直流电位补偿法抑制变压器直流偏磁的研究

杜忠东1,董晓辉1,王建武2,何智强2

(1.国网武汉高压研究院,武汉430074;2.武汉大学电气工程学院,武汉430072)

摘 要:根据直流系统单极大地回线方式运行时变压器的直流偏磁原理,分析比较了现有几种抑制变压器直流偏磁的措施,运用直流电位补偿法原理进行了正、负电位补偿的模拟试验。试验表明直流电位补偿法能在一定程度上抵消系统单极运行流过变压器中性点的直流电流,抑制直流偏磁。且同等条件下正电位补偿电流的利用率大于负电位,但负电位补偿能对地网起到阴极保护作用。此外,还分析了补偿装置的布置及其对周边设施的影响,分析表明直流电位补偿法在现场实施中具有可操作性。

关键词:高压直流;变压器;直流偏磁;电位补偿;补偿电流;阴极保护

中图分类号:T M862文献标识码:A文章编号:1003 6520(2006)08 0069 04

Test and Analysis on Restraining Transformer DC Bias by Changing

Electric Potential of Grounding Grid

DU Zho ng dong1,DONG Xiao hui1,WANG Jianw u2,H E Zhiqiang2

(1.Wuhan H ig h Voltage Research Institute of SGCC,Wuhan430074,China;

2.Schoo l of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan430072,China) Abstract:T he transfor mers wo rking in a po wer sy stem are often affected by the DC bias.Based on fundamental o f transformer DC bias w hen the H V DC t ransmission sy st em o per ates in g round r etur n mo de,this paper giv es a study of the influence of the HV DC(H ig h V olt age Direct Curr ent t ransmission)g round electro de cur rent on neutral gr ounding transformer and analyze sever al measures restraining DC curr ent thro ug h transformer s neutrals w hich ar e co nnected t o earth near the co nv erter statio n of H VDC transmission sy stem.T hey include put ting a r esistor in ser ies betw een tr ansfo rmer neutral,putting a capacitor in series on A C tr ansmissio n line and putting a capacito r in ser ies betw een tr ansfo rmer neutral and g round.T he advantag es and disadv antag es o f these three measures is point out re spect ively.At the same time,a new measure named as the way o f DC electric potential compensation(relat e to posi tive electr ic po tent ial co mpensat ion o r neg ativ e electric potential co mpensation)to restr ain t ransfo rmer D C bias is pr oposed and sev eral co nclusions have been confir med by relev ant ex per iment s.T he tests show it is r esultful and feasible because a major ity o f DC cur rent t hr ough tr ansfor mers neutr als can be counteracted in a certain ext ent,and ther e is higher utilization ratio of compensat ion cur rent in positiv e electric po tential compensation test than in nega tive electr ic po tent ial co mpensation test,but latter can play a cathode pro tect ion ro le to gr ounding g rid.F ur ther mo re,t he collo cation of compensation dev ice and its impact o n periphera l facilities also ar e analyzed and demonstra ted.A conclusion can be obtained that t he w ay o f DC electric potential compensatio n is adv isable and exer cisable in pr act ice.

Key words:H VDC;transformer;DC bias;electr ic potential compensation;compensation current;cathode pr otection

0 引 言

当直流电流经接地极入地时,地中电流一部分由变压器接地的中性点和交流输电线路流到另一端变压器,并经该变压器的中性点入地产生直流磁通,使铁心磁化曲线不对称,加剧铁心饱和,导致变压器噪音增大,引起变压器铁心、螺栓、外壳等处过热,甚至使变压器损坏[1 4]。交流系统中因流入直流而产生的危害均由变压器的偏磁饱和引起。直流偏磁使变压器成了交流系统中的谐波源[5 12],引起变压器磁路饱和,励磁电流及变压器消耗无功增加,系统无功补偿装置过载或系统电压下降[13,14]。谐波流入系统使电压波形畸变、滤波器过载、继电保护误动、合空载长线时产生持续过电压、一相重合闸中潜供电流和断路器恢复电压增高。

目前拟制直流偏磁主要采取限流和隔直的方法,即:(1)中性点串联电阻;(2)中性点串联电容;

(3)线路串联电容[15,16]。本文采用直流地电位补偿法,向地网注入电流来升高或降低地网电位,以减小两变电站地网间的电位差并进行了试验研究。

1 补偿法原理

两变电站地网A、B处于接地极恒定电流场时,所处位置不同,使两地网间存在电位差,电流从高电位A地网通过变压器中性点经输电线路流向低电位B地网,造成中性点变压器的直流偏磁。此时,

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第32卷第8期

2006年 8月

高 电 压 技 术

H igh Voltag e Engineering

Vol.32No.8

Aug. 2006

若向地网注入一定直流电流来降低A 地网的电位或升高B 地网的电位将使两地网间的电位差减小,通过地网流过中性点接地变压器的直流电流也相应减小,一定程度上拟制了变压器的直流偏磁。图1为地网直流电位补偿原理图。补偿部分为一台直流电源向低电位地网注入直流电流I 。考虑分流影响,流入该地网的电流为I ,此时该地网电位值为:

U =I R =K I R ,

其中,K 为分流系数;R 为地网接地电阻。可见,如向高电位地网注入负电流时,地网电位相对零电位会降低。由于R 恒定,可通过改变I 来改变地网的

电位值。

图1 地网直流电位补偿法原理图

Fig 1 Schematic diagram of DC electric potential

compensation on the grounding grid

2 直流电位补偿法模拟试验2.1 试验设备组成及接线

试验设备组成及接线见图2,图中,回路1为受影响的试验回路,其中,G 1、G 2为某研究所电缆大厅和高压试验大厅地网,用来模拟两变电站地网;E 为12V/50Ah 的蓄电池,输出直流在G 1与G 2间形成电位差;T 1、T 2为串入直流的试验变压器;G 4为构成回路的接地装置。回路2为地网的正电位补偿部分,其中,380V 动力线A 、B 、C 接三相整流变压器(!/Y 11)原边输入端,副边输出端接可控硅整流电源A 、B 、C 输入端,经整流后输出0~500V 直流;钳型表用来测量直流输出电流;

直流输出负极接补

图2 正电位补偿试验设备接线图Fig 2 Simplified schematic of test on positive

electric potential compensation

偿接地极G 3;整流变压器是将交、直流两回路隔离。

由此可得图3正电位补偿试验回路的等值电路,图

中,R 为变压器和线路的等值电阻。

图3 正电位补偿试验回路等值电路Fig 3 Equivalent circuit diagram of test on positive

electric potential compensation

2.2试验步骤及结果分析

(1)试验步骤

首先利用直流电流注入法分别测得G 1~G 4的

接地电阻分别为:R G1=0.25 ,R G 2=0.22 ,R G3=0.21 ,R G4=0.21 。为研究直流电位补偿法升高地网G 2电位后的效果进行了3项试验:1)不加补偿回路时,测量G 1、G 2的电位及流过变压器的直流电流;2)加正电位补偿回路以升高G 2的电位后,流

过变压器直流电流的变化;3)在G 1处加负电位补偿回路以降低G 1的电位后,流过变压器直流电流的变化。等值电路见图4。

图4 负电位补偿试验回路等值电路

Fig 4 Equivalent circuit diagram of test on negative

electric potential compensation

(2)试验结果

当补偿回路向G 1注入电流时,测得回路2分流I 1及流过变压器中性点的电流I 2数据见表1。

表1 电位补偿抑制直流偏磁试验数据Tab.1 Test data of the way of electric

potential compensation

试验数据U G1/V U G2/V I s /A I 1/A I 2/A 不加补偿回路

5.05 2.01∀19.8612.57正电位补偿

5.81

4.681

5.622.83

6.086.18 5.6623.424.3 2.86.47 6.4129.325.40.326.59

6.7231.825.9-0.69负电位补偿

2.94 1.582

3.511.557.311.40.7540.4 5.5 3.490.130.075

4.510.510.32-0.116

0.063

57.23

-5.1

-0.29

从表中数据分析可知:

70 Aug.2006

H ig h Voltage Engineering Vol.32No.8

2)当补偿电流持续增大时出现过补偿,使变压器中性点的电流反向。实际运行中,电位补偿设备应加装变压器中性点电流检测装置,装置中的电流传感器从变压器中性点零序电流中检测出直流分量的幅值和极性,并与预先设定的中性点允许直流值比较,控制设备的直流电流输出。当检测值与允许值一致时,直流电流应保持恒定。当检测值变化时,直流电流输出值相应变化,并维持在变化后的恒定值。当检测电流为0时,直流地位补偿设备无直流输出,并处于待机状态。

3)正电位补偿时,随补偿电流的增大,G1的分流I1变大,电位升高,由不加补偿时的5.05V增大到最佳补偿时的6.47V,对系统的影响可忽略。负电位补偿时,两地网的电位同时降低。

3 直流电位补偿法的可行性及补偿设备的布置

3.1 直流电位变化对变电站设备运行的影响

1)在直流接地极单极大地回路运行方式下,对系统的影响主要是中性点直接接地变压器的偏磁影响,对变电站其它设备安全不构成威胁,即未采用地网直流补偿前,由于直流接地极运行,变电站地网的直流电位已升高或降低。

2)变电站地网是一整体,基本无直流电位差,对变电站内的二次保护不造成误动。

3)采用地网直流地位补偿设备,直流电位的升高或降低变化范围最大在数十V,对变电站设备的绝缘不产生影响。

4)直流电位补偿设备只是在直流系统采用单极大地回路方式运行时才投入工作,平时处于待机状态,不存在地网直流电位升高或降低。

3.2 避雷线分流对电位补偿效果的影响

当向变电站地网注入直流电流时,变电站架空避雷线存在分流影响,使部分直流电流不从地网流入大地,而直接从地网避雷线返回补偿接地极。受避雷线数、杆塔接地电阻等影响,变电站的分流系数各不相同,一般为0.1~0.5。解决避雷线的分流影响最好方法是增加补偿设备的容量。

3.3 直流电位补偿对变电站地网腐蚀的影响

正电位补偿时,电流由地网流入,由补偿接地极流出,即地网作为阳极运行,在电流流出地网的位置产生腐蚀。由试验分析可知,此时流过地网的直流为造成变压器直流偏磁的电流加上一部分补偿电流。经计算,此电流对地网造成的腐蚀量基本可忽略。负电位补偿时,电流由补偿接地极流入,由地网流出,这样地网可作为阴极被保护,不造成补偿电流对地网的腐蚀,还可减缓其它因素造成的地网腐蚀。因此,尽管负电位的补偿电流利用率低于正电位,但实际工程中有条件的地方还是应尽量考虑负电位补偿,以降低地网直流电位的方式运行,充分发挥其对地网阴极保护的作用。

3.4 补偿电流注入点位置选择

选取补偿电流注入点位置主要是向地网注流后,升高或降低地网直流电位,流入变压器中性点的直流分量,因此注入点应选择靠近在变压器中性点附近效果明显。

3.5 补偿接地极的设置

根据补偿接地极运行时的特性,并考虑地中电流分布情况和极址运行特性,极址一般距变电站有一定距离,有导电性能良好(土壤电阻率低)的大地散流区,同时馈地导线走线方便,造价低廉。极址附近无复杂和重要的地下金属设施,以免造成地下金属设施腐蚀或在地中构成良导体通道。

补偿接地极的形式及其布置可根据极址场地的土壤电阻率分布和地形因地制宜,可采用水平和垂直电极2种形式,接地极的埋深应满足跨步电压要求。当现场条件无法满足时应扩大地网、增加均压措施或在补偿接地极周围设置栅栏,使栅栏外地面最大跨步电压满足上述要求。

3.6 多台变压器直流电位补偿设备的布置

直流系统单极运行时,位于接地极附近不同位置的变电站均处于接地极入地电流产生的恒流场内,由于各变电站地网电位不同,存在直流偏磁,且因交流系统网络复杂,多座变电站地网间通过输电线路相连,当采用直流电位补偿设备对某一处于高电位变电站电位补偿时,虽降低了其相对低电位变电站地网的电位差,但同时也加大了比其电位更高变电站间的电位差,补偿效果不明显。因此,补偿设备的布置应综合考虑系统网络和各变电站相对接地极的位置等因素对补偿效果的影响。

4 结论

a)电位补偿法抵消变压器直流偏磁在原理上成立,效果明显,且在现场实施具有可操作性;

b)正电位补偿电流利用率高于负电位,但正电位补偿会造成地网腐蚀,而负电位补偿对地网起到

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2006年8月高 电 压 技 术第32卷第8期阴极保护作用,减缓其腐蚀,在条件允许时可考虑负电位补偿;

c)实际运行中要考虑地网、避雷线及变电站其它设备的分流影响,必要时应加大补偿容量,但不可过补偿,否则直流单极运行工况结束时易造成变压器更严重的直流偏磁;

d)设备补偿的布置应综合考虑系统网络和各变电站相对接地极的位置等因素对补偿效果的影响,从全局观念出发,合理规划。

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杜忠东 1960∀,男,1982年西安交通大学高压专业毕业,博士生,高工,长期从事防雷与接地的研究。E mail:duzd@whvri.co m

收稿日期 2006 05 10 编辑 蔡爱姣

(上接第61页)

3 讨论和结论

虽然发电机是外力做功获得电磁能的过程,空间电磁场角度的M FCG是通过压缩磁场体积而使磁力线密度变大的过程,电路模型的M FCG是通过减少电感以获得放大电流的过程。电磁场模型有助于MFCG合适结构和位形的设计;依照电路模型可精确模拟M FCG的工作过程和效率。

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47.

吕庆敖

吕庆敖 1968∀,男,博士,副教授,主要从事高功率

脉冲电源、电磁发射技术、低温等离子体物

理、新概念武器等课题的研究。电话:

(0311)87994683;E mail:l v qing a o@163.

com

收稿日期 2005 08 20 编辑 卫李静

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Aug.2006H ig h Voltage Engineering Vol.32No.8