一起主變壓器直流偏磁裝置故障原因分析

王立志,魏云

(1.國網寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011 2.國網寧夏電力有限公司銀川供電公司，寧夏 銀川 750011)

遠距離超高壓和特高壓直流輸電中，當直流輸電系統在單極運行或雙極不平衡運行時，大電流注入接地極，致使處于接地極內變電站之間存在電位差。隨著近些年超、特高壓直流輸電工程的大規模建設，單極運行時導致直流接地極附近變壓器大規模直流偏磁時有發生，嚴重危急系統中的主變壓器，對電網的安全穩定運行產生了較大影響。危害主要表現為引起主變CT飽和，差動保護誤動作，引起主變過激磁，過激磁保護動作[1-4]。過大的直流電流可能引起變壓器磁飽和，產生振動加劇、噪聲增大、諧波增大、局部過熱等問題[5-6]。為了保障電網的安全、可靠運行，直流偏磁抑制裝置已得到廣泛應用。

本文通過一起主變壓器直流偏磁抑制裝置運行異常原因分析，提出了改進措施，避免類似異常再次發生，保障電網安全穩定運行。

1 抑制變壓器直流偏磁的方式

目前，抑制流入變壓器中性點直流電流的方法主要有以下3種[1,7-8]：

(1)反向注入法

該方法是在變電站附近建設1個小型的接地極，向大地注入反向電流，以抵消注入的直流電流。此法不改變變壓器中性點原有的接線方式，對繼電保護無影響，但需建造輔助接地極，投資較大且無法快速啟動，輔助接地極的入地電流可能造成二次污染。

(2)電阻法

在變壓器中性點裝設電阻，限制直流電流的大小，此方法不能完全消除中性點電流，電阻值過大會對零序網絡參數和主變壓器的過電壓能力造成影響。

(3)電容法

在變壓器中性點裝設電容，利用電容的通交流、阻直流的特性，阻斷直流電流；但加裝電容后，有可能改變變壓器中性點直接接地的特性，對主變壓器的過電壓能力和繼電保護造成影響。

某地區廣泛采用以下2種電容式直流偏磁抑制裝置。

1.1 有源式直流偏磁抑制裝置

有源式直流偏磁抑制裝置有2種運行方式[9-10]，如圖1所示。方式1：正常運行時，Zd1刀閘在分，Zd2刀閘在合，高速旁路開關HSD在分，利用電容C隔直流通交流的作用，主變壓器中性點通過電容器C接地運行。當電網發生非對稱性短路故障時，有較大的短路電流流經主變壓器中性點時，高速旁路開關HSD快速合閘，利用HSD開關將短路電流導入大地回路。方式2：正常運行時，Zd1刀閘在分，Zd2刀閘在合，高速旁路開關HSD在合，主變壓器中性點通過HSD直接接地運行，當檢測到系統有較大的直流分量時，斷開HSD開關，此時主變壓器中性點通過電容C回路接地運行，隔離直流分量。

圖1 有源型直流偏磁抑制裝置原理

無論是方式1還是方式2，都需增加快速開關進行分、合閘，優點是電容器本身不必承受非對稱接地短路故障，運行可靠。缺點是快速開關本身需要接入可靠的交、直流電源，成本較高。

1.2 無源式直流偏磁抑制裝置

圖2 無源式直流偏磁抑制裝置原理

裝置運行原理如圖2所示，正常運行時，GN2在分，GN1在合，主變中性點通過電容隔直裝置接地，防止直流分量進入交流電網系統，當系統發生單相接地短路時，故障電流將會流過主變中性點，致使中性點電壓抬升。設置氧化鋅閥片限制電容器兩端電壓至可承受的900 V。為避免氧化鋅避雷器長時間承受大電流，設置放電間隙，確保系統不至于失地運行。

2 故障情況和設備檢查

該地區裝設直流偏磁裝置涉及5座變電站，分別以A、B、C、D、E區分，共11臺主變壓器配置直流偏磁抑制裝置，1臺有源式，10臺無源式。2019年，該地區3座330 kV變電站5臺主變壓器中性點直流偏磁抑制裝置電容器回路末端限流電阻片熔斷，且有明顯放電痕跡，此次損壞設備均為無源式直流偏磁抑制裝置。

2.1 A站

A站1號、2號主變壓器直流偏磁抑制裝置電容末端連接銅片熔斷，如圖3所示。

圖3 A站1、2號主變直流偏磁抑制裝置電容末端電阻熔斷

圖4 B站1號主變直流偏磁抑制裝置電容末端連接銅片燒黑

2.2 B站

B站1號主變直流偏磁抑制裝置電容組接地側連接電阻片燒黑，末端電阻片未燒斷，見圖4。2號主變直流偏磁抑制裝置電容組接地側連接電阻片燒黑，末端電阻片已燒斷，有明顯放電現象，如圖5。

圖5 B站2號主變直流偏磁抑制裝置電容末端連接銅片附近放電痕跡

2.3 C站

現場檢查C站3號主變直流偏磁抑制裝置監測正常，檢查發現柜內燒灼痕跡明顯，電容器側接地電阻片銅牌上所包裹的絕緣材料已經破裂，見圖6—圖7。

圖6 C站3號主變電容器回路銅牌左上角木質螺絲燒斷

圖7 C站3號主變電容器回路銅牌絕緣膠套融化

3 故障原因及改進措施

3.1 故障原因

發生故障的直流偏磁抑制裝置損壞處主要集中在電容器回路末端限流電阻片處，根據電容器隔直流、通交流的作用分析，直流分量無法進入電容器回路，無法造成本次故障。造成電阻片熔斷的原因有3種可能：(1)變壓器正常運行中流經中性點的長時小電流分量；(2)直流系統非正常運行狀態下經中性點流入主變壓器的直流分量；(3)系統發生非對稱接地故障時流經中性點的短時大電流分量。

在變壓器正常運行時，正常流經變壓器中性點的電流很小，同時D、E站直流偏磁抑制裝置電阻片與A、B、C站完全一致，中性點電流也相差不大，但D、E站直流偏磁抑制裝置電阻片完好，說明長時小電流不是造成電阻片熔斷的主要原因。

變壓器正常運行時流經變壓器中性點的交流量很小，而當系統發生非對稱短路故障時，較大的短路電流要流經電容器回路。經統計，2016年至2019年間，發生異常的A、B、C站發生非對稱接地故障統計如下：

A站：1號、2號、3號主變直流偏磁抑制裝置自投運后，發生110 kV線路非對稱接地故障12次，最大短路電流值12.84 kA。

B站：1號、2號、3號主變直流偏磁抑制裝置自投運后，發生110 kV線路非對稱接地故障8次，最大短路電流值7.650 kA。

C站：3號主變直流偏磁抑制裝置自投運后發生110 kV線路非對稱接地故障1次，最大短路電流值達到10.472 kA。

D站：1、2號主變并列運行，2號主變采用有源式直流偏磁抑制裝置，發生非對稱接地短路故障時，快速開關動作，主變中性點直流偏磁抑制裝置電容器回路電阻片不會流過故障電流。

E站：1、2號主變直流偏磁抑制裝置投運后，未發生非對稱接地故障。

發生電阻片熔斷的變壓器中性點均受到短路電流的沖擊，且未設置快速開關先行動作，同時短路電流萬安級。電阻片設計電阻R=0.06 Ω，電阻片材質為304不銹鋼，電阻率ρ=0.73 Ω·mm2/m，密度g=7.93 g/cm3，比熱容c=0.5 kJ/(kg·K)，寬度a=20 mm,厚度b=1.5 mm,則

S=a×b=20×1.5=30(mm2)

(1)

(2)

此外，當系統發生單相接地故障時，主變中性點將有千安級的大電流沖擊流過，以單相短路電流為10 320 A短路電流(取A、B、C站最大短路電流平均值)、持續時間為0.06 s(以主保護切除故障的固有時間考慮)，則溫升

這個溫升已超過電容器組限流電阻片的極限工作溫度(不銹鋼的熔點約為1 400 ℃，極限工作溫度為800 ℃；足以造成不銹鋼嚴重碳化，表面環氧板(絕緣層)燒糊。如果不銹鋼限流電阻片遭受短時大電流沖擊，溫升更高且更易造成電容器組限流電阻片熔斷。

3.2 改進措施及建議

(1)將在運主變壓器無源直流偏磁抑制裝置采用限流鋁合金電阻片結構形式更改為采用面積為40×4 mm2銅排直接搭接的方式，減少電阻值，增加通流能力，減少發熱量，避免發熱熔斷引起主變壓器中性點失去接地，但裝置能否經受大電流沖擊，仍需進一步論證，目前經過改造的直流偏磁抑制裝置運行正常。

(2)在今后的設備運維過程中，如果系統中直接接地主變壓器經過非對稱接地短路故障電流沖擊，需詳細檢查主變壓器中性點直流偏磁抑制裝置，尤其是放電回路，以免造成主變壓器中性點接地回路熔斷導致變壓器長時間失地運行。

(3)在新建直流偏磁抑制裝置驗收時，提出進行耐受短路電流沖擊試驗的具體要求，避免問題遺留至運維階段。

4 結 論

通過以上分析，系統發生非對稱短路接地時，產生的短路電流分量流經直流偏磁裝置電容回路末端鋁合金電阻片，引起電阻片發熱熔斷，是造成本次直流偏磁抑制裝置損壞的原因，與直流換向時產生的直流分量或者運行中的交流分量無關。建議今后新投的直流偏磁抑制裝置，出廠試驗階段要經過充分的短路電流耐受驗證，避免問題遺留至運維階段。加強對變電站附近環境的巡視，及時清除變電站、線路周圍漂浮物，防止因線路外破、異物搭接引起的近區短路。當直接接地系統中的主變壓器運行時，系統一旦發生非對稱接地故障，運維人員應及時檢查主變壓器中性點及中性點直流偏磁抑制裝置是否完好。