水电站直流偏磁的影响及监测装置研究

雷梅雨

大唐观音岩水电开发有限公司，攀枝花 617000

摘要：云南电网是国内首个省级异步联网的送端大系统，含有10余条特高压直流线路，内部多种电压等级交互，是目前世界上技术最先进、特性最复杂、电力最绿色的送端大电网之一，直流输电具有输送容量大、损耗少等优点，但直流输电系统在特殊运行方式下，将对接地极附近的交流电网产生直流偏磁，对接地运行的变压器产生很大的影响，本文对此进行分析研究，并提出一种监测方案。

关键词：直流偏差；直流输电；变压器；监测

概述

观音岩水电站位于云南省丽江市华坪县与四川省攀枝花市交界的金沙江中游河段，大坝右岸属四川省攀枝花市，左岸属云南省丽江市华坪县，属一等大（1）型工程，为金沙江中游河段水电开发的第八级，上接鲁地拉水电站、下联金沙水电站，下游距攀枝花市直线距离27km。观音岩水电站水电机组装机5*600MW，通过500kV主变压器升压后送永仁换流站，经云南±500千伏永富直流输变电工程送出电能，电站距离永仁换流站直线距离仅55km。

1 研究背景

采用双极两端中性点接地方式运行的高压直流输电系统，在双极不平衡运行，或者在投运初期和事故后单极运行时，巨大的直流电流经大地流到直流系统的另一端，在流经的大地路径上产生直流电位差，会存在直流电流从接地的中性点流入500kV变压器后，继续经由输电线路输送向远方，给500kV变压器本身和交流电网系统的安全稳定运行造成恶劣影响[1]。当通过输电线路连接的两台变压器其接地中性点之间存在直流电位差时，直流电流将通过变压器中性点接地点及输电线路组成的通路流经两侧变压器绕组，在变压器铁心内部产生一定数值的直流磁通，从而导致变压器的直流偏磁。

直流偏磁对变压器运行产生不良影响，会引起变压器磁饱和，损耗、温升增大，并可能引发局部过热，加剧振动，增加运行噪声，其产生的谐波还会引起系统电压波形畸变及继电保护误动等。在观音岩水电站的周边，分布着楚雄换流站（云南-广东±800kV特高压直流）、新松换流站（滇西北-广东±800kV直流），金官换流站（云南金沙江中游电站-广西±500kV直流输电工程）数个直流输电工程，存在较大的主变直流偏磁的风险。

2 研究内容

本研究基于主变中性点电流、变压器温度信息和噪声信号主变直流偏磁监测技术，并通过长期运行监测数据的分析，综合评估观音岩水电站附近直流输电系统对厂内主变直流偏磁的影响。

研究内容1：主变直流偏磁状态监测技术研究

当变压器中存在直流性质的电流时，直流磁通和交流励磁磁通相叠加，形成带有偏磁的总磁通，与之对应的励磁电流的波形也会发生相应的变化，呈现正负半波不对称，并产生大量谐波。通过辨识主变中性点电流中的直流和谐波分量，结合主变压器的励磁特性曲线、实时负荷情况，监测主变主变直流偏磁状态。

研究内容2：直流输电系统对近区主变直流偏磁的影响研究

主变直流偏磁会加剧铁心磁通密度的饱和程度，从而产生谐波，变压器无功损耗增加，再加上铁耗和铜耗显著增加，引起变压器过热问题，表现为由此导致的变压器油温、铁芯温度和绕组温度的上升。而且，直流偏磁还引起振动和噪声等问题。项目通过长期监测中性点电流、温度、噪声等数据，对观音岩水电站附近直流输电系统对主变直流偏磁的影响进行综合分析和研究。

研究内容3：适用于主变中性点电流测量的柔性光学CT研制和应用

针对主变中性点的空间结构和运行环境，研制适用于主变中性点电流测量的柔性光学CT，设计固定结构和安装方法，并优化和提高绝缘、强度、材料老化寿命等方面的能力，满足长期稳定运行的需要。在不同机组分别安装柔性光学CT和霍尔式CT，以霍尔式CT为比较对象，对柔性光学CT的测量性能和应用效果进行评价、分析和改进。

研究内容4：研制基于光学电流互感器的主变直流偏磁监测分析系统

设计与研制适用的光学电流互感器，研制监测系统的软硬件，研制完整的主变直流偏磁监测分析系统。

3 系统方案

3.1总体方案

监测系统从主变电气量特征、温度、噪声等方面，多维度的对主变压器直流偏磁状态及其影响进行监测。首先，通过辨识主变压器中性点接地电流的直流和谐波分量，监测当前直流偏磁状态；然后，综合主变压器近场噪声幅值和频谱分析结果，以及主变绕组温度变化情况，进一步掌握主变直流偏磁状态及其影响。通过对长期积累的运行监测数据的分析，综合评估观音岩水电站附近直流输电系统对站内主变直流偏磁的影响。

电站机组采用发电机变压器组单元接线，主变压器为分相变压器设计，分别在5台主变压器中性点各装设1台光学零序电流互感器，测量主变中性点接地电流信号。每台光学电流互感器对应一台采集单元，光CT一次传感环的光信号经光缆送至采集单元解析后，再经光纤送给监测装置。

噪声传感器安装于主变压器附近，其信号经电缆以4~20mA形式送至监测装置进行解析计算。同时，主变压器绕组温度信号基于已有绕温测量设备的冗余输出，或者与现有测量设备共享方式，经电缆也以4~20mA形式送至监测装置。

监测系统示意如图1所示。

图1 主变直流偏磁监测系统示意图

由于直流偏磁时各相变压器均有温度升高和噪声增大的特征，监测仅引入每个发变组单元的其中一相变压器的温度和噪声信号即可。

3.2 设备布置

监测系统设备主要包括监测屏柜及柜内设备和主变测量设备（光学CT一次传感部分、噪声传感器等）等。监测屏柜布置于公用继电保护室，距离主变压器间隔较远，受光学CT一次传感环和采集单元之间距离不能过远的限制，光学CT采集单元单独成柜，并装设于主厂房电缆桥架层，以缩短与主变压器间隔的距离。

3.3 光学电流互感器结构及安装方案

光学电流互感器安装于主变中性点接地回路上经过研究分析，光学CT安装在电磁式零序CT与接地扁铁之间的横向一次导体上，即上图中绿色圈内横向导体。光学CT采用结构件固定安装方式，其安装结构件如图2所示。结构件固定安装在墙面，一次导体从黄色圆环中穿心而过，黄色圆环内沟槽中为光学CT一次传感光纤。

图2 光学CT固定结构件

4 结论

随着国内众多直流输电系统的兴建和投运，换流站附近变电站和电厂内的变压器均不同程度存在直流偏磁的风险，现有技术多采用系统仿真分析等方法来评估风险，其准确性受参数准确性、模型相符度等诸多因素影响，且随着电网结构变化需重复仿真分析。本文所提供的直流偏磁监测方案，可以为变压器直流偏磁影响评估提供第一手资料，且该方案具有良好适用性，适用于具有同类风险的变电站和电厂。

参考文献：

[1]李鸿志，崔翔，刘东升，等.直流偏磁对三相电力变压器的影响U].电工技术学报，2010 (05)88-96.