深圳變電站500 kV主變壓器直流偏磁現象測試及抑制分析

伍國興，陳龍，史云濤，林圣

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.西南交通大學，四川 成都 611756)

自2011年5月起，深圳電網轄區500 kV深圳變電站(以下簡稱“深圳站”)變壓器陸續出現間歇性噪音的異?，F象，該噪音出現的時間間隔及持續時長并無明顯特征，但在總體上呈現白天時段明顯、夜間時段減輕的規律。由于變壓器負載變化相對平緩，變壓器異常噪音主要來源于其本體噪音的增大。針對此，對變壓器噪音異常的原因進行排查定位，經監測發現，噪音異?，F象發生于中性點接地變壓器，且在變壓器接地中性點存在幅值波動頻繁、方向不斷變化的直流電流入侵現象，變電站4號變壓器中性點監測到的最大直流電流幅值可達22 A。初步分析推測，該現象為直流電流入侵變壓器中性點導致的變壓器直流偏磁現象。

直流偏磁是變壓器處于非正常運行狀態下的一種現象，其本質是磁化曲線的非線性[1]。由于直流電流入侵變壓器中性點，使得變壓器繞組中存在直流電流，繞組產生的直流磁通與交流磁通疊加，造成變壓器工作點發生偏移，磁滯回線部分進入飽和區域，從而導致勵磁電流發生畸變[2-3]，致使變壓器出現直流偏磁，造成變壓器噪聲增大，振動加劇，溫升過高以及無功損耗增加，大大縮短了變壓器壽命，甚至影響繼電保護正常工作[4-6]。導致變壓器直流偏磁的原因主要有：①地磁暴導致的地磁感應電流[7]；②直流輸電單極接地運行導致的入地電流[8]；③地鐵運行導致的雜散電流[9]。地磁感應電流是由太陽風暴導致的地磁擾動所誘發，其頻率為0.000 1～0.01 Hz，可視為低頻準直流[10]。高壓直流輸電工程一般采用雙極平衡運行，此時直流電流不流經大地；當換流站故障或檢修時，采用雙極不平衡運行或單極運行，此時直流電流從大地回流，從而導致大地中流有幾百安培甚至上千安培的直流電流[11]。地鐵雜散電流則是由于國內地鐵運營采用直流牽引的供電制式，直流電流通過牽引變電所經接觸網、車體、鋼軌并流回至另一變電所，鋼軌不能做到完全絕緣使得直流電流向大地中泄漏。地磁感應電流和直流電流由于變化周期較長，變化速度較為緩慢，可視為穩定直流源，而雜散電流則是幅值不斷變化的直流源。

目前，對于直流偏磁的研究主要集中在地磁暴和直流接地極作用下電網發生的直流偏磁[12-14]，對雜散電流所引發的直流偏磁研究則較少[15-16]，且針對雜散電流引發直流偏磁的治理研究尚處理論階段，少有數據支撐。

為了明確深圳站變壓器異常噪音的原因，有效解決該問題，本文對深圳站500 kV變壓器中性點直流電流進行監測，分析變壓器中性點直流電流的特征，明確變壓器直流偏磁引起的變壓器噪音異常及其成因[17]，形成變壓器直流偏磁抑制方案；通過對比分析抑制效果，說明在雜散電流入侵接地變壓器的情況下，直流偏磁需要根據電網電氣拓撲結構，基于全網角度進行綜合優化治理。

1 測試分析

500 kV深圳站現有3×250 MVA的主變壓器(以下簡稱“主變”)3臺，分別為3號、4號、5號變壓器；500 kV電壓等級電氣設備為氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)，采用3/2接線方式，共有4個完全串，1個不完全串；500 kV輸電線路共4回，分別連接500 kV鵬城站及嶺澳核電站，并通過3臺500 kV/400 kV并聯變壓器與香港中電電網相連；220 kV電壓等級設備為敞開式設備及高壓GIS(HGIS)，采用雙母線雙分段接線方式，輸電線路共12回；35 kV電壓等級設備為無功補償設備，其中包括40 Mvar電容器8組、45 Mvar電抗器7組。深圳站站內電氣主接線如圖1所示。

為明確深圳站變壓器出現間歇性噪音的原因，解決變壓器噪音異常的問題，2018年9月18日，工作人員在深圳電網轄區500 kV深圳站展開測試研究。測試對象為深圳站3號、4號、5號主變中性點直流電流，測試設備為直流霍爾傳感器和便攜式數據采集裝置，直流霍爾傳感器量程為DC±100 A，精度為1%，便攜式數據采集裝置可實現8通道自動采集、存儲，采樣頻率為2 kHz。測試結果如圖2所示。

圖1 500 kV深圳站變壓器主接線圖Fig.1 Main wiring diagram of transformers in 500 kV Shenzhen substation

圖2 深圳站3號、4號、5號主變中性點直流量24 h內幅值Fig.2 Amplitudes of neutral point DC current of three main transformers of Shenzhen substation within 24 hours

由圖2可以發現深圳站主變中性點直流電流呈現以下2個特點：一是中性點直流電流方向不斷改變，其幅值在00:00—05:00時段內接近0 A且比較穩定，05:00—24:00時段內在-30～30 A之間不斷變化；二是中性點直流電流變化速度極快，幅值瞬時可達30 A，為勵磁電流的幾十倍，且短時間內信號并無明顯規律。

在實際工程中，由于直流輸電系統接地極距離變壓器較遠，且一般為恒功率輸出，由直流輸電系統入地電流入侵變壓器產生的主變中性點直流電流變化平緩；而由于地磁感應電流變化周期較長，變化速率緩慢，當地磁感應電流入侵變壓器繞組時，變壓器中性點電流方向相對穩定，甚至不變[18-20]。因此，根據中性點直流電流監測數據及其特點，可初步排除直流輸電入地電流及地磁感應電流的影響。同時，深圳站3號、4號、5號主變中性點出現不規則直流電流的時段與地鐵運營時間一致，且根據行車運行圖，地鐵牽引供電系統為時變網絡，因此地鐵雜散電流分布頻繁變化；又考慮到在地鐵運營時段，列車啟停較為頻繁，加速度較大，導致雜散電流變化較快。由此推測該現象可能與地鐵運行導致的雜散電流有關。

為了進一步明確深圳站主變直流偏磁的成因，基于Welch法對中性點直流電流進行功率譜估計分析，結果如圖3所示。

圖3 深圳站主變直流偏磁情況下中性點直流電流功率譜Fig.3 Powerspectrum of neutral point DC current under DC bias of main transformer in Shenzhen substation

由圖3可知：中性點直流電流中直流分量最多，但其同樣含有50 Hz的頻率分量及諧波分量，其余頻率分量的含量則很少；變壓器中性點直流電流所含頻率成分豐富，說明中性點直流電流的隨機性較為明顯，符合雜散電流隨機分布的特征。而在直流輸電入地電流和地磁感應電流入侵接地變壓器情況下，中性點直流電流更加平穩，不會出現隨機性較強的情況。

為進一步分析深圳站4號主變中性點直流電流的變化規律，確定變壓器直流偏磁形成的原因，選取1周為監測周期，在2018年9月17日—9月23日(除9月18日)對4號主變中性點直流電流進行監測，結果如圖4所示。

由圖4可知，深圳站4號變壓器中性點出現不規則直流電流的時段與地鐵運營時間一致，而直流輸電或地磁感應電流導致的變壓器直流偏磁不會呈現此規律；這也在一定程度上排除了直流接地極及地磁暴的影響。

圖4 2018年9月17日—9月23日深圳站4號主變中性點直流量幅值變化Fig.4 Amplitude variation of neutral point DC current of No.4 main transformer in Shenzhen substation from September 17 to September 23 in 2018

綜合分析直流偏磁的成因并結合深圳電網的客觀條件，考慮到深圳站附近并無直流接地極，且變壓器出現直流偏磁的時間呈現與地鐵運營時間吻合的規律，以及變壓器中性點直流電流特征與雜散電流特點相一致等，可排除直流接地極以及地磁暴對變壓器的影響，明確了深圳電網變壓器非正?，F象為雜散電流導致的直流偏磁現象。

2 直流偏磁抑制

2.1 抑制措施選擇

目前針對單臺變壓器直流偏磁現象的治理研究已經非常成熟，比較常用的方法有中性點串聯小電阻法、中性點串聯電容器法、注入電流法和電位補償法[21]。中性點串聯電阻法是通過在變壓器中性點串聯接入小電阻的方式，使得直流回路電阻增大，電流減小[22]。中性點串聯電容法是通過在變壓器中性點加入電容，來阻斷直流電流傳播，從而減小交流電網內的直流電流，該方法目前被廣泛應用。注入電流法即通過在變壓器中性點接入反向電流發生裝置，當系統監測到變壓器中性點的直流電流時，電流發生裝置產生補償電流，抵消直流電流的傳播；由于該補償裝置需要自帶接地極，且不能完全補償其直流電流，控制措施復雜，故應用較少。電位補償法是在變壓器中性點接入電位補償裝置，通過改變整個直流回路的電位，使得流入變壓器的直流電流消失，但由于其安裝成本較高，應用也較少。

由于雜散電流大小與地鐵的運行狀態有關[23]，不確定性很大，若采用中性點串聯電阻的抑制方法，需要根據中性點直流電流的大小來計算調整每個串入電阻的大小，計算量很大；若采用注入電流法和電位補償法，可以抑制雜散電流，但要求抑制裝置具有更快的反應速度，成本很高；而電容隔直設備具有“隔直通交”的效果[24]，相同配置的抑制設備串聯在變壓器中性點即可，治理簡便。因此，在深圳站變壓器采用電容隔直設備進行直流偏磁抑制。

2.2 單臺抑制效果分析

根據實驗計劃，在2018年9月25日上午09:00投入隔直裝置，通過監測記錄中性點直流電流的日變化曲線，監測結果及分析如圖5所示。

由圖5可知：變壓器中性點在05:00左右開始出現直流電流，且電流幅值不斷波動；當4號變壓器投入隔直裝置后，主變中性點直流電流迅速減小，且幅值接近0 A；結合中性點直流電流功率譜，可以發現，信號各頻率成分迅速下降，各頻率分量幅值均為很小。這說明深圳站隔直裝置投入后能夠有效抑制直流電流入侵中性點接地變壓器。

圖5 深圳站隔直裝置投入后4號主變中性點直流電流及其功率譜Fig.5 DC current and power spectrum of neutral point after the DC blocking device of No.4 transformer in Shenzhen substation putting into operation

2.3 全網抑制效果分析

縱觀與500 kV深圳站相連的變電站及交流網絡，當投入電容隔直裝置后，其站內變壓器中性點直流電流降低，但與此同時，深圳站附近簡龍220 kV變電站的變壓器噪聲明顯增大；因此，分別對深圳站隔直裝置投入前后簡龍站變壓器中性點的直流電流進行24 h監測，結果如圖6所示。

由圖6可以看出，簡龍站變壓器中性點直流電流在深圳站投入隔直裝置前后發生了明顯變化?，F場分析推測，可能是投入隔直裝置后中性點直流電流被抑制，從而導致更多直流電流流入附近變電站，使得變壓器噪聲明顯增加。為研究隔直裝置投入對附近變壓器的影響，根據深圳站電網片區的電氣拓撲結構，以深圳、簡龍、水貝、東湖、清水河5個變電站變壓器的中性點直流電流為研究對象，設定評價函數S為24 h之內變壓器中性點直流電流數據的絕對值之和，即S=∑|X|，其中X為變壓器中性點直流電流矩陣元素。分別計算隔直裝置投入前后的評價函數，并進行對比，結果見表1。

圖6 深圳站投入隔直裝置前后簡龍站中性點直流對比Fig.6 Comparison of neutral point DC current in Jianlong substation before and after the DC blocking device of Shenzhen substation putting into operation

表1 隔直裝置投入前后的中性點直流數據對比Tab.1 Comparison of neutral point DC current before and after the DC blocking device putting into operation

由表1可以看出，深圳500 kV變電站變壓器投入隔直裝置后，其中性點直流電流明顯下降，但附近220 kV簡龍及水貝變電站的變壓器中性點直流量明顯上升，而220 kV東湖及清水河變電站的中性點直流量略有下降；由此可知，針對由雜散電流導致的500 kV變壓器直流偏磁治理會對附近變電站產生影響。圖7所示為深圳站隔直裝置投入前后自耦變壓器中性點直流電流分布情況，由圖7可知：由于深圳站500 kV變壓器為自耦變壓器，500 kV電網與低壓等級網絡形成直流通路；當深圳站變壓器中性點投入隔直裝置后，高壓網絡中的直流電流可通過變壓器入侵220 kV網絡，導致低壓等級網絡變壓器的直流偏磁更加嚴重。因此，深圳站500 kV變壓器隔直裝置的投入雖可有效抑制中性點的直流電流，但對直流偏磁的治理并不有效，需要全網綜合考慮，優化投切策略。

圖7 深圳站隔直裝置投入前后自耦變壓器中性點直流電流分布Fig.7 Neutral point DC current distribution of the auto-transformer before and after the DC blocking device of Shenzhen substation putting into operation

3 結束語

本文結合變壓器中性點直流電流測試數據，以及引起變壓器直流偏磁現象的成因，通過分析數據特征，明確雜散電流是引起深圳站變壓器直流偏磁的主要原因；根據雜散電流特點，明確變壓器直流偏磁的治理方法，并驗證了隔直裝置的投入對變壓器中性點直流電流的抑制效果。由于深圳站隔直裝置的投入會導致其附近變電站變壓器的直流偏磁更加嚴重，在雜散電流入侵接地變壓器情況下，500 kV自耦變壓器的直流偏磁現象需要全網綜合優化治理。