 Advances in Energy and Power Engineering 电力与能源进展, 2013, 1, 89-93 http://dx.doi.org/10.12677/aepe.2013.12015 Published Online June 2013 (http://www.hanspub.org/journal/aepe.html) Global Network Optimized Resistance to Restrict Transformers Direct Current Magnetic Bias Wenbin Chen Zhangzhou Power Bureau, Zhangzhou Email: 306296234@qq.com Received: Mar. 4th, 2013; revised: Apr. 2nd, 2013; accepted: Apr. 13th, 2013 Copyright © 2013 Wenbin Chen. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: When bipolar current of high voltage direct current transmission system operating asymmetrically or mo- nopolar-ground return operating, huge direct current will pour into the ground through the earthing electrode and thus, transformers nearby will be influenced by direct current magnetic bias and add harm on alternating system. Installing resistance in serial of neutral grounding transformers is an effective method to restrict transformers direct current mag- netic bias. The paper presents an optimized configuration method of ground resistance to make all the currents through the transformer neutral point in the grid within its limits on the basis of increment network sensitivity analysis. The proposed method is verified by the data from tian-guang HVDC, and the verification result shows that it is a simple and effective method of restricting all the neutral direct current magnetic bias by optimized resistance. The global network optimized resistance method can provide reference value for practical project. Keywords: HVDC; Direct Current Magnetic Bias; In Serial of Resistance; Optimized Resistance of Method 抑制直流偏磁电阻的全网优化计算 陈文滨 漳州电业局，漳州 Email: 306296234@qq.com 收稿日期：2013 年3月4日；修回日期：2013年4月2日；录用日期：2013 年4月13 日 摘 要：当高压直流输电系统双极电流不对称或单极大地回路运行时，巨大的接地极电流入地会使接地极附近 变电站的变压器产生直流偏磁，对交流系统造成不利影响。中性点串接电阻是抑制直流偏磁的有效方法。本文 基于增量网络的灵敏度分析方法，以变压器中性点电流极限值为约束条件，提出了全网优化接地电阻的计算方 法。以天广直流输电线路北郊附近的变压器仿真表明，这是一种简单有效的抑制全网变压器直流偏磁电流的方 法。全局优化接地电阻的计算方法可以为实际工程提供参考价值。 关键词：高压直流输电；直流偏磁；串接电阻；优化电阻计算方法 1. 引言 为实现远距离或超远距离大容量送电，高压直流 (HVDC)输电系统在我国正得 到越来越广泛的应 用。 交直流混合运行的电网使得交直流系统之间的影响 更加明显，这在南方电网尤为突出。HVDC 系统以单 极大地回路运行时，直流电流经接地极入地，在附近 的交流电网形成电位差，部分直流电流经过中性点流 入变压器，形成直流偏磁。一方面使得变压器噪声增 加、发热、振动，直接危害变压器；另一方面，直流 偏磁的变压器会向电网注入大量谐波，有可能引起母 Copyright © 2013 Hanspub 89  抑制直流偏磁电阻的全网优化计算 线谐波增大，电压畸变，恶化换流器运行条件，导致 换相失败和谐波不稳定等。因此，治理直流偏磁显得 十分迫切。 文献[1] 研究了在变压器中性点注入反抗偏磁直 流，却引入了小残余直流偏磁，使变压器噪声、振动 高于无直流偏磁情况，且该法仅局限于电流超标的接 地处使用；文献[2]研究投切不同组的电容器来切除直 流，串联电容法可以彻底切除直流通路，但可能使其 他变电站变压器中性点的直流电流增大，引起其他变 压器直流偏磁；文献[3]介绍了在电容器两端并联 GTO 旁路电路，但未有实际使用实例，且考虑到该电容器 容量必须非常大，而且价格昂贵，占地面积也非常大， 其经济性和使用性方面都有欠缺。 串联电阻法可以改变直流电流的分布，从而减小 中性点电流并达到抑制直流偏磁的目的。文献[4]研究 了中性点串接小电阻的参数选择方法和方案，但仅考 虑到抑制本变电站的直流偏磁，未考虑到对全网其他 变压器的影响。本文面向全网的变压器，提出直流等 效电路；基于增量网络法求取灵敏度，以全网变压器 中性点直流电流不超标为约束，提出了选择小电阻的 全网优化方法。 2. 直流偏磁的现象及成因 变压器的励磁电流相对较小，允许的直流偏置电 流为励磁电流的 1倍左右，故较小的励磁电流就可能 导致直流偏磁。图 1为直流偏磁现象的示意图，可以 看出由于变压器的绕组电流叠加了直流分量，使得变 压器的运行点进入了饱和区，后导致电流的波形畸变。 Figure 1. Direct current magnetic bias 图1. 直流偏磁 直流偏磁问题在 20世纪 80 年代陆续引起国内外 研究学者的重视，并开展了相关的研究[5-7]主要是集中 在关于太阳风暴引起地磁感应电流产生的变压器直 流偏磁。在高土壤电阻率地区，HVDC 单极大地回路 运行时的大接地极电流会在周围变电站地网上感应 出高于地的电位，一旦形成直流通路也有可能导致变 压器的直流偏磁。贵广Ⅰ回直流工程调试期间，在接 地极附近变电站主变中性点电流的直流分量大都上 升，主变噪声也有不同程度的增加，以春城站最为严 重，中性点直流分量达34.5 A，主变噪声达 94 dB。 天广直流单极—大地调试期间，北郊 6台主变励磁噪 声明显增大，与北郊相连的220 kV输电线路的嘉禾 变电站，郭塘变电站，茶山变电站的主变励磁噪声亦 增大。HVDC 在建设过程中，允许先建成的单极系统 以大地回路运行，或某一极因故障或检修推出运行时 允许另一极以大地回路运行，都不可避免面临单极运 行情况而导致直流偏磁。 3. 接地极电流的感应电位求解 HVDC 接地极电流引起的偏磁与接地极电流在 变电站地网上的感应关，故要先对其求解。假设土壤 均匀，接地极为半球形，通过直流电流为 I0，无穷远 处的电位为 0，距离球心处x点的电位为： 0 2π A I x (1) 式中，I0为接地极电流，ρ为土壤电阻率，x为地面与 球形接地极球心的距离。 对于其他形状的接地极，距离较远时，公式(1) 仍然适用，但当土壤为非均匀分布时，尤其土壤电阻 率差别较大时，会产生较大的误差。以南方地网为例， 当接地极的电流为 1000 A时，选用多层土壤的结构模 型[8-10](参数如表 1)和采用公式(1)的计算结果如图 2所 Table 1. The resistivity of multi-layer soil structure 表1. 多层土壤结构的电阻率 土壤层 深度/m 电阻率/(Ω·m) 1 50 200 2 1000 1000 3 10,000 5000 4 100,000 100,000 5 ∞ 100 Copyright © 2013 Hanspub 90  抑制直流偏磁电阻的全网优化计算 Figure 2. Comparison of induction potential of homogeneous soil and multi-layer soil 图2. 均匀土壤和多层土壤的感应电位比较 示，虚线表示均匀土壤的感应电位，实线表示多层土 壤的感应电位。由图 2可以看出采用采用公式(1)计算 的感应电位随着与接地极的距离增大而衰减得很快， 而采用多土壤结构计算的感应电位则衰减得较慢，这 是因为随着土壤的深入，电阻率越来越大，接地极电 流就主要沿着土壤表层分布，从而在地表感应出了比 公式(1)的电位高。 4. 变压器的简化模型 对于 110 kV以上电压等级的系统，为了保证系 统的安全运行，一般均将中性点直接接地，从而形成 了直流电流的自然通路。求解接地电流首先要简化变 压器模型[5-7]。 如图 3，考虑了变压器电阻，感应电位的两台变 压器的等效单相电路。对于含有多台变压器的复杂网 络也可以按照此法求解等值电路[11,12]。 5. 接地电阻的优化计算 选用适当的方法求解变压器中性点接地直流电 流的分布，变压器的中性点电流是本文要求解的对 象，故可以采用节点电压法： s nn I YU (2) 其中， 12 ,T s n I II I 12 ,T sn UU ，为等效电流列向量； ，为节电电位列向量； ，为节 电导纳矩阵。 UUn Y 中性点接入电阻会改变接地电流的分布，从而达 到抑制直流偏磁的目的，但接入电阻会使系统的接地 性能下降，故应该再保证电流不超标的前提下，尽可 Figure 3. Transformer equivalent single-phase circuit 图3. 变压器等效单相电路 能减少接地电阻的数量和阻值，即在 lim max 0 ii II (3) 条件下，求 min( Ri)的解，其中 12 , in I II I limn ，接地极 支路电流； lim1lim2 lim , i I II I 12 , in R R ，接地极支路限制电 流； RR ，接地极接的接地电阻。 在优化接地电阻的配置中，需要考虑改变接地电 阻的大小对电流分布的影响。借助电网络分析理论， 采用增量网络法求得接地电流对接地电阻的灵敏度 [13]。设第 i条支路特性用导纳参数表征 iii I YU ，可 以得到第i条支路在增加 i R 后的电流变化为： iii ii I YUU Y (4) 由灵敏度公式可以直接得到对接地电流影响最 大的电阻参数。若在求解 过程中，出现电流 超标的支路，则可以在灵敏度矩阵中修改灵敏度最大 值所对应的接地电阻值，以符合限制条件。修改接地 电阻值，相当于在电阻上再并联一个电阻，由于电阻 的一端接地，修改节点导纳矩阵非常容易，如下： min i R ii iiii YY Y (5) 其中，i为与需要修改接地电阻相连的节点； ii Z 为修 改的接地电阻值； 为原来的接地电阻值； Y为修改 后的接地电阻。 ii Yii 此过程是在不断的修正影响接地电流分布的最 大阻值，最终得到的是在限制条件(3)下的最小电阻。 此解是一个最优值电阻值。 直流电阻的优化过程如下： 化简 HVDC 模型，建立直流等效模型； 初步计算出接地电流； 寻找接地电流最大超标的电流； 寻找最大超标接地电流的最大灵敏度支路； 修改接地电阻； Copyright © 2013 Hanspub 91  抑制直流偏磁电阻的全网优化计算 Copyright © 2013 Hanspub 92 6. 算例分析 计算接地电流。 直到 lim max 0 ii II，计算结束，得到最终的 优化电阻。否则重复(3)~(5)，直至条件满足。 本文以天广直流输电线路位于广东北部的北郊 换流站为例，建立直流网络模型，对该系统进行求解 直流偏磁电流及接地电阻的优化。天广电压 ± 500 kV，双极容量 180 万kW，单极运行时入地电流1800 A[14,15]，采用多土壤模型。图4为北郊换流站附近变 电站地理示意图，忽略离接地极较远的变压器。 表2为单极运行时，接地电阻优化配置后对电流 北郊换 流站 横沥 贤令山 花都 罗洞 西江 江门 增城 水乡 博罗 曲江 坪石电厂 鲤鱼江 电厂 Figure 4. Map of Beijiao transformer substation 图4. 北郊附近变电站示意图 Table 2. The influence of grounding current resistance calculation optimization 表2. 优化计算后电阻对接地电流的影响 试验一 试验二 试验三 变电站 Ii限制值/A Ii初值/A Ii值/A Ri值/Ω Ii值/A Ri值/Ω Ii值/A Ri值/Ω 北郊换流站 10.2 −9.2047 −8.035 0 −8.106 0 −3.541 3 花都 8.9 5.7774 6.354 0 6.451 0 4.568 0 增城 8.9 11.1885 1.351 1.2 1.321 1.3 1.321 1 罗洞 8.9 −0.4799 0.2543 0 0.2566 0 0.365 0 西江 8.9 2.5684 3.214 0 3.125 0 3.654 0 水乡 8.9 −0.3715 0.5216 0 0.5247 0 0.654 0 贤令山 8.9 3.2549 4.254 0 4.255 0 1.254 0.6 江门 4.2 -3.654 0.254 0 0.256 0 −1.264 0 横沥 4.2 5.6481 1.324 0.6 1.447 0 1.542 0 博罗 4.2 −4.3581 −2.541 1.2 −0.329 18.6 −3.221 1.6 曲江 4.2 −3.3594 −0.3254 0 −0.3369 0 0.214 0.4 坪石电厂 4.2 2.0654 2.654 0 2.0666 0 2.033 0 鲤鱼江电厂 4.2 −8.6651 1.325 2.2 1.326 2.2 1.254 2.2  抑制直流偏磁电阻的全网优化计算 分布的影响。Ri的修改值以0.2 Ω变化，为考虑实际 情况，提出了以下方案：一、不考虑接地电阻有任何 限制条件；二、考虑了横沥变电站不能接接地电阻； 三、考虑增城站的接地电阻不能超过 1 Ω，试验结果 数据如下： 由表 2可见，在没有任何加抑制电阻的时，有 4 个变电站的变压器绕组电流超标，试验提出的三种方 案均可以达到抑制绕组电流的效果，Ri接于变压器中 性点，简单、有效，经济性好。需要说明的是：实际 电网运行的多样性，计算感应电位，可能与实际情况 有差别；忽略离接地极较远的变压器会带来误差；直 流等值电路也未能符合实际的运行情况；这些原因均 会使实际的计算结果和现场的情况有所差别，但作为 一种接地极的电阻优化配置计算方法，已经显示了它 的有效性，可以为实际工程治理变压器直流偏磁提供 参考的辅助手段。 7. 结论 1) 采用中性点串接小电阻方法限制流经变压器 中性点的直流电流就有简单、实用、可靠、经济性好 的特点，是抑制直流偏磁的一种有效措施。 2) 本文提出的基于全网络的等效直流电路，以变 压器中性点的电流不超标为限制，采用增量网络的灵 敏度分析方法，找到最合理的电阻配置，所得结果为 最优电阻，对实际现场抑制直流偏磁有指导意义。 参考文献 (References) [1] 蒯狄正, 万达, 邹云. 变压器中性点注入反向抗偏磁直流的 应用分析[J]. 华东电力, 2005, 33(6): 44-46. 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