陈智慧
(广东电网有限责任公司河源供电局)
摘要：本文通过一起110kV船塘变电站6月份直流接地极试验直流超标的案例，分析直流偏磁超标对运行中变压器的危害，制定消除直流偏磁超标措施，引发关于变压器中性点直流偏磁抑制装置装设的必要性思考。通过自身分析以及查阅相关资料，整理并总结了一系列由于直流输电系统的发展引发的变压器直流偏磁现象的突出问题，如产生谐波、引起主变噪声过大、过热而造成变压器的损坏。为确保交流系统中变压器的安全稳定运行，减少不必要的损耗，本文旨在叙述在变压器中性点回路串接中性点直流偏磁抑制装置的必要性，并介绍该装置的构成原理和主要功能，最终实现电网的安全稳定运行。
关键词：变压器 电容隔直装置 直流偏磁 中性点
前言：随着直流输电技术在我国的迅猛发展，直流输电系统建设初期的系统调试、设备故障或检修等原因，使得直流系统单极大地回线方式或双极不平衡方式运行几乎无法避免。当直流系统以单极大地回线方式或双极不平衡方式运行时，系统中高达几千安的直流电流通过接地极注入大地。当直流电流通过接地的变压器中性点流经变压器绕组，将引起变压器磁路直流偏磁，导致铁芯饱和而引起主变噪声过大、过热等问题，严重时损坏变压器，最终威胁电力系统的安全稳定运行。本文从一起直流工程接地极入地电流试验过程中110kV船塘站主变中性点的直流偏磁量超标，分析直流偏磁的危害，制定应对抑制直流偏磁的措施，选择一种最适合该站的方法加以分析其作用、原理以及可实施性。
一、中性点直流偏磁的影响
2020年06月13日，为评估昆柳龙多端直流工程接地极入地电流对极址周边交流系统接地变压器的影响，为昆柳龙多端直流工程建成投运以及接地极周边交流电网的安全运行提供依据；同时为了评估“牛从直流翁源接地改迁、接入长翠村接地极运行”项目对迁后接地极入地电流对周边交流接地变压器的影响，南方电网科学研究院有限责任公司组织各单位配合开展单极大地运行期间交流变压器直流偏磁监测试验工作。昆柳龙多端直流工程广东侧落地点为长翠村接地极，极址位于广东省河源市连平县田源镇。110kV船塘站、110kV灯塔站等站点均在广东侧测试范围内，需要配合试验开展直流偏磁测试工作。
测试当天，未配置隔直装置的站点需要人工进行变压器中性点直流电流以及主变噪声、油温、负荷等参数的测量、记录。分别在接地极入地电流1200A、2200A、1200A且入地电流持续时间15分钟时进行三次的数据测量及记录，其中在测试过程中110kV船塘站的直流数据超标，因未同时达到“直流偏磁电流超过10A且变压器噪声超过85dB”的试验终止条件，故三次数据都得以测得并得出平均值，如下表：
图1 6月份直流接地极试验极址附近主变直流实测值
测试结果反映出110kV船塘站直流数据超标，将导致中性点直流偏磁，可能对主变产生一定的危害。当一部分大地中直流电流通过变压器直接接地的中性点，经由交流输电线路流至线路另一端的中性点接地变压器，并经其中性点入地形成回路，在两端变压器内产生直流磁通，使铁芯磁化曲线不对称，加剧铁芯饱和，最终导致变压器噪声明显增大并引起变压器铁芯、螺栓、外壳等过热，甚至损坏变压器。根据相关资料显示，主变直流偏磁现象对变压器的影响主要表现有：
（1）变压器振动和噪声加剧、温升增加 ：变压器直流偏磁引起的半波饱和使得运行噪声和振动加剧，这已被多次的现场实测数据所证实；部分变压器还发现温升增加的情况。
（2）产生谐波：正负半波对称的周期性励磁电流中只含奇次谐波。由于直流偏磁的作用，使半波深度饱和的变压器励磁电流中出现了偶次谐波。此时，变压器成了交流系统中的谐波源，引起系统电压波形畸变、电容器组发生谐振损坏、继电保护误动、周波表不能正常工作等。
（3）变压器无功损耗增加：由于直流偏磁引起变压器饱和，励磁电流大大增加，使变压器无功损耗增加，从而导致系统电压下降，严重时可使整个电网崩溃。
综上分析可看出，解决110kV船塘变电站#1主变压器直流超标的问题迫在眉睫，若不及时处理可能会产生不可逆的损失。
二、中性点直流偏磁抑制措施比较
为解决直流偏磁超标问题，首先就是要抑制直流偏磁电流，据调查发现，目前我国的直流偏磁抑制措施主要有以下几种：
1、主变中性点注入反向电流法
反向电流注入法是在变压器中性点串入一个等效可控反向直流电压源，以消除中性点直流电流为目的，提供反向的直流电流，示意图见图2。优点：不改变变压器的接地方式；对流入附近其它变压器的地中直流量的影响也很小。缺点：这种方法需在变电站外建造独立接地极（G2），工程量较大，运行维护费用较高；当变电站内几台变压器同时运行，出现直流偏磁时，不能全部补偿到安全值以下。
图2 变电站外建造独立接地极示意图
2、主变中性点加装小电阻限流法
中性点串电阻法是在变压器中性点与接地极之间串入一个限流电阻。为了不改变变压器原有接地方式，电阻越小越好；但为了获得良好的抑制效果，电阻越大越好。优点：结构简单，造价低。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，进而也可能会影响到继电保护的整定；当交流系统发生不对称故障时，还会导致变压器中性点过电压；每当电网结构变化时，接地电阻阻值可能需要重新计算和更换。
图3 中性点串电阻示意图
3、主变中性点加装电容隔直法
中性点串电容法是目前在消除变压器中性点直流电流方面比较实用的一种方案，它在变压器中性点与接地极之间串入隔直电容器。优点：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，而且不会影响交流电流的正常流通。缺点：当装置正处于电容隔直状态时，交流系统发生不对称短路，如对电容器保护不及时，会导致电容器过流损坏。由于现今电容隔直的普遍运用，大部分厂家就针对保护电容器做了严谨的方案，设计了快速旁路可控硅组支路，通过大量的现场应用，使得该缺点得到解决。
图4 中性点串电容示意图
综上比较，选择主变中性点加装电容隔直的方法更适合解决110kV船塘站直流偏磁超标的现状。
三、变压器中性点电容隔直装置原理及作用
1、变压器中性点电容隔直装置的原理
（1）变压器中性点电容隔直装置主要由电容器C、旁路机械开关K3、晶闸管以及SCR触发单元、中性点隔直地刀K2、传感器等组成，组合构成安装在一个户外箱体内，通过中性点隔直地刀与主变的中性点地刀连接，如图5所示。
图5 变压器中性点电容隔直装置原理图
（2）该装置的基本原理是： 当装置检测到变压器中性点直流电流超过限值并达到时限时，会自动打开机械旁路开关K3，将电容器串入变压器中性点与地网之间，利用电容“隔直（流）通交（流）”的特点，能够有效的隔开流过变压器中性点的直流电流。该装置有两种运行状态，一种是当电网运行状态正常时，隔直装置的晶闸管旁路在关断状态、旁路机械开关K3处于合闸位置，此时该装置处于“直接接地运行状态”；另一种是装置检测到变压器中性点流过的直流电流分量超过设定的定值并达到时限时，装置会自动断开机械旁路开关K3，此时装置处于“隔直运行状态”。当装置处于“隔直运行状态”时，若检测到电容器C两端的电压直流分量小于整定值并超过延迟时间后，装置的控制器会判断变压器所在区域的直流地表电位已恢复到正常状态，将装置自动切换回“直接接地运行状态”。图6为《广东电网公司变压器中性点电容隔直装置技术规范》中的电容隔直装置典型控制参数表，可做参考。
图6 变压器中性点电容隔直装置典型控制参数表
2、变压器中性点电容隔直装置的作用
（1）变压器中性点电容隔直装置配置的监控系统能够实时监测装置电流、电压等数据，代替人工测量。以上述的直流测试过程为例，110kV船塘站等站因无该装置故需每个站点安排运行人员前往现场利用测量仪表进行人工测量并记录数据，增加运行人员的工作量，而装设了隔直装置的站点则在测试前检查确认装置无异常即可，无需安排人员进行现场监测。由此可见，该装置起到节约人工、节约时间的积极作用。
（2）在有需求的变电站装设变压器中性点电容隔直装置，可将流过变压器中性点中的直流分量进行抑制，甚至彻底“隔绝”。最大程度的降低了变压器受直流偏磁的影响、降低变压器的损耗，对变压器的运行维护都具有重要作用。
（3）现今隔直装置的广泛应用，对于维护电网的稳定运行以及整个电力系统的安全可靠更是起着十分重要的作用。
四、110kV船塘站装设隔直装置的必要性及可实施性
1、110kV船塘站装设隔直装置的必要性
（1）保障电网的安全稳定运行。由于直流输电技术的迅速发展，直流输电系统建设初期的系统调试更加频繁，据数据显示，近年开展的直流测试逐年增加，而110kV船塘站只配备了一台变压器，若测试过程中因直流量超标满足变压器的退出运行条件，则会严重影响该站周边的负荷供应，乃至影响电网的稳定运行。
（2）减轻运行人员的工作负担，因直流测试都是区域内变电站参与，故在110kV船塘站参与测试的同时，该巡维中心的其余三个110kV变电站均在测试范围，且均未安装隔直装置，需要至少四组运行人员参与现场测试，一定程度上影响了运行人员日常工作的顺利开展。
2、110kV船塘站装设隔直装置的可实施性
根据《广东电网有限责任公司电容隔直装置招标通用技术规范》可知悉电容隔直装置的配备原则中关于主变压器配置需要满足的条件有：
（1）500kV变电站每组变压器应配置一台电容隔直装置；
（2）220kV变电站每台接地主变应配置一台电容隔直装置。不接地主变可与接地主变共用一台电容隔直装置，但应采取“一用一备”配置，不得改变主变原来的接地运行方式；
（3）对于运行主变，如果实测中性点直流偏磁电流超过允许值，则应配置电容隔直装置。
可见，110kV船塘站的现状是满足条件（3）的配置条件要求的，故110kV船塘站存在变压器中性点直流偏磁现象能够通过配置中性点电容隔直装置得以解决。
五、结束语
通过分析回顾直流试验的过程与结果分析，设想中性点直流偏磁量超标的后果，分析直流偏磁抑制措施的方法，选择比较合理有效的应对措施，在本文编写过程中，相关部门已经提出立项申请，110kV船塘站等变电站能顺利安装中性点电容隔直装置指日可待。
六、致谢
感谢编写本文时，变电运行专责乔江峰与李勇新站长对此文的指导并提供历史资料及数据文件。站长卢远飞和副站长叶宇锋结合实际设备进行了详细介绍，对本文的编写起了很大的帮助。另外感谢变电管理所各专业班组同事的解答和帮助，谨此致谢！
七、参考文献
[1] 周杰.电网变压器中性点直流偏磁分析与抑制研究，2018
[2] 广东电网有限责任公司电容隔直装置招标通用技术规范，2017
[3] 广东电网公司变压器中性点电容隔直装置技术规范，2014