朱岸明，王 森，胡攀峰，刘 超，丁 彬

（1.西北电网有限公司，西安710048；2.陕西电力科学研究院，西安 710054；3.宝鸡供电局，陕西宝鸡721004）

0 引言

随着西北地区750 kV系统联网及国家电网大区电网互联的进展，西北地区已初步实现750 kV电网覆盖，实现与华中电网通过±500 kV德宝直流工程连接，实现了水火互济的模式。

德宝直流工程设计电压为±500 kV，输送容量3 000 MW，单极运行电流3 000 A。当德宝直流单极大地回路运行，输送容量为1 500 MW时，流入直流接地极的电流为3 000 A。巨大的入地电流会造成接地极周围变电站接地网地电位的变化，若2个变电站接地网之间存在电位差，电流将有一部分流经变压器中性点、变压器绕组及输电线路。在中性点接地变压器上流过的直流分量，引起变压器直流偏磁，使一些变压器出现磁饱和，造成变压器振动加剧、噪声增大、过热。750 kV宝鸡交流变与德宝直流宝鸡换流站同址建设，本文就德宝直流对750 kV宝鸡变主变压器的运行影响进行计算和实测分析研究。

1 地中直流对交流变压器的影响

直流输电在双极两端接地运行的情况下，一般仅有不到1%额定电流的不平衡电流流过接地极，不会对环境产生影响。当直流输电工程单回大地回路运行时（一极投运时，或者双极运行一极检修或因故障退出运行时），会有较大的直流电流流过接地极，此时会在大地上形成恒定的直流电流场，产生地表电位差，在交流网络中变压器绕组、架空线和大地形成的回路中产生直流电流。直流电流流入运行中的变压器，产生的直流磁通与交流磁通相叠加，会导致铁心半波饱和[1-5]，即直流偏磁。这时，变压器的电流中含有大量谐波分量，造成变压器本体的有功和无功损耗增加，振动加剧，噪声增大，严重时引起变压器内铁心绑带松脱、绝缘夹件脱落、油中产生乙炔，导致变压器损坏。如广核集团岭澳核电厂500 kV主变压器中性点直流电流为15 A，为额定电流的1.2%，造成变压器的损坏事故；另外广东电网中某220 kV变压器中性点直流电流达到37.5 A，造成变压器振动、噪声增大，电网谐波超标，影响电能质量和变压器的安全运行。对变压器共性影响主要有以下几个方面[6-7]。

1）噪声、振动增大。由于变压器磁致伸缩的原因，当变压器发生直流偏磁时，变压器绕组流过相同的交流电流，铁心伸缩、振动幅度将加大，从而导致变压器的噪声增大。同时，由于磁致伸缩产生的振动是非正弦的，其噪声频率包含多种谐波分量，当某一分量与变压器构件发生共振时，噪声将更大，有可能导致变压器内部零件松动,绝缘受损。

2）电压波形畸变。由于变压器铁心发生直流偏磁，严重时，铁心可能工作在饱和区，从而使变压器漏磁通增加，电压波形发生畸变。

3）铜耗、铁耗增加。由于铁心发生直流偏磁致使漏磁通增加，在铁心、构件中会产生涡流，使铁耗增加；同时，由于直流偏磁，使变压器励磁电流增大，变压器的铜耗也随之增大。由于铜耗、铁耗的增加，造成铁心、绕组等发热严重，损坏变压器绝缘和部件使用寿命。

4）对继电保护的影响。直流系统不对称运行时，零序电压增大和电流量突变,导致母差失灵复合电压动作，线路保护起动。

对于三相分体式变压器,如宝鸡站750 kV变压器，无论何种结构，其零序磁通所走的磁路与主磁通的磁路相同。由于技术的进步，这种变压器的励磁电流很小，较小的直流电流流过变压器绕组产生的直流偏磁与空载磁通幅值相当，直流电流对这种变压器的影响较大。

2 德宝直流对750 kV宝鸡变变压器的影响

今后几年西北电网运行方式将发生较大变化，750 kV主网架形成后，330 kV将解环分片运行，引起电网结构变化，由此有必要跟踪电网网架的变化情况，对变压器中性点直流电流变化情况进行分析计算，测试。

2.1 750 kV宝鸡变电站变压器中性点直流电流计算

直流工程中，直流接地极的作用是单极-大地方式运行时作为直流工作电流的返回通道。如德宝直流工程直流接地极的设计额定电流为3 kA，即运行中接地极将可能注入3 kA直流电流，必将会影响接地极极址周边中性点接地变压器的正常工作。

当直流接地极电流引起的电位升高时，若2个变电站之间存在电位差，则直流电流从一个变电站的变压器中性点流入交流系统，从另一个变电站的中性点流出系统。流入中性点接地变压器的直流电流计算方法如图1所示。

图1 流入中性点接地变压器的直流电流计算图

图1中，设变压器1和变压器2所处位置的电位升分别为V1和V2，2个变压器中性点接地电阻分别为R1和R2，每相导线直流电阻为RL，2个变压器每相绕组直流电阻分别为RT1和RT2，则流过变压器各绕组中的直流电流如式（1）所示。

式中，IZ为流过变压器中性点的直流电流。根据各点地电位升既系统的直流等值网络，即可计算得出流过各接地点变压器的直流电流。

交流系统中，除了变压器外，高压并联电抗器绕组也连接于高压导线与地之间。在交流系统直流等值网络中，高压电抗器与变压器电路关系为并联。对于750 kV线路，高压电抗器中性点通常安装有中性点小电抗。高压并联电抗器、中性点小电抗直流电阻比变压器绕组直流电阻大得多，可忽略高压电抗器的影响。

根据西北电网、宝鸡地区电网运行方式，计算变压器中性点直流电流时交流系统网络结构如图2所示。

西北电网运行中，750 kV、330 kV变压中性点均接地。宝鸡地区110 kV贾村变、虢镇变、五丈塬变、鸡冠岩水电站、堡子梁水电站、胥水河水电站变压器中性点接地，其余110 kV变电站变压器中性点不接地。

图2 交流系统网络结构图

宝鸡换流站接地极极址处表层土壤电阻率为53.7 Ω·m。在此基础上，结合宝鸡地区地质情况，建立宝鸡地区土壤分层模型。共分4层，表层厚度为30 m，电阻率为53.7 Ω·m；第二层厚度为10 000 m，电阻率为5 000 Ω·m；第三层厚度为50 000 Ω·m，电阻率为100 000 Ω·m；底层土壤电阻率为100 Ω·m。当直流系统单极大地回流方式运行，输送负荷1500MW时，变压器中性点直流电流计算结果如表1所示。

表1 变压器中性点直流电流计算结果

2.2 750 kV宝鸡变电站变压器中性点直流电流测试

±500 kV德宝直流工程是华中—西北直流联网工程，单极输送容量1 500 MW。在2010年3月23至24日，德宝直流极Ⅱ投运调试中的单极大负荷运行时，测试了750 kV宝鸡变、330 kV雍城变、330 kV硖石变、110 kV贾村变4个变电站变压器中性点的直流电流。测试仪器采用试制的直流钳型电流表，准确度为0.5级（DL/T 437-1991 4.3.4条规定：根据调试现场具体情况，各种直流电流测量仪器和仪表，例如直流互感器、直流钳形电流表、直流分流器和霍尔元件直流测量仪等均可采用；4.3.5条规定：直流电流测量仪表的准确度要求为0.5～1.0级）。现场测试数据如表2所示。

表2 德宝直流极Ⅱ单极大地回路运行时变压器中性点直流电流测试结果

从表2中测试数据可以看出，测试变电站中变压器中性点直流电流均不大。在单极满负荷情况下，750 kV宝鸡变变压器中性点直流电流为3.87 A，约为宝鸡变750 kV变压器额定电流1 585 A的0.24%，满足《高压直流接地极技术导则》（DL/T 437-1991）规定的通过变压器绕组中的直流电流应不大于额定电流的0.7%（约11.10 A）的要求。

《高压直流接地极技术导则》（DL/T437-1991）只是给出了参考值，变压器对直流电流的耐受能力需要得到制造商的确认。

2.3 计算与实测结果分析

由以上计算和实测结果可知，750 kV宝鸡变和330 kV硖石变的计算结果和实测数据吻合较好，而330 kV雍城变和110 kV贾村变的计算和实测结果存在一定的差异，但整个变电站变压器中性点直流电流的大小趋势是对应的。

计算结果和测试结果不可能完全吻合，因为建立的模型对计算结果存在很大的影响。计算直流电流在整个交流电网中的分布存在一个矛盾，一方面希望知道电流的精确分布，电流分布是受大地土壤影响的；另一方面为交流系统所跨越尺度下的大地土壤建立一个确定的模型，几乎不可能也没有必要，因为在整个交流电网覆盖的大尺度下，精确考虑接地极极址处的土壤模型对地表电位和直流电流分布的计算没有很大的意义，极址处的土壤模型和整个交流电网跨越的土壤相比之下，显得太小。仿真结果表明陆地双层土壤模型电阻率的变化，会改变各个站电位的大小，但是整个电流分布的趋势不变。

3 西北电网变压器运行状况的分析重点

根据国内相关研究结果及西北电网近几年的发展变化情况，今后应开展以下工作。

1）对西北电网中变压器中性点直流电流进行测试、计算研究。直流输电单极大地回路运行时，附近交流系统中变压器中性点电流与接地极的位置、流过接地极电流、交流系统的网架结构均有关系。相关研究表明，在距接地极100 km以内的变压器均会受到影响，一般规律是离接地极近的变压器受影响较大。由于交流网络结构的复杂性，也会出现离接地极较远的变压器受影响严重的情况。

2）变压器承受中性点直流电流能力评估研究。研究表明，变压器承受直流偏置的能力与变压器本身的结构有关。对于三相三柱式结构的变压器，直流电流对变压器磁路而言相当于零序电流，产生的磁通需经过磁阻较大的气隙（或油）闭合，允许的直流电流较大。由单相变压器Y连接组成的变压器组，3个铁芯对直流磁通形成闭合的低磁阻通道，直流电流影响最突出，允许的直流电流最小。

一般来说，变压器对直流电流的承受能力取决于变压器的设计。通常变压器允许直流电流的数值可以从铁芯、绕组、结构件局部过热、谐波、噪声、震动影响限制来确定，这就需要与制造商配合进行评估研究。

4 结论

目前西北电网直流输电工程不断增多，但相对国内其他区域，电网的直流工程相对较少，因此变压器受直流电流偏磁影响问题并不突出，但是随着西北电网直流输电规模的扩大，就会带来相应的问题。由于宝鸡750 kV交流变电站与宝鸡换流站的合建，直流电流偏磁影响程度不很明确，因此进行了计算和测试研究，为今后西北电网的直流输电对交流变电站变压器的影响提供数据，奠定基础。通过计算和测试研究，可得到如下结论：

1）在单极满负荷情况下，750 kV宝鸡变变压器中性点直流电流为3.87 A，约为宝鸡变750 kV变压器额定电流1 585 A的0.24%，满足《高压直流接地极技术导则》（DL/T 437-1991）规定的通过变压器绕组中的直流电流应不大于额定电流的0.7%（约11.10 A）的要求；

2）处于宝鸡换流站周围100 km内的330 kV变电站和110 kV变电站内的变压器，受直流输电引起的中性点直流电流都很小，不会对变压器的运行造成影响；

3）计算结果和测试结果不可能完全吻合，因为建立的模型对计算结果存在很大的影响，但整个变电站变压器中性点直流电流的大小趋势是对应的；

4）近几年西北电网运行方式将发生较大变化，750 kV主网架形成后，330 kV将解环分片运行，引起电网结构变化，由此有必要跟踪电网网架的变化情况，对变压器中性点直流电流变化情况进行分析计算，测试。

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