变压器直流偏磁抑制措施的经济技术比较

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  摘要:本文分析比较了小电阻法、电容隔直法、电位补偿法及直流电流注入法四种抑制方法;就小电阻法、电容隔直法、电位补偿法三种抑制方法比较而言,在均需要旁路保护以及对旁路保护的技术条件、安全可靠性要求一样时,使用电容器来抑制直流偏磁电流是最佳的方案;而直流电流注入法可用于特殊要求的场合;在500kV变电站,基于变压器的重要性及运行规程要求,推荐采用直流电流注入法,当然应考虑安装辅助接地极的可能性;在220kV变电站则推荐采用电容隔直装置。本文对交流系统抑制直流偏磁影响措施的选择具有参考价值。
  关键词:直流输电;变压器;直流偏磁;抑制;比较
  Abstract: Four means for blocking or mitigating the dc current in transformer neutral are compared. The Capacitor Dc Current Blocking Device (DCBD-C) is suggested to be used for being of more advantage under the same technical & reliability condition for the BYPASS. The Current Injection Device is suggested be used in some special situation,such as at 500kV substation, for the importance of transformer and the limitation of the operation regulations. The posiblity on the installation of auxiliary ground electrodes should be taken into consideration. At 220kV substation the DCBD-C is suggested to be used. This paper could be reference for the choice on the mitigation mearns of dc current in transformer neutral.
  Key Word: HVDC; transformer; dc-bias; mitigation; comparation;
  
  直流输电系统单极大地回线方式是在某极发生故障时直流输电系统的一种故障应急运行方式,也常作为单极建成初期的运行模式,大地回流方式基本上不可避免,而这是目前导致交流电网中性点接地变压器产生直流偏磁的主要原因,会带来主变噪声、波形畸变、主变故障和电容器组损坏等问题。因此变压器直流偏磁抑直措施的研究在交流系统中有重要的应用价值。
  国内外研究状况
  国外相关的研究进行得较早亦较多,下面是较有代表性的一些研究。
  1992年M.A.Eitzmann等发表文章[1],以魁北克水电站Radisson/LG2联合体为对象,提出了几种抑制直流电流的方案,其方法是将中性线串联低电抗的电容器,并几种方案主要以间隙、MOV等实现中性点电容器过电压保护方案。
  2005年加拿大魁北克水电研究学院的Léonard Bolduc 博士等发表文章[2]介绍了“电容器+晶闸管旁路”方式的变压器中性点隔直装置的开发。该装置是一工频阻抗为1.2欧姆(50Hz)的电容器与带硅整流桥的晶闸管旁路并联而成。
  据美国DEI公司介绍[3],其1996年初为Ohio 的Cincinnati Gas and Electric Company ( 現为 Cinergy) 开发了四套很复杂的变压器隔直装置;2003年其根据Siemens提供的参数为其开发了10套变压器隔直装置,这些装置用于靠近印度的一条HVDC终端站的变压器;此装置由一个4000μF(50Hz时Xc=0.8Ω)隔直/通交电容器、两组反并联的大电流旁路通道及机械开关旁路组成。
  国内已知的有代表性的类似研究如下。
  2005年6月江苏电力科学研究院蒯狄正等撰文[4]介绍了在变压器中性点注入反向直流电流的方法,该装置主要原理是电源经调压器调压后再经硅整流经辅助接地极和变压器中性点回路向变压器中性点注入反向直流电流。
  南方电网技术研究中心与清华大学联合研制了小电阻装置[9]用于变压器中性点直流偏磁的抑直。该装置主要由一无感电阻(10欧姆)+间隙组成,该间隙为专门研制的160mm的椭球形电极。该装置于2005年在现场进行了安装并进行了系统测试,对抑直变压器中性线直流电流有明显效果,但一直未投入运行。
  2007年马志强撰文[12]提出了一种基于电位补偿原理的消减变压器中性点直流电流的新方法,其原理是在变压器中性线中间串一小电阻(0.5-2.0欧),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。该方法目前未有制造样机及试运。
  中国电力科学研究院亦开展了电容隔直装置的研究工作[5-8],其采用了“隔直电容器(1.2欧)+带硅整流桥的晶闸管旁路+机械开关旁路”方式。该装置于2007年10月于投入现场运行。
  
  在该领域仍有以下方面工作需要进一步的研究,包括:
  对目前已知的各种直流偏磁电流抑直方法进行经济技术比较,遴选抑直方案;
  在电容隔直法、电阻抑制法、电位补偿法中均需要快速、可靠的旁路系统进行元件保护,但该旁路系统相对复杂,是否可以简化及提出新形式的抑直装置
  对于直流电流反向注入法,可否替代“调压器+硅整流”电源方式,实现响应速度更好及采用自动闭环控制的方式;
  直流偏磁电流抑制方法比较
  为了避免接地变压器由于中性点流入直流电流导致的直流偏磁问题,目前,已经提出了几种抑制直流偏磁电流的技术措施,包括中性点串小电阻法、直流电流反向注入法、电位补偿法及电容隔直法。
  我们在进行各种抑直方法的经济与技术比较时,依据以下的原则:
  不降低系统的可靠性、性能和操作灵活性
  不应给系统其他装置带来明显的额外影响
  简单、无源式设计
  优先考虑的因素:采用市场现有器件
  串小电阻法
  中性点串电阻法是在变压器中性点与变电站地网之间串入一个限流电阻器并通过保护旁路在发生高电压的情况予以保护。
  
  
  
  这种方法的优点:
  装置为无源装置,结构和安装运行维护简单可靠;
  投资较小
  缺点:
  无法完全消除中性点直流电流;
  对于有些场合,所需电阻值可能非常大,不能保证变压器中性点有效接地;
  中性点串入电阻对系统零序参数产生了影响,进而也会影响到继电保护的整定;对方向保护的灵敏度有影响;若在故障时采用旁路装置将该电阻旁路,又会使系统接地阻抗不连续,从而导致继电保护配置复杂化。
  每当电网结构变化时(比如在网络中增加或减少一台接地变压器),接地电阻阻值需要重新计算,串接电阻需要更换。
  2006年南方电网技术中心研制的小电阻直流抑制装置在春城变电站完成现场试验,其保护措施为改进后的柱体平面间隙保护装置,相对较简单,其可靠性是大家较关注的问题。
  直流电流反向注入法
  反向电流注入法是在变压器中性点串入一个可控反向直流电流源,通过在变电站地网与辅助接地极之间注入直流电流而改变变压器中性点电位以全部或部分消除流入变压器绕组的直流电流为目的。直观而形象的被称为直流电流反向注入法,而其实质仍是改变变压器中性点直流电位。目前在江苏及广东电网有实际运行的实例。
  
  
  
  优点:
  由于不在变压器中心点与地网之间串入其他设备,能保证变压器中心点可靠接地而无过电压问题;
  对系统现有保护配置不产生影响
  针对不同的中性点流入的直流电流值,可以动态地选择注入不同的反向电流,具有灵活性
  缺点:
  须在变电站外建造独立接地极,工程量比较大,施工困难、安装、运行维护不方便;
  可靠性较无源方式低;
  造价较高
  中性点电容隔直法
  中性点串电容法是在变压器中性点与接地极之间串入电容器,由于电容有“隔直(流)通交(流)”的作用,因此变压器中性点串联电容器后,可以有效地消除流过变压器中性点的直流电流,而且不影响交流电流的正常流通。
  隔直电容器保护装置的基本原理:在电容器的两端并联一个电流旁路装置,一旦电容器两端电压超过规定值,或流过电容器的电流超过规定值后,立即触发导通电容器的电流旁路装置,将电容器两端短接起来,起到限压和分流的作用,从而使电容器免受高压和大电流冲击,达到保护电容器的目的。在电力系统恢复正常后,电流旁路装置便自动复归,使电容器重新恢复隔直运行。
  
  
  
  优点:
  无源装置,安全性较高;
  隔直效率高;
  对系统继电保护的影响很小;
  可保证变压器中心点为小阻抗接地,可靠的旁路保护措施可有效避免变压器中心点发生过电压事故;
  与直流电流注入法比较,运行维护方便;
  缺点:
  电容器的旁路保护复杂。在交流系统短路故障、雷击等系统故障情况下,变压器中性点会流过很大的电流,如果不采取保护措施,将会在电容器上产生幅值很高的过电压而损坏电容器。因此,必须为隔直电容器配置一套可靠、有效的旁路保护,它是变压器和隔直电容器安全可靠运行重要保证。
  电位补偿法
  电位补偿法是在变压器中性线中间串一0.5-2.0欧小电阻,通过一外部方向可控电流源在该电阻上形成一直流电位,以此調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。该方法目前未有制造样机及试运。
  
  
  
  电位补偿法揉合了其他几种方法的特点,有固定值的小电阻、需要额外的直流电流电源及保护旁路装置。与其它限制电流方法相比,电位补偿法有以下优点:
  所采用的小电阻阻值比小电阻限流法的小,其对继电保护的可能影响以及雷击时变压器中性点,电位的变化也较小电阻限流法小;
  在保持变压器中性点有效接地的同时,能完全消除变压器中性点直流电流;
  需要配置直流电流源,属有源装置,但与中性点注入反向电流限制法相比,无需另建辅助接地极(网),因而不存在辅助接地极入地电流对周边环境的影响,其电流源容量通常小于中性点注入反向电流限制法。
  由于电位补偿法揉合了其他几种方法的特点,在它采纳了其优点的同时,也同时包含了他们的缺点:
  若取0.5欧的电阻,则对其电流承受能力将有更高的要求,造价会相对较高;若取2欧姆的电阻,仍然会对系统零序参数产生影响,进而影响继电保护的整定;对方向保护的灵敏度有影响;在故障时采用旁路装置将该电阻旁路,会使系统接地阻抗不连续,导致继电保护配置复杂化。
  需具备旁路保护装置
  可靠性较无源方式低;
  由于电阻工作时需要流过较大直流电流,其造价会较高。总体造价比直流电流注入法低,但比小电阻法及电容隔直装置造价高
  综合比较
  以上4种直流偏磁电流的抑制方法,从接入方式上可以分成2类:第一类是小电阻法、电容隔直法、电位补偿法,这3种方法均需在在变压器中性点与变电站地网间串入设备;第二类是直流电流注入法,不改变变压器中性点原来的接地方式。
  小电阻法、电容隔直法、电位补偿法的比较
  对于第一类抑制方法,串入的设备均需要旁路保护。从安全可靠性而言,三者的旁路保护要求基本上是一样的,也就是说,对小电阻装置而言安全可靠性已经足够的旁路系统也可作为电容器隔直装置的旁路系统。而事实上是,电容隔直装置的旁路系统与小电阻抑制装置的旁路系统完全不是同样的技术条件,其安全可靠性当然也不同。
  当我们要求其旁路系统达到同样技术条件、同样的安全可靠性时,对比第一类的三种抑制方法,显而易见,使用电容器来抑制直流偏磁电流是最佳的方案。
  直流电流注入法与电容隔直法的比较
  下表列出了直流电流注入法与电容隔直法特点比较
  
  
  
  从上表看,两种方式并没有绝对的优劣势,而是各有优缺点。因此应针对不同的应用场合选择不同的抑制措施。
  若考虑选择电容器隔直法,因500kV变压器中性点均为直接接地,需考虑修改运行规程的可能性以使得在变压器中性线串入电容器隔直装置符合运行规程;
  若考虑直流电流注入法,应考虑安装接地极的可能性。
  
  抑制措施比较小结
  在500kV变电站,基于变压器的重要性及运行规程,推荐采用直流电流注入法;在220kV变电站则推荐采用电容隔直装置。
  “直流偏磁抑制措施的研究”部分分析比较了四种抑制方法,推荐使用电容隔直法,而直流电流注入法可用于特殊要求的场合;作者开发研制投运的阻容抑直装置提供了一种更加简单、经济、安全、高效的直流偏磁电流抑制方案;就小电阻法、电容隔直法、电位补偿法三种抑制方法比较而言,在均需要旁路保护以及对旁路保护的技术条件、安全可靠性要求一样时,使用电容器来抑制直流偏磁电流是最佳的方案。
  就直流电流注入法和电容隔直法两种方法比较,各有优劣。应针对不同的应用场合选择不同的抑制措施。在500kV变电站,基于变压器的重要性及运行规程,推荐采用直流电流注入法,当然应考虑安装接地极的可能性;在220kV变电站则推荐采用电容隔直装置。
  结论
  就小电阻法、电容隔直法、电位补偿法三种抑制方法比较而言,在均需要旁路保护以及对旁路保护的技术条件、安全可靠性要求一样时,使用电容器来抑制直流偏磁电流是最佳的方案。
  就直流电流注入法和电容隔直法两种方法比较,各有优劣。应针对不同的应用场合选择不同的抑制措施。在500kV变电站,基于变压器的重要性及运行规程,推荐采用直流电流注入法,当然应考虑安装接地极的可能性;在220kV变电站则推荐采用电容隔直装置。
  阻容抑直装置揭示了可以在电容器工频阻抗、耐压水平、体积及费用几个方面找到一个较佳的平衡点,使得在220kV交流系统应用电容隔直法时可以省略复杂的晶闸管旁路保护系统。提供了一种更加简单、经济、安全、高效的直流偏磁电流抑制方案。
  与机械式调节输出电流的方式比较,在直流电流注入法中采用电力电子开关电源的方案使得闭环控制的响应速度大幅提高(尽管更高的响应速度不是直流偏磁抑制措施追求的目标),电力电子器件的应用也使快速的闭环控制成为可能。同时,在装置设计中考虑了适当的冗余及安全措施,可以满足电力生产的安全性要求。
  
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