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_800kV天_中直流对哈密电网_省略_压器直流偏磁影响的仿真与实测研究_王建.pdf

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_800kV 直流 哈密 电网 省略 影响 仿真 实测 研究 王建
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±800 kV天—中直流对哈密电网变压器 直流偏磁影响的仿真和实测研究王建1,马勤勇1,常喜强2(1.国网新疆电力公司电力科学研究院, 乌鲁木齐830011;2.国网新疆电力公司, 乌鲁木齐830063)摘要:±800 kV天—中特高压直流工程于2013年投运,天山换流站地处哈密电网变电站集中地带,其接地极位置较为特殊,为研究天中直流在单极大地方式运行时对哈密电网变压器直流偏磁的影响,通过交流电网直流电流分布计算软件仿真计算分析了哈密电网变压器直流分布的情况, 同时在系统高端调试期间对换流站所在的哈密地区电网直流偏磁进行了多点测量,积累了大量实测数据。 仿真结果表明,在天中直流大功率单极大地运行时,离天山换流站较近的220 kV中性点接地变压器中性点直流电流较大,实测也发现与仿真类似的结果,仿真结果与实测数据基本相符合,严重威胁主变偏磁运行,后期通过在直流电流过大的主变加装了直流偏磁抑制装置,实测表明其大大降低了变压器中性点的偏磁电流,提高了哈密地区电网的安全性和可靠性。关键词: 天中直流; 变压器; 直流偏磁; 仿真与实测; 偏磁抑制Investigating the Impacts of ±800 kV Tian-Zhong HVDC Project on Transformer DC Magnetic Bias in Hami Power Grid via Simulation and MeasurementWANG Jian1,MA Qinyong1,CHANG Xiqiang2( 1. State Grid Xinjiang Electric Power Research Institute,Urumqi 830011,China;2. State Grid Xinjiang Electric Power Corporation,Urumqi 830063,China)Abstract:The ±800 kV Tian-Zhong HVDC project was put into operation in 2013, and its Tianshan converter station is located in the centralized substation area of Hami electric grid, where grounding pole location is rather special. To investigate the impacts of the ±800 kV Tian-Zhong HVDC project on transformer DC magnetic bias in Hami power grid, the calculation software of AC power grid DC current distribution was employed to analyze theDC current distribution of the transformer in Hami power grid by means of simulation.And the multi-pointmeasurement of the transformer DC magnetic bias in Hami power grid, where the Tianshan DC converter station is located in,was conducted. Simulation shows that when the Tian-Zhong HVDC project operated with high power in monopole earth mode,the DC current at the neutral point of the neutral-grounded 220 V transformer nearer to theTianshan DC converter station got larger.The simulation results coincide with the measured ones.This situationharms the safe operation of the main transformer with magnetic bias current.Subsequently,a DC magnetic bias suppression device was added to the main transformer with large neutral DC current, hence the DC magnetic bias current was greatly reduced.Key words: Tian-Zhong HVDC project;transformer;DC magnetic bias;simulation and measurement;DCmagnetic bias suppression0引言直流偏磁是变压器一种非正常工作状态,由于变压器的原边等效阻抗对直流分量只呈现电阻特性,且电阻很小,因此,很小的直流分量就会在绕组中形成很大的直流激磁磁势,该直流磁势与交流磁势一起作用于变压器原边,造成变压器铁心的工作收稿日期:2015-04-09;修回日期:2015-05-27第 51 卷第 11 期: 0168-0175 2015 年 11 月 16 日High Voltage ApparatusVol.51, No.11: 0168-0175 Nov. 16,2015DOI:10.13296/j.1001-1609.hva.2015.11.028磁化曲线发生偏移,出现关于原点不对称,即变压器偏磁现象[1-4]。大型电力变压器的励磁电流比较小, 流过变压器的少量的直流电流就可能导致直流偏磁,引起铁心饱和,导致电流波形畸变,产生高次谐波,危害变压器和电力系统的安全运行[5-9]。 高压直流输电单极大地回线运行方式容易导致周围变电站变压器出现直流偏磁现象, 换流变压器也受到直流偏磁的严重威胁[10]。目前中国特高压直流输电的入地电流比普通的直流输电工程更大: 现在一般±500 kV直流输电工程的入地电流为3 000 A,云广特高压为3 125 A,向家坝—上海和溪落渡—浙西特高压为4 000 A,锦屏—苏南为4 500 A。大量的入地电流将产生严重的直流偏磁威胁, 危及交流电网安全运行, 因此有必要对新投特高压直流输电工程换流站所在的地区电网开展直流电流分布预测和监测、直流偏磁预防和治理方面的研究。目前对变压器直流偏磁电磁学方面的研究尚不成熟,就连确定具体参数的变压器绕组允许通过的直流电流也不能单纯通过仿真来确定,而是需要变压器生产厂家通过试验来确定[11-13]。 天—中±800 kV特高压直流工程西起哈密东至郑州,天山换流站接地极位于新疆哈密地区, 而哈密地区不仅有3座750 kV变电站作为“疆电外送”枢纽站,还有众多的风电场和光伏电站并网, 连同本地的220 kV和110 kV电网一起,与天山换流站形成了复杂的电网结构。文中采用交流电网直流电流分布计算软件针对天山换流站的运行对哈密电网变压器直流偏磁的影响进行了仿真,并通过现场实测,分析了天中直流对哈密电网主变直流偏磁的影响,同时针对出现的个别主变偏磁现象严重提出并实施了治理的方案,并取得了较好的抑制效果。1天—中直流运行时哈密电网变压器中性 点直流电流的仿真计算与测量1.1±800 kV天—中特高压直流系统基本情况±800 kV天—中特高压直流工程2013年投运,它是新疆第一条特高压直流输电工程,其直流输电线路途经6省,全长2 211 km,换流站的额定输电电压±800 kV,额定电流5 kA,输电能力为8 000 MW,由此将哈密地区丰富的火电、风电和太阳能“捆绑”直送华中地区,实现“西电东送”。天山换流站芨芨台接地极站位于哈密市东南部,距哈密市约60 km,乌拉台乡政府北侧约22 km,隶属哈密市的乌拉台乡。 芨芨台接地极站距离换流站直线距离约为62.09 km,周围各电压等级的变电站均有,距离较近的变电站有750 kV哈密变电站、750 kV烟墩变电站、220 kV东疆变、220 kV烟墩西、110 kV兴业变等多个变电站。20多个不同电压等级的变电站汇集在接地极半径100 km以内,极容易受接地极流过幅值较大的直流电流而引起变压器发生偏磁现象。随着天—中直流工程的低端投运,直流输电入地电流在新疆交流电网分布的研究越发紧迫,根据运行人员巡检发现,在天中直流低端大功率单极大地方式运行时,石城子变、东疆变等多个变压器出现主变振动加剧,噪声明显增大的现象,这些都是典型的变压器直流偏磁的特征,因此重点研究和治理天—中直流投运对新疆电网变压器中性点直流电流过大而造成直流偏磁问题显得极为迫切。1.2仿真建模应用为仿真计算天—中特高压直流投入运行后对新疆电网变压器直流偏磁的影响,文中采用基于电流分布理论的 《交流电网直流电流分布计算软件》进行计算,该软件程序从入地电流的恒流场进行分析,推导出场路耦合模型,该软件的使用已成功预报了大量存在直流偏磁风险的变电站,并积极地参与了抑制措施选型的工作,有较高的准确性[14-16]。根据电流分布理论分析,直流电流要形成耦合通道, 需变压器中性点接地, 而对于变压器63 kV侧采用三角形接法, 与输电线路无法形成耦合通道,因此只需关注110 kV及以上电网。 利用哈密地区地网结构图,见图1,并根据各个变电站参数和线路信息,建立了哈密地区电网结构仿真模型进行直流电流分布仿真分析。1.3计算值与实测值的比较基于交流电网直流电流分布计算软件,建立了哈密地区的仿真模型后, 结合±800 kV天山换流站低端调试,对新疆电网哈密地区的电网进行了仿真和初步实测。 此次实测使用Fluke高精度钳形电流表,该电流表直流检测模式基于霍尔效应原理检测直流电流,可以实时、连续地检测电路电流中的交流或直流分量,也可以同时检测交流与直流的合成量,电流表的直流电流检测范围为:DC/0~2 000 A,分辨率为10 mA(40 A量程)/100 mA(400 A量程)/1 A(2 000 A量程)。 测量时的量程由现场测试人员根据现场电流的具体幅值而随时切换量程,保证最终选择高精度的量程测得直流电流数据。在天山换流站低端调试中,当天—中直流采用单级大地方式运行,直流极注入I0=-5 000 A时,哈研究与分析王 建, 马勤勇, 常喜强. ±800 kV 天—中直流对哈密电网变压器直流偏磁影响的仿真和实测研究169··2015年 11 月第 51 卷第 11 期图1哈密地区电网结构图Fig. 1Power grid structure of Hami district170··天山流站附近110 kV及以上变电站分别采用以下3种运行方式:方式1。 东疆变2号主变220 kV侧中性点接地开关拉开,110 kV侧中性点接地开关合闸, 骆驼圈子110变中性点接地开关、兴业变、雅矿变中性点接地开关均拉开, 白山泉110变中性点接地开关、黄山东110变中性点接地开关合闸,其他变电站均采用正常中性点接地方式。方式2。 东疆变2号主变220 kV中性点、烟墩西220 kV侧中性点接地开关拉开,110 kV中性点接地开关合闸, 骆驼圈子110变中性点接地开关、兴业变、雅矿变中性点接地开关均拉开,白山泉110变中性点接地开关、黄山东110变中性点接地开关合闸,其他变电站均采用正常中性点接地方式。方式3。 东疆变2号主变220 kV中性点、烟墩西220 kV侧中性点接地开关拉开,110 kV中性点接地开关合闸, 骆驼圈子110变中性点接地开关、兴业变、雅矿变中性点接地开关均拉开,白山泉110变中性点接地开关、黄山东110变中性点接地开关合闸,并将烟疆一、二线断开,其他变电站均采用正常接地方式。在以上3种运行方式中,对天山换流站周边变电站进行中性点接地的变压器实地偏磁直流电流测量。 同时,根据哈密地区的网络结构,利用交流电网直流电流计算软件, 得到测量值与仿真计算值,见表1。根据表1, 在第一种运行方式下,750 kV哈密变的仿真值为4.7 A,实测值为4.5 A;750 kV烟墩变的仿真值为7.7 A,实测值为8.0 A。 从表1可看出,仿真与实测较为吻合,因此利用该软件对哈密地区进行建模分析能够初步预测各个变压器中性点电流的情况。 同时,根据实测的数据可以明显的看到,距离接地极越近的变电站中性点接地的变压器中性点流过的直流电流越大, 如表1中所示,同等距离下, 距离接地极较近的750 kV自耦式变压器受直流输电的影响较220 kV变压器要大很多,例如在方式1中,750 kV烟墩变的中性点直流电流最大达到11.07 A, 远大于其他变电站的中性点电流值。 仿真和实测还发现750 kV哈密和220 kV东疆变、十三间房变等变电站中性点直流电流都偏大。通过仿真和实测,均已明确了天中直流大地运行方式下会对哈密地区电网部分变压器直流偏磁产生重大的影响,针对这一现象,结合目前国内外使用的偏磁治理方式,有必要对哈密电网变压器进行合理的偏磁治理,以达到降低中性点直流电流的目的。2中性点直流偏磁电流抑制2.1抑制变压器中性点直流电流的措施目前抑制直流偏磁的主要措施有:在变压器中性点串接电容、注入反向电流和串接电阻[17-22]。中性点串接小电阻的方案十分简单明确,在中性点和地网之间串入一个阻值为数欧姆的小电阻, 可以减小中性点流入的直流电流。 反向注入电流法仅局限在电流超标的变电站中使用, 需要较大功率的电源,接入方式较复杂,不易现场快速的实施, 其效果还有待进一步验证。 串联电阻的大小需要根据变压器和变电站及地网的具体情况选取。除了对中性点接地进行改造外,还有其他方式也在探索研究中。 例如,在交流输电线路上安装串联电容器,利用电容器的隔直作用抑制直流通过线路进入变压器。 但是,针对目前天中直流工程的现状, 以上方法都不能快速有效地抑制直流偏磁,结合国内外治理偏磁的经验,该次治理采取了从交流电网自身的抑制措施入手,即加装隔直装置。2.2主变中性点直流抑制装置安装该次哈密电网变压器采用串联电容技术使用的隔离直流电流的装置。 其基本原理见图2。测量中性点直流电流的直流电流互感器(CT1、CT2),是基于霍尔效应研制的直流电流传感器,该传感器测量中性点中的电流值用于控制旁路开关,当表1中性点直流电流实测值与仿真值对比Table 1The measured values compared with thesimulation values of neutral DC current变电站名称与接地极距离/km方式3/A仿真 实测 仿真 实测 仿真 实测750 kV哈密变544.74.54.94.65.14.9750 kV烟墩变457.78.09.59.710.2 10.6220 kV石城子582.22.12.2—2.3—220 kV银河路640.30.30.3—0.40.3方式1/A方式2/A图2隔直装置原理Fig. 2Principle of DC isolated device研究与分析王 建, 马勤勇, 常喜强. ±800 kV 天—中直流对哈密电网变压器直流偏磁影响的仿真和实测研究171··2015年 11 月第 51 卷第 11 期当天中直流在给定单极大地运行方式下施加功率至稳定时,哈密地区各个中性点接地的变压器测点工作人员,同时测量中性点直流电流。 测点见表3。3.2直流偏磁测试结果为了检验天中直流单极大地回线方式下,哈密地区加装隔直装置后对电网直流电流的抑制效果,以及验证仿真计算的准确性,在天中直流单极大地回线方式下对哈密及周边地区交流电网的变电站进行了直流电流测试,以下列出5种测试情形予以说明,变电站各个变压器不同电压等级中性点的实测和仿真数据见表4。情形1: 哈密地区电网主变接地方式按照原有方式运行,见图4,极一低端单极大地回线200 MW。情形2:拉开烟墩西、石城子、麻黄沟东220 kV侧接地点, 极一高端单极大地回线250 MW时,烟墩、东疆隔直装置动作。情形3:拉开烟墩西、石城子、麻黄沟东220 kV侧接地点, 极一高端单极大地回线400 MW时,哈密、烟墩、东疆、十三间房隔直装置动作。情形4:拉开烟墩西、石城子、麻黄沟东、山北220 kV侧接地点,极一高端单极大地回线400 MW,东疆、烟墩、哈密装置已动作,十三间房装置未动作。情形5:拉开烟墩西、石城子、麻黄沟东、银河路、 天光电厂、 东源热电1号主变220 kV侧中性点, 极一高端单极大地回线400 MW时, 东疆、烟墩、哈密装置已动作,十三间房装置未动作。检测到中性点的直流电流大于预警值时发出投入隔直装置的信号。 该装置在安装过程中,通过新设地刀GN1与GN2将隔直装置与原地刀进行并联,正常状态下,地刀GN1和旁路开关VFC闭合,保持中性点经过新设地刀GN1和旁路开关VFC直接接地,安装完毕后原地刀与GN2打开。 当CT检测到过流时,发出信号,旁路开关打开,隔直装置立即串联进入中性点接地回路中,起到隔直作用。 检修时将隔直柜检修开关GN2闭合即可转入检修状态。经过仿真计算和初步测量,决定在中性点电流较大的750 kV哈密、烟墩和220 kV东疆变、十三间房变安装隔直装置。3大功率单级大地运行对哈密电网的影响在天山换流站低端调试期间,通过仿真和现场实测,发现天—中直流在大功率双极不对称和单极大地运行方式下对哈密地区电网主变的影响较大,为此,在天—中直流高端调试期间,新疆电网在哈密地区部分变压器安装了中性点直流电流抑制装置,与天中直流调试工作相互配合,尤其是在单极大地运行方式下,对哈密地区电网直流偏磁现象进行了进一步的测量和研究。3.1大功率单级大地运行调试天—中直流工程高端调试期间,单极大地运行方式下,根据输送功率的不同,接地极中流入大地的电流也不同,对于单极大地运行方式下,换流器投入的数量固定时输送电压即可固定下来,调节输送功率的同时就是在调节直流输电的电流值,因此,单极大地方式运行时,接地极的入地电流随着功率的大小波动。 表2所示为极1高端单极大地方式运行(电压为400 kV)时接地极电流情况,单极大地运行方式见图3。表3中性点直流电流测点Table 3Measuring point neutral DC current电压等级/kV测点所在变电站750吐鲁番、烟墩、哈密、沙洲、敦煌220山北、银河路、天光电厂、淖毛湖、十三间房、东疆、烟墩西、石城子、麻黄沟东、东源热电110东疆、天光、山北、淖毛湖图3单极大地运行方式Fig. 3Monopole earth operation mode表2直流输送功率与接地极电流对应表Table2TheDCtransmissionpowerandgroundingcurrent哈郑直流输送功率/MW接地极电流/A2005003007504001 000172··图4220 kV级以上网架结构及试验前接地状态Fig. 4Grid structure above 220 kV and the ground statebefore test表4直流电流测试数据与仿真结果对比Table 4DC current test data and the simulation resultsA变压器测点情形5仿真实测仿真实测仿真实测仿真实测仿真实测750 kV哈密5.8255.7008.2147.7500.000—0.000—0.000—烟墩5.3035.6000.000—0.000—0.000—0.000—吐鲁番-0.327-0.300-1.038-1.100-1.435-1.500-2.251-2.420-1.353-1.220敦煌-1.610-1.620-2.615-2.660-2.286-2.370-5.978—-2.173—沙州-4.695—-4.094—-6.046—-5.970—-5.833—220 kV山北-2.750-3.140-3.026-3.720-4.887-4.7100.000—-3.508-3.210石城子0.9291.2400.000—0.000—0.000—0.000—天光-0.3050.3600.1980.1712.0382.1842.5992.8900.000—银河路-0.4620.5101.9492.1002.0752.1692.1762.3000.000—东疆10.40411.1100.000—0.000—0.000—0.000—烟墩西2.2452.3000.000—0.000—0.000—0.000—淖毛湖-0.475-0.500-0.569-0.630-0.870-0.840-1.313-1.480-0.848-0.880十三间房-1.759-1.700-1.907-1.8200.0000.000-2.468-2.450-2.178-1.250东源热电-0.8921.7000.3720.3501.9451.7202.0640.4000.000—麻黄沟东-0.922-0.9700.000—0.000—0.000—0.000—110 kV东疆0.0000.2600.0000.0200.0010.0600.0010.1300.0010.040天光0.0090.0501.0331.1501.398-0.2401.273—1.809—淖毛湖0.3910.5000.4840.4970.7730.6400.7780.6600.7690.742山北0.8970.8701.0501.1500.8951.0550.7150.8290.6090.623情形1情形2情形3情形45种情形下, 哈密地区电网的接地主变依次拉开接地点,且直流输送的功率也由200 MW增大到400 MW,接地极的电流由500 A增大至1 000 A。情形1为哈密地区电网原始状态,测量天中直流功率200 MW时各个变电站的中性点的直流电流值。情形2中,直流功率为250 MW时,距离接地较近的烟墩变和东疆变隔直装置首先动作,且东疆变隔直电容两端的电压高于烟墩变的,说明了与接地极距离越近,受到直流偏磁的影响越大。情形3在情形1的基础上增加直流输送功率至400 MW,在功率上升至400 MW的过程中,哈密变和十三间房变的隔直装置也相继动作, 以此判断,随着接地极电流的增大,直流影响的范围增大,直流电流通过中性点接地变压器和输电线路输送至更远的接地变压器, 距离接地极站209 km的十三间房变的隔直装置动作说明接地极电流通过耦合通道到达十三间房变电站,也说明了通过合理改变哈密地区电网的主变中性点接地方式,可以将直流电流的耦合通道延长和转移,从而避免本地区的中性点电流过大导致主变发生严重的直流偏磁现象。情形4在情形2的基础上将哈密地区北部的山北变中性点拉开,分析可知,山北变中性电拉开致使直流耦合通路在山北变处断开,进一步延伸至麻黄沟和淖毛湖等哈密天山以北的远区,通过这种方式,改变了近接地极区的直流场电流分布,稍远处的装有隔直装置的变电站:哈密变和十三间房变中性点的直流分量降低,从而隔直装置未动作投入进行抑制。情形5中,哈密地区电网中拉开了烟墩西、石城研究与分析王 建, 马勤勇, 常喜强. ±800 kV 天—中直流对哈密电网变压器直流偏磁影响的仿真和实测研究173··2015年 11 月第 51 卷第 11 期子、麻黄沟东、银河路、天光电厂、东源热电1号主变共计6个220 kV侧中性点,极一高端单极大地回线400 MW时,哈密地区中接地极近区的烟墩变、东疆变、哈密变、山北变、淖毛湖变220 kV变压器接地,天中直流在以400 MW功率输送电能时接地极入地电流幅值为1 000 A, 入地电流可以通过750 kV烟墩变—220 kV东疆变—750 kV哈密变—220 kV山北变—220 kV淖毛湖变组成的变压器—线路耦合通道传送直流电流,位于近区的东疆变、烟墩变和哈密变中性点直流电流过大, 导致相应的隔直装置动作,以限制直流。在以上5种情形中, 测量结果与仿真数据相比,虽然有一定的差值,但是随着中性点运行方式的改变和直流输送功率的改变,仿真数据的变化趋势与实测值非常接近。 同时可以看出,110 kV等级的变压器中性点入地电流都较小,大多小于3 A,因此天中直流的投运对220 kV及以上电压等级的设备的影响较大, 重点治理直流偏磁主要对象应以220 kV及以上的主变设备为主。 在5种情形对应的运行方式的测试过程中,隔直装置动作根据直流电流阈值的设置正确动作,成功避免了变电站主变直流电流过大,造成偏磁现象危机主变运行。 该次实测和仿真表明了隔直装置与电网接地点运行方式相互配合,能够有效抑制变压器直流偏磁。4结论1)天山换流站及其接地极位处哈密电网特殊位置, 大量的220 kV及以上电压等级的变电站分布于周围,天中直流的投运势必会成为哈密电网主变直流偏磁的主要影响因素,目前已经实测到较大的中性点直流电流,因此,需要继续深入研究直流偏磁原理和治理方法,为今后哈密地区更多的特高压建设和运行做好准备。2)仿真数据和实测结果两者较为一致,充分证明了该仿真程序的实用性较强,针对不同的运行方式,可以进一步进行仿真分析,指导直流偏磁治理工作。3)经过仿真和实测发现,哈密地区电网的多个距离换流站接地极距离较近的220 kV变电站,容易产生较大的中性点直流电流, 通过在220 kV东疆变、750 kV烟墩变和哈密变安装隔直装置, 有效抑制接地极近区的主变偏磁电流。4)隔直装置与地区电网主变的接地方式相结合,可以有效改变直流的通路,从而实现抑制直流偏磁问题。 对于地区电网的接地运行方式仍然需要进一步的深入研究,以确定最优的电网接地拓扑结构,防止将直流电流疏导至其他变压器而产生严重的直流偏磁现象。参考文献:[1]王明新,张强.直流输电系统接地极电流对交流电网的影响分析[J].电网技术,2005,29(3):9-14.WANG Mingxin,ZHANG Qiang.Analysis on influence ofground electrode current in hvdc on ac power network[J].Power System Technology,2005,29(3):9-14.[2]曾连生.直流输电接地极电流对电力变压器的影响[J].电力建设,2004,25(12):22-24.ZENG Liansheng. 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