站不接地） 。譬如，廣東地區(qū)很多 110kV 變壓器是不接地的。 (2)對于尚未訂貨的變壓器，可以將計算得到的流過變壓器繞組的直流電流值及其持續(xù)時間寫進設備招標技術規(guī)范書，要求廠家滿足技術要求；或者要求制造廠考慮直流偏磁所引起的問題。 (3)對于已投運的變壓器，當計算得到的流過變壓器繞組的直流電流值大于允許值時，可以在受影響變壓器的中性點串接一個合適的電阻或電容或阻塞器，減少或隔斷直流電流。如新西蘭 Benmore 換流變受 Rog Roy 接地極影響，在換流變中性點串接了 20Ω 電阻；在印度東部（Talcher）-南部(Koler)直流工程中，Koler 換流變中性點串接了阻塞器。但由于采取了這些措施，可能引起其它需要解決的問題，且增加了運行維護，所以需要業(yè)主同意。 (4)有條件的地方選擇海洋接地極或深井型接地極。 (5)盡可能地減少甚至取消單極大地回線運行方式。 參考文獻： [1] CIGRE Working Group 14.21-TF2,General Guidelines for the Design of Ground Electrodes for HVDC Links,2000 [2] [蘇]C.B.瓦修京斯基，變壓器的理論與計算，機械工業(yè)出版社，1983 [3] Magnetization Curveformer of 500kV Autotransformer at Zengcheng s/s，MITSUBISHI ELECTRIC(H.K.) LTD，1994.3.17 [4] Feasibility of Ground Electrode at Shanghai and Gezhouba for Extended Monopolar Operation，Teshmont Consultants Inc.,1984 第 5 頁共 5 頁