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简述电容隔直装置对发电厂主变运行的影响

发表时间：2021/8/10 来源：《中国电力企业管理》2021年4月作者：朱永涛

[导读] 在当前国家新时代西部大开发的推进下，加快“西电东送”项目的实施，特、超高压直流输电网，换流站项目日益增多，使发电厂入网的中性点采用直接接地运行方式的高压变压器直流偏磁现象愈发普遍，造成主变不安全运行，为保证发电厂入网主变及其他设备安全运行，现如今各发电企业在接入电网主变高压侧中性点接地线上安装电容隔直装置，使入网主变安全从而保证发电量不受影响。

广东粤电博贺能源有限公司朱永涛广东茂名 525000

【摘要】在当前国家新时代西部大开发的推进下，加快“西电东送”项目的实施，特、超高压直流输电网，换流站项目日益增多，使发电厂入网的中性点采用直接接地运行方式的高压变压器直流偏磁现象愈发普遍，造成主变不安全运行，为保证发电厂入网主变及其他设备安全运行，现如今各发电企业在接入电网主变高压侧中性点接地线上安装电容隔直装置，使入网主变安全从而保证发电量不受影响。本文简单分析了发电厂入网主变加装隔直装置的原因，隔直的原理及应用。
【关键词】电容器隔直装置主变中性点直流偏磁谐波
        1引言
        我国西部和北部地区多煤炭，西南地区多水能，但用电负荷分散且较少，相反一次能源资源匮乏的东部、由于人口工业多用电负荷相对多且集中。在国家为了现代化全局的推进，改变东西部因能源与经济发展不平衡、进而加快调整能源类型以及东部沿海地区经济快速发展等重大战略构想的指导下，因东西部距离较远若采用普通交流输电技术，电能损耗较大，所以根据直流电的特性，采用特，超高压直流输电技术成为了首选。该直流输电技术由此得到超速发展。由于特、超高压直流输电网常用的运行方式，会使交流电网系统传输流入几十或者上百上千安培的直流电流。当怎么大数值的直流电流通过发电厂入网高压侧中性点是直接接地的主变绕组时，造成主变磁路直流偏磁，导致入网主变铁芯的半波饱和，进而产生多种谐波、造成主变压器一系列问题比如，噪音，发热，振动等，问题较重时造成主变及相关设备的损坏，导致机组解列；谐振损坏、保护误动等现象可能因主变的谐波而产生。这篇文章简单描述直流偏磁如何产生的以及主变加装电容隔直装置消除其对设备影响的原理。
        2直流偏磁产生的原因及危害
        2.1直流偏磁是怎样出现的：一、太阳活动使得地球中的地磁产生感应电流；
        二、特、超高压直流输电网的运行方式导致直流电入地
        2.11太阳活动使得地球中的地磁产生感应电流
        在太阳活动时，特别是耀斑爆发抛射出的速度平均每秒数百千米每小时的高温等离子体向地球袭来，由于被地球磁层的阻挡，能够进入近地空间的只有小部分，不过还是会让地磁场急剧生成地面感应电动势（ESP），地面感应电动势（ESP）使发电厂主变通过中性点接地与大地连接的回路中产生一定频率地磁感应电流（GIC）。因地磁感应电流（GIC）的主要频率范围（0.001Hz～0.1Hz），因其频率可将GIC看作直流电，这是导致发电厂主变产生偏磁现象的原因。
        2.12特、超高压直流输电网的运行方式导致直流电入地.
        当特、超高压直流输电网采用双极不平衡运行或者是单极大地回线运行方式，交流输电网又与之距离不远，很大的直流电流通过大地在直流接地极间传输。由于直流电流在大地间的传输，大地的电位差就由此产生，发电厂的主变通过中性点接地与直流系统通过直流传输的大地形成并联回路，会引起数十甚至几百上千安培的直流电流流过发电厂主变,危害变压器的运行。
        2.2直流偏磁对于变压器的危害
        （1）由于直流偏磁导致发电厂入网主变压器铁芯的半波饱和使得主变工作运行时噪声、振动越来越大，这已被多次的现场实测数据所证实；同时还有一些变压器运行时出现温度上升的现象。
        （2）奇次谐波只在主变励磁电流中，但是由于出现直流偏磁，造成发电厂主变半波深度饱和，导致少量的偶次谐波存在励磁电流中。在这样的情况下发电厂的主变成为了谐波源，使交流电网出现诸多问题，以下就是出现的问题：系统电压波形发生畸变、电容器组产生谐振损坏、继电保护发生误动作、周波表无法正常显示数据等。
        （3）使主变铁芯进入饱和区工作就因直流偏磁而产生，并且励磁电流明显的变大，造成主变无功损耗变大，电网系统电压下降，危机时使电网瘫痪这一系列问题。
        （4）直流偏磁使发电厂主变波形产生非常严重的畸形变化，引起相关继保装置动作不正常，靠零序电压、零序电流启动触发继电保护装置动作的会因出现零序谐波比如3.6.9次谐波造成误动。
        3电容隔直的原理以及运行
        3.1基本原理
        当电容隔直装置在发现并测量出流入到发电厂主变内的直流电流大小及时间超过设定值时，装置会发电容C的机械旁路开关会自动关闭信号，同时将电容器C接入主变中性点与大地接地网中间的接地线中，该装置利用“阻断直（流）导通交（流）”这一电容器的特性，将原本通过中性线流入到发电厂主变的直流电流进行有效的隔绝阻断。同时装置又设计安装配备了电容器旁路保护系统，这套保护加装并联了双向晶闸管及机械旁路开关。装置检测到交流系统不对称短路故障出现在隔直投入期间时，零序电流会流经电容器，此时电容器接在主变中性线上。当装置检测到零序电流或者电容器两端电压超过提前设定值时，会立即下达双向晶闸管（如下图1 ）旁路接通的指令，另外同时下达闭合机械旁路开关（如下图1 K3）的指令。但是因K3动作合上时长相比接通双向晶闸管的要长一些，导致交流电网系统的故障产生的短路电流会首先经双向晶闸管旁路流入接地网中，以迅速完成使电容器不损坏的目标。等到合闸机械旁路开关（K3）完成以后，原本流向双向晶闸管的短路电流转向流入机械旁路开关（K3）进而导入接地网中，转为关断是晶闸管这同时间段的结果。等交流系统或者电网恢复到正常状态，没有短路电流时，装置发分闸机械旁路开关（K3）信号，然后自动断开，电容器C将再次接入主变中性点接线中，恢复隔直运行方式。
其电气原理图如下：

        图1
        图1中主要电气元件：（1）电容器组 C；（2）隔直开关 K3；（3）可控硅组 SCR；（4）限流电抗器 L；（5）SCR 触发单元；（6）瞬时电压监测单元 KSvM；（7）瞬时电流监测单元 KScM；（8）直流电压传感器 PT1、PT2；（9）直流电流传感器 DCCT1、DCCT2；（10）交流电流互感器 ACCT；（11）数字控制器；（12）远程监控计算机。
        3.2电容隔直装置的运行方式
        装置的不同工作状态：一为经电容器接地状态；二为不经电容器直接通过机械旁路开关（如图1 K3）接入接地网的状态。
        动作情况，正常为原地刀k11分闸，新地刀k12合闸状态，当检测出没有直流电流经发电厂主变中性点时，装置运行状态为机械旁路开关（如图1 K3）合闸状态，可以保证发电厂入网主变的中性点直接可靠的有效的接地；当隔直装置检测到通过机械旁路开关流入主变中性点直流电流的大小时间超过当初预设值，装置发出分闸机械旁路开关k3的指令，将电容器接入到主变的中性线上完成状态切换，将检测到的直流电流有效隔绝；虽然电容器本身的工频阻抗已经足够小，但仍能让发电厂主变中性点以及电网系统中有效地可靠地接地并且稳定的通过产生的交流零序电流。若装置测量出交流零序电流数值超过装置设定值时，则隔直装置判定与其相连的交流系统发生不对称短路故障，装置下达接通双向晶闸管旁路，并同时发出闭合指令到电容器C机械旁路开关（图1 k3）处，这样能迅速保护电容器C，同时又能够保证发电厂主变中性点有效的可靠的接入大地。
        若电容隔直装置因发生故障需要检修退出运行，必须有运行人员先合闸原地刀k11，才能分闸新地刀k12，隔直装置的主要作用就是同交流隔绝直流，通过隔直装置内的电容器实现，同时要保证发电厂主变高压侧中性点要可靠接地，发生故障时可靠快速动作。
        4隔直装置控制系统及模式
        4.1控制系统
        发电厂主变电容器隔直装置根据控制系统来检测出下面相关参数：
        一、直流电流通过隔直流入发电厂主变中性点的大小和时间；
        二、直流电压存在于电容器C两端的数值的大小；
        三、交流电流通过主变中性线流过装置数值的大小；
        四、装置的环境温湿度，
        结合隔直系统操作软件构成后台实时监测和自动控制。控制系统主要分为两种：一、后台监控系统；二、就地控制逻辑系统。后台隔直监控系统：位于配电室内，与就地设备实时通信，记录数据和事件。就地控制逻辑系统：判断是否投入或者切除电容器的依据为该装置实时检测出电压电流的数据大小。
        4.2控制模式
        隔直装置一般根据控制的不同地点和方式手段进行划分：一是按地点分两种模式分别为“就地”、“远方”；二是按方式分两种分别为“手动”、“自动”。
下图示出装置的控制模式：

        图2      隔直装置控制模式图
        装置的“自动”控制下“远方”或“就地”都是通过数字控制器来进行控制。而在“手动”控制下，“就地”模式只有通过操作就地装置的控制面板上相关按钮实现控制；“远方”模式则在控制室用鼠标来操作电脑相关画面来实现的。“手动”控制下，无论“远方”还是“就地”都只适用于该装置处于调试阶段下的操作。一般装置控制方式调为“远方自动”模式是在调试完成投入运行时。
        5结语
        现在国家经济发展大力推行西部大开发，尤其“西电东送”项目是国家能源战略的重点项目，特，超高压直流输电线路存在的优势明显，但是其对交流系统中无论是变电站还是发电厂入网中性点采用直接接地的高压变压器来说，受直流偏磁的因素，出现潜在的危害，导致发电厂主变以及变电站主变的运行受到很大影响。通过研究分析以及实践证明在以中性点以直接接地的发电厂入网主变中性线上安装电容器隔直装置，可以有效解决因直流偏磁对于主变安全稳定运行产生的危害，且电容器隔直装置的成本，耐压以及稳定性来说都是对于变压器安全稳定运行有着很重要的影响，同时对于提高发电厂机组运行以及交流电网安全稳定有着举足轻重的影响。
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