（大唐贵州发电有限公司新能源分公司 贵州贵阳 550081）
摘要：本文以贵州兴仁新建发电厂作为研究对象，该电厂设计经过兴安500kV高压直流输电系统外送功率，主变压器中性点采取直接接地，如果高压直流输电运行过程中两极的电流不相等，接地极会产生直流电流，直流电流将通过大地和交流线路，由一个变电站（变压器中性点）流入，在另一个变电站（变压器中性点）流出，继而产生直流偏磁。通过水平土壤结构下的电位计算方法，计算流过电厂主变压器直流偏磁电流，分析高压直流偏磁电流对电厂主变压器的影响。
关键词：直流偏磁，高压直流输电，主变压器，直流电流
Analysis and Research on the influence of DC bias on the main transformer of power plant
Tang Shi You
（Datang Gui zhou Power Generation Co.,Ltd New Energy Branch Guizhou Guiyang 550081 China）
Abstract: In this paper, Guizhou Xingren new power plant is taken as the research object. The power plant is designed to transmit power through Xingan 500kV HVDC system, and the neutral point of the main transformer is directly grounded. If the current between the two poles is not equal during the operation of HVDC, the grounding electrode will generate DC current, which will pass through the earth and AC lines, and will be divided into a substation (in the transformer In and out of another substation (transformer neutral point), DC bias is generated. Through the potential calculation method under the horizontal soil structure, the DC bias current flowing through the main transformer of the power plant is calculated, and the influence of the DC bias current on the main transformer of the power plant is analyzed.
Key words:Dc bias,HVDC, main transformer,DC current
0 引言
我国能源分布与负荷分布极不平衡，能源与消耗的分布状况促使了“西电东送、南北互供、全国联网”的电网发展战略的诞生，势必需要采取远距离大容量的电力输送方式。就远距离大容量输电而言，高压直流输电（以下简称HVDC）在经济性、互联性、控制性方面比交流输电具有更大的优势，这些优势决定了HVDC技术在我国西电东送和南北互供进程中的重要地位[1]。交直流混合运行的电网结构使得交直流系统之间的相互影响越加明显，对南方电网而言尤为突出[2]。
贵州兴安±500kV高压直流输送功率3000MW，整流侧交流电网为500kV系统。±500kV兴安超高压直流输电工程线路全长1194公里，额定输送功率3000MW，送端贵州兴仁地区电网配套5040MW火电机组和1040MW水电机组，实现大规模水火电能远距离打捆外送，详见下图1。其中，贵州兴仁电厂为新建电厂设计通过±500kV兴安高压直流外送功率。本文主要针对兴仁电厂机组经±500kV兴安直流外送系统进行研究，分析直流偏磁对电厂主变压器的影响。
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图1兴安直流送出系统附近网架结构示意图
1 直流偏磁对变压器的影响
1.1噪音增大
当变压器线圈中有直流电流流过时，励磁电流会明显增大。变压器中增加了谐波成分，会使变压器噪音频率发生变化，可能会因某一频率与变压器结构部件发生共振使噪音增大。在500kV贵广直流线路中，2004年5月监测记录表明，贵广直流单极大地回路运行方式下春城站主变压器中性点直流电流34.5A，噪声93.9dB。[3]
1.2振动加剧
直流偏磁下的变压器铁心处于半周磁饱和状态，产生磁通偏移，同时励磁电流出现畸变，此时磁致伸缩加剧，导致铁心的振动也随之加剧，硅钢片接缝处和叠片间存在由漏磁引起的电磁吸引力，磁饱和时漏磁增大引起电磁吸力增大，从而也加剧了铁心的振动。
1.3局部过热
芯式变压器位于铁心表面的铁心拉板或支撑板，与铁心硅钢片的磁场强度相同，其厚度比硅钢片的厚度又厚得多，大的涡流损耗导致了拉板或有撑板温度升高。试验研究了铁心拉板或支撑板温升与其磁场强度的关系，不论是芯式铁心拉板，还是壳式铁心的支撑板，在同样的磁场强度下，交流过励磁的温升比直流偏磁的温升高约1倍。这是因为直流偏磁时仅半个周波存在高磁场。此外，如果铁心的拉板或支撑板采用非磁性材料，温升可大大降低。
1.4对电压波形的影响
自耦变压器一般采用YN，d，yn连接。对于YN，d和YN，d，yn连接的三相变压器，虽然当直流接地极电流流过YN绕组时，增加励磁谐波电流，但由于一次和二次绕组都可以为三次的倍频谐波电流提供通道，直接为变压器提供所需的倍频谐波电流，使得主磁通接近正弦波，从而使电动势波形也接近于正弦波。然而事实上，当铁芯工作在严重饱和区，漏磁通会增加，在一定的程度上使电压波形畸变。
1.5变压器损耗增加
变压器的损耗包括磁芯损耗（铁耗）和绕组损耗（铜耗）[4]。在直流电流的作用下，变压器励磁电流可能会大幅度增加，导致变压器基本铜耗急剧增加。但由于主磁通仍为正弦波,所以直流偏磁电流对附加铜耗产生的影响相对较小。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YN，d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产生太大的影响。但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，从而导致变压器的漏磁大大增加。变压器漏磁通会穿过压板等构件，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。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。
2高压直流偏磁电流对兴仁电厂主变的影响分析
2.1 计算模型
变压器中性点流过的直流电流受到入地电流、土壤电阻率、变电站接地电阻、变压器等效直流电阻、交流系统网络拓扑和直流电阻参数等因素的影响。[5]在计算出土壤电势的分布后，可利用两点间的电位差来计算流过变压器中性点直流电流。
入地电流可以看成是等值恒定的电流源。如果从接地极电流和土壤模型端看交流系统，入地电流流过大地后形成了大地的电位分布，这个时候对于有多点接地的交流系统来说，任两个接地点之间承受的是基本恒定的电势差，这样从交流系统的等值直流网络端口看，可以认为承受一个电压源的作用。需要把土壤模型和交流电力系统模型结合起来进行研究。
2.2 大地土壤参数
总体来说可以将地层看成由电阻率差异很大的若干层土壤构成，中间某层为高阻层，接近地心处电阻率又很低。高阻层的存在阻挡了地电流向下扩散，强制地电流主要沿地球表面电阻率小的地层流动，从而抬高了地表电位的分布。目前普遍采用的是大地土壤电阻率分层的结构模型。
依据相关参数，汇总表格如下。
表1 不同土壤测量情况
选取测量距离大于15m，将3m、6m处的测量值舍弃掉，因为小于15m误差较大。平均电阻率为228.26Ω.m。
直流接地极参数：圆环直径为500m，环周长共计3676m，埋设深度不小于3m。单极运行时，入地电流为3000A。
2.3 兴仁电厂主变直流偏磁电流
设500kV兴安高压直流送端兴仁换流站接地极为原点
根据所提供的路径图，得到路径图中1号~9号点和各变电站距高压直流接地极的距离及电位，此外，还得到各个变电站与兴仁换流站之间的电流。分别如表3-4所示。
表3 各个变电站的大地电位及与兴仁站之间的电流
注：正号表示流出换流站的方向；负号表示流入换流站的方向。
根据得到兴仁站主变额定电流为：I= 866A
直流电流对兴仁站主变的影响：
直流偏磁电流为
即直流电流占兴仁换流站主变额定电流的0.91%。
3 结语
本文基于典型参数对兴仁电厂主变直流偏磁电流进行了计算，高压直流单极运行在兴仁电厂主变中产生的直流电流为7.9A，为主变额定电流的0.91%。直流偏磁电流对主变影响较小，可暂时不用采取措施。待电厂投运后，根据实测直流偏磁电流大小再进行校验。
参考文献:
[1]高超，郭强，周勤勇，施浩波，覃琴. “十三五”电力规划中新能源大规模外送的安全稳定问题. [J].中国电力2017,50(1):37-42.
[2]刘路，刘瑾. 变压器直流偏磁现象的两种成因及其试验 云南电网公司昆明供电局 云南大学
[3]钟连宏，陆培均，仇志成，蔡汉生．直流接地极电流对中性点直接接地变压器的影响，高电压技术，2003，29(8)：12～14
[4]骆云峰，王磊，李嗣明 直流偏磁对高压设备运行影响的分析及应对 广东电网惠州供电局 广东电网广州供电局 海南电网三亚供电公司
[5]李慧奇，崔翔，侯永亮，李琳，卢铁兵 《直流偏磁下变压器励磁电流的实验研究及计算》。 华北电力大学学报，第34卷第4期 2007年7月
作者简介：
唐世友（1978-），男，大专，助理工程师，主要从事电厂电气检修工作