直流输电接地极电流对电力变压器的影响.doc

直流输电接地极电流对电力变压器的影响 中南电力设计院 曾连生 摘要:本文简要地介绍了HVDC输电系统对接地极的要求、接地极作用和极址选择方法，重点介绍了接地极地电流对附近电力变压器磁饱和影响机理、流过电流变压器绕组直流电流的计算方法；提出了不同容量和类型电力变压器允许通过的直流电流的判别、消除或缓解直流接地极电流对电力变压器磁饱和影响的方法。 1 概述 随着我国国民经济和电力工业不断地发展，高压直流输电技术得到迅速发展，且正在成为我国电力输电系统中重要组成部分。 高压直流输电系统以大地返回运行是直流输电主要运行方式之一，也是直流输电优点之一。但随着电力系统的不断发展和输电容量的增大，人们正面临着一个急需要解决的问题,即防止或减少直流接地极地电流对电力变压器磁饱和影响。 2 直流输电对接地极的要求 2.1接地极的作用 迄今为止,我国已投入运行的HVDC系统，都是双极两端接地方式，如图1所示。接地极的作用一是钳制中性点电位，二是为直流系统在以大地返回运行时提供电流通路。 (1)单极大地回线方式。在HVDC系统建设初期，为了尽快地发挥经济效益，往往要将先建起来的一极投入运行；直流送电线路投入双极运行后，当一极故障退出运行时，为了稳定系统，提高系统供电可靠性和可用率，健全极将继续运行。此时，直流系统可处于单极大地回线方式运行，流过接地极的电流等于线路上的运行电流。 (2) 双极对称运行方式。对于双极两端中性点接地方式，当双极对称运行时，在理想的情况下，正负两极的电流相等，地中无电流。然而，在实际运行中，由于换流变压器阻抗和触发角等偏差，两极的电流不是绝对相等的，有不平衡电流流过接地极。 (3) 同极并联大地回线运行方式。同极并联运行是将两个或更多的同极性电极并联，以大地为回线运行方式。显然该系统流过接地极的电流等于流过线路上电流的总和。同极并联运行的优点是节省电能，减少线路损耗。 2.2接地极运行特性 直流输电大地回线方式的优点是显而易见的，但可能带来的负面效应引起足够的注意。 （1）电磁效应。当强大的直流电流经接地极注入大地时，在极址土壤中形成一个恒定的直流电流场，并伴随着出现大地电位升高、地面跨步电压和接触电势等。这种电磁效应可能会带来下列影响：直流电流场会改变接地极附近大地磁场，可能使得依靠大地磁场工作的设施（如指南针）在极址附近受到影响大地电位升高，可能会对极址附近地下金属管道、铠装电缆、具有接地系统的电气设施（尤其是电力系统）等产生负面影响。因为这些设施往往能给接地极入地电流提供比土壤更好的泄流通道 极址附近地面出现跨步电压和接触电势，可影响到人畜安全。因此为了确保人畜安全，必须将其控制在安全范围之内。 （2）热力效应。由于不同土壤电阻率的接地极呈现出不同的电阻率值，在电流的作用下，电极温度将升高。当温度升高到一定程度，土壤中的水分将可能被蒸发掉，土壤导电性能将会变差，电极出现热不稳定，严重时可使土壤烧结成几乎不导电的玻璃状体，电极可能丧失运行功能。因此，对于陆地(含海岸)电极，希望极址土壤有良好的导电和导热性能，有较大的热容系数和足够的湿度，这样可以保证接地极在运行中有良好的热稳定性能。 （3）电化效应。众所周知，当直流电流通过电解液时，在电极上便产生氧化还原反应；电解液中的正离子移向阴极，在阴极和电子结合而进行还原反应；负离子移向阳极，在阳极给出电子而进行氧化反应。大地中的水和盐类物质相当于电解液，当直流电流通过大地返回时，在阳极上产生氧化反应，使电极发生电腐蚀。 第 1 页共 5 页 2.3对极址的要求 根据接地极运行时表现的特性，并考虑到接地极运行特性和地中电流分布情况，极址一般应具备下列条件。 （1）离开换流站要有一定距离，但不宜过远，通常在2060公里之间。过近则换流站接地网易拾起较多的地电流，影响电网设备安全运行和腐蚀接地网；过远会增大线路投资和造成换流站中性点电位过高。此外，离开重要的交流变电所也要有足够的距离，一般应大于10km。 （2）有宽阔而又导电性能良好(土壤电阻率低)的大地散流区，特别是在极址附近范围内，土壤电阻率应在100欧米以下。这对于降低接地极造价，减少地面跨步电压和保证接地极安全稳定运行起着极其重要的作用。 （3）土壤应有足够的水分，即使在大电流长时间运行的情况下，土壤也应保持潮湿。表层(靠近电极)的土壤应有较好的热特性(热导率和热容率高)。接地极尺寸大小往往受到发热控制，因此土壤具有好的热特性，对于减少接地电极的尺寸是很有意义的。 （4）附近无复杂和重要的地下金属设施，无或尽可能少的具有接地电气(如电力、通讯)设备系统。以免造成地下金属设施被腐蚀或增加防腐蚀措施的困难；避免或减小对接地电气设备系统带来的不良影响和投资。 （5）接地极埋设处的地面应该平坦，这不但能给施工和运行带来方便，而且对接地极运行性能也带来好处。 （6）接地极引线走线方便，造价低廉。 3 接地极址的选择 接地极极址的选择是设计接地极过程中最重要的环节，一旦极址被确定，地电流对环境的影响基本确定，与接地极造价及运行性能有着密切关系的土壤物理参数也基本确定。为了使接地极在持续的大电流情况下，也能稳定地运行，并且不影响或尽可能少影响其它设施，降低接地极造价，合理地选择极址是十分重要的。接地极址的选择过程是一个复杂的过程，它包括发现极址，极址论证与优化，大地物理参数测定，是一环扣一环的总流程。按照与换流站同步要求，极址选择也可分为规划选址和工程选址两个阶段。 3.1规划选址 设计人员先收集资料并根据收集的资料和设计经验，发现极址是本阶段的主要工作目标。向有关部门收集的资料应包括以下内容。 （1）地形图(1：50000)或航测照片。通过地形图或航测照片可以知道地形和地貌情况，从而可以很快地发现适合于设立接地极的地点。 （2）地质结构资料。地质结构资料调查是非常重要的，除了可以通过调查的资料(岩石或土壤的性质及其厚度)宏观地估价出可行性和地中电流的分布外，还可以借助资料或经验估计出土壤电阻率，热导率和热容率等参数。 （3）地面水文和地下水文资料。地面水文资料主要是用来了解有否洪水对极址冲刷构成威胁；地下水文资料则是用来确定是否有足够丰富的地下水来保证电极在大电流长时间运行条件下，极址土壤始终保持潮湿。 （4）地温。地温系指地下(几米)深处的温度，其值决定了电极最大允许温升值。通常在1050公里范围里地温差别不大，但在有些地方（有温泉）则不然，地温差别可达十几乃至几十度。 （5）通讯、电力、地下金属设施。接地极在运行中，对附近的接地电气设备系统和地下金属设施的安全运行会带来影响。收集这方面资料的作用有两个：其一，使极址尽可能远离这些设施；其二，根据这些设施的规模和接地方式等，计算对它们影响的程度。 （6）其它资料。在某些情况下，需要进行特殊参数的测量。譬如：在沿海地区，应对土第 3 页共 5 页 壤或水进行含盐量分析；对于固定的阳极，应对土壤进行渗透参数的测量；对极址土壤或水进行酸碱度分析，提出pH值等。 根据上述资料进行可行性研究，并结合经济综合分析，确定出可行的极址若干处，然后对可行的极址进行踏勘，并对一些重要的参数，如土壤电阻率、土质、地下水位等，进行初步测试和勘探，择优决定“初选极址”若干处。 3.2工程选址 本阶段的主要工作目标是对初选的若干极址进行技术论证和经济比较，提出推荐极址。 （1）测量土壤（大地）电阻率。土壤（大地）电阻率是设计接地极的重要参数，它直接影响到接地极运行性能和造价，也影响到地电流对环境影响的计算。 （2）概念设计。根据各极址的地形情况，拟定出电极形状、尺寸和埋深，计算出接地电阻、电流分布、地面最大跨步电压和热时间常数等主要技术参数，估算出材料用量。 （3）评估地电流对环境的影响。计算地电流对环境的影响是极址论证阶段的中心工作，必须根据每个初选的极址环境情况，通过计算，评估地电流对电力系统，通信系统，地下金属管道或铠装电缆，铁路等设施有否影响。对于有影响的系统，提出缓解(或解决)的措施及可能发生的费用。 （4）拟定接地极引线路径。在1：50000地形图上拟定出各初选极址至换流站架空线路路径，量出线路长度，并根据其长度，沿途经过的地貌，地质及交通等情况，估算出各初选极址的接地极引线所需要的建设费用。 （5）商办协议。针对各初选极址，了解地方规划，与地方政府和有关部门签订协议。征得地方政府的同意，求得地方政府的支持，这也是极址论证中的一个重要工作，这项工作往往要设计人员付出更大的努力。 （6）编写选址报告。选址报告是极址选择和极址论证工作结果的具体体现，其内容除了客观地反映上述工作内容外，还应进行技术经济比较，并在此基础上提出推荐极址。 4地电流对电力变压器的影响 当强大的直流电流经接地极注入大地时，在极址土壤中形成一个恒定的直流电流场。假若变电站位于接地极电流场范围内，那么在场内变电站间会产生电位差，直流电流将会通过大地、交流输电线路， 由一个变电站(变压器中性点)流入，在另个变电站(变压器中性点)流出。如果流过变压器绕组的直流电流较大，可能引起变压器铁心磁饱和，具体表现为： （1）噪音增大，振动加剧。当变压器线圈中有直流电流流过时，励磁电流会随着直流电流的增大会急剧增大，从而噪音随之增大。此外，励磁电流中增加的谐波成分，会使变压器噪音频率发生变化，甚至可能会因某一频率与变压器结构部件发生共振使噪音急剧增大，振动加剧。（2）变压器铜耗增加。变压器铜耗包括基本铜耗和附加铜耗。前面已提到，在直流电流的作用下，变压器励磁电流可能会大幅度地增加，因此变压器基本铜耗可能会急剧增加。 （3）变压器铁耗增大。变压器铁耗包括基本铁耗（磁滞和涡流损耗）和附加铁耗（漏磁损耗）。基本铁耗与通过铁芯磁密的平方成正比，和频率成正比。对于采用Yo/和Yo/ Yo接线的变压器，尽管励磁电流包含着谐波分量，由于主磁通仍然维持着正弦波，因此变压器绕组中的直流电流不会对基本铁耗（铁芯中的磁滞和涡流损耗）产生明显的影响。然而由于励磁电流进入了磁化曲线的饱和区，使得铁芯和空气的导磁率接近(o),从而导致变压器的漏磁大大地增加。变压器漏磁通会穿过压板、夹件、油箱等构件，并在其中产生涡流损耗，即附加铁耗。附加铁耗会随着铁芯磁密的增加而显著增加。附加铁耗应引起重视，即使在无直流情况下，大型变压器的附加铁耗与基本铁耗相当，甚至更大，这意味着随着变压器绕组中直流分量的增加，变压器的附加铁耗会增加。 解决上述问题，我们认为需要多方面共同努力，具体如下:第 4 页共 5 页 4.1 选择合适的极址（位置） 合理选择极址位置是避免地电流对电力变压器磁饱和影响的有效途径。过去，人们只提到将接地极选择在离开换流站8-50km范围内，但随着电力系统不断发展，电网接线变得越来越复杂、庞大，本文认为，仅用一个距离参数来判断极址位置是否合适是不够的，应通过采用网络法计算流过电力系统各变压器中性点地电流，择优选择极址。 采用网络法需要建立等值网络。建立等值网络应包括那些变电站？范围是多大？过去以离开接地极距离为判据是不可靠的。譬如：某一接地极周边电力系统接线如图3所示，其中A(A1,A2,A3相距很近),B,C为变电站名称（位置）。A1 A2 B C A3 接地极 图3 容易看出，在接地极电流场作用下，变电站A（A1,A2,A3）吸取直流地电流；变电站B可能吸取电流，也可能释放电流，取决于与变电站A的距离；变电站C会释放直流电流。 如果变电站B与变电站A相距较近（B点电位较高），变电站B吸取电流，那么流过变压器C的电流将等于变压器A和B之和（远处变电站更容易受到影响）。在此情况下，与变电站B相关联的变电站C（无论多远）应纳入计算网络。如果变电站B与变电站A相距较远（B点电位较低），变电站B释放电流。当B点电位低于某一数值(5V)，流过变电站C的电流一般可以忽略不计。 由此可见，流过各变压器绕组的直流电流大小不仅仅与接地极的距离相关，同时与极址土壤导电性能、电力系统网络接线及其参数（如变电站接地电阻，导线型号及长度、变压器容量及台数等）有关。在一个变电站里单台运行的变压器比多台投运的变压器更容易受到影响；靠近接地极变电站和与接地极成径向布置的变电站较其它方向布置的变电站容易流过更多的地电流。 4.2 制定评判标准 严格地讲，对于中性点接地的变压器，在地电流场的作用下，中性点一般总是有直流地电流流过的。电力变压器能容许多大的直流电流？迄今为止世界上还没有一个明确的标准。 由于变压器容许多大的直流电流在很大程度上取决于变压器设计，即其值与变压器结构、钢芯材料、磁通密度取值等因素有关，因此变压器允许多少直流电流，应向制造厂家咨询。 基于解决工程问题，特别是在选择接地极址阶段，工程师们很希望有一个判别“标准”，以判别接地极地电流对变压器有否影响。对此，下列信息可为之提供参考。 （1）在“葛上”直流工程中，加拿大Teshmont咨询公司认为，流过变压器骁组的直流电流小于励磁电流的1.5倍是可以接受的4。 （2）CIGR?导则1认为，现代（高导磁率铁芯）单相变压器励磁电流大约只有额定电流的0.1%（在三峡常州500kV直流输电工程技术文件中，ABB对他们生产的换流变压器承若：在额定电压下，励磁电流为额定的0.15%；在1.1倍的额定电压下，励磁电流为额定电流的0.45%）， CIGR?导则同时认为，当直流电流达到励磁电流，可听噪音将增加10dB当直流电流达到4倍于励磁电流，可听噪音将增加20dB。 （3）我国国标规定，电力变压器在超过5%的额定电压下也应能长期安全运行，此时的励第 4 页共 5 页 磁电流将较额定电压下的励磁电流大50%。这意味着，只要流过变压器绕组的直流电流所引起的励磁电流增量不大于50%，直流电流对变压器的影响肯定是可以接受的。 4.3 缓解措施 解决直流接地极地电流对变压器影响的措施最好的方法是使接地极远离变电站或保持合适的位置。然而在实际工程中，由于受到客观条件的限制，可能会使得部分变压器不可避免的受到影响，对此，可以根据情况选择采取以下措施： (1)对于110kV变压器并且不是每个变电站都接地的系统，可以调整变电站接地（让受影响变电站不接地）。譬如，广东地区很多110kV变压器是不接地的。 (2)对于尚未订货的变压器，可以将计算得到的流过变压器绕组的直流电流值及其持续时间写进设备招标技术规范书，要求厂家满足技术要求；或者要求制造厂考虑直流偏磁所引起的问题。 (3)对于已投运的变压器，当计算得到的流过变压器绕组的直流电流值大于允许值时，可以在受影响变压器的中性点串接一个合适的电阻或电容或阻塞器，减少或隔断直流电流。如新西兰Benmore换流变受Rog Roy接地极影响，在换流变中性点串接了20电阻；在印度东部（Talcher）-南部(Koler)直流工程中，Koler换流变中性点串接了阻塞器。但由于采取了这些措施，可能引起其它需要解决的问题，且增加了运行维护，所以需要业主同意。 (4)有条件的地方选择海洋接地极或深井型接地极。 (5)尽可能地减少甚至取消单极大地回线运行方式。 参考文献： 1 CIGRE Working Group 14.21-TF2,General Guidelines for the Design of Ground Electrodes for HVDC Links,2000 2 苏C.B.瓦修京斯基，变压器的理论与计算，机械工业出版社，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 页共 5 页