直流輸電系統(tǒng)單極大地回線運行方式下的中性點接地

直流輸電系統(tǒng)單極大地回線運行方式下的中性點接地

1性點直流電流的消除在hvdc能源系統(tǒng)的交換站附近有一個永流位置，該電位由注入電流流的大小和土壤阻力決定。當直流輸電系統(tǒng)采用單極大地返回方式運行時，注入電流就是直流輸送電流，而土壤電阻率越高，電位也越高，影響范圍也就越廣。直流接地極的高電位也作用在交流變電站的接地點上，使中性點接地的變壓器中流過直流電流(相當于分流了部分直流輸送電流)，從而引起變壓器發(fā)生直流偏磁。隨著單極大地返回方式直流輸送功率的增加，某些流過較大直流分量的變壓器可能會發(fā)生磁飽和，導(dǎo)致系統(tǒng)正常運行時這些變壓器上將會出現(xiàn)振動加劇、噪聲增大、局部過熱等問題，既影響變壓器本身的安全，也會影響電網(wǎng)的正常運行。交流系統(tǒng)中因流入直流而產(chǎn)生的所有危害，均是由于變壓器的偏磁飽和引起的。直流偏磁使變壓器成了交流系統(tǒng)中的諧波源。諧波流入系統(tǒng)的后果是系統(tǒng)電壓波形畸變、濾波器過載、繼電保護誤動、合空載長線時產(chǎn)生持續(xù)過電壓、單相重合閘過程中潛供電流增加和斷路器恢復(fù)電壓增高。直流偏磁還會引起變壓器磁路飽和，勵磁電流增加，變壓器消耗無功增加，使系統(tǒng)無功補償裝置過載或系統(tǒng)電壓下降。變壓器偏磁飽和的另一后果是引起噪聲和振動，同時還會增大變壓器有功損耗，有可能使變壓器產(chǎn)生局部過熱并導(dǎo)致?lián)p壞。抑制流入變壓器中性點直流電流的方法有3種：(1)在變壓器中性點裝設(shè)電阻，限制直流電流的大??；(2)在輸電線上裝設(shè)串聯(lián)電容補償，阻斷直流的通路；(3)在變壓器中性點裝設(shè)電容，阻斷直流電流。到目前為止，解決措施的研究大多限于在變壓器中性點裝設(shè)電容。本文結(jié)合嶺澳和大亞灣核電站主變的具體情況，按流過主變中性點的實測直流電流建立了相應(yīng)的大地電網(wǎng)計算模型，分別對抑制直流輸電系統(tǒng)單極大地回線運行方式在變壓器中性點引起的直流電流的3種措施及變壓器中性點串聯(lián)電容的方法進行了深入的研究，并提出了有關(guān)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)。2u3000形式模擬理論模型本文選取了2005年南方電網(wǎng)交直流系統(tǒng)的基本運行方式對系統(tǒng)進行等值簡化，根據(jù)收集的交、直流系統(tǒng)數(shù)據(jù)和EMTDC程序的仿真規(guī)模，利用BPA程序?qū)δ戏诫娋W(wǎng)進行了潮流計算和動態(tài)等值，并對合理等值的電網(wǎng)與原網(wǎng)數(shù)據(jù)進行對比，最后得出等值電網(wǎng)數(shù)據(jù)。等值簡化后的系統(tǒng)共包括天-廣、貴-廣和三-廣3條直流輸電系統(tǒng)模型，共有發(fā)電機27臺(13臺發(fā)電機組，14臺等值機)，直流線路3條，交流線路68條。為了能夠模擬直流系統(tǒng)單極大地回線運行方式下主變中性點上的直流電流Idc，本文在計算模型中搭建了等值簡化的大地電網(wǎng)模型。通過在該模型上進行的試驗發(fā)現(xiàn)，采用圖1所示的大地電網(wǎng)等值方案能夠很好地模擬出天-廣、貴-廣和三-廣3條直流輸電系統(tǒng)在不同運行方式下嶺澳和大亞灣的Idc。圖中虛線表示對實際交流電網(wǎng)的模擬。為了準確地仿真直流輸電系統(tǒng)在不同運行工況下嶺澳和大亞灣主變中性點上的直流分量，依據(jù)天-廣和三-廣直流輸電系統(tǒng)工程調(diào)試及運行期間在嶺澳和大亞灣主變中性點上監(jiān)測到的直流電流數(shù)據(jù)對大地電網(wǎng)中各回路的電阻值進行了校核，表1為三-廣直流極I（正極性）大地回線運行方式下輸送不同功率時，流過嶺澳和大亞灣核電站Idc的系統(tǒng)實測和仿真計算結(jié)果。通過對表中實測和計算數(shù)據(jù)的比較可知，Idc的計算值比實測值高一些，其主要原因有：(1)因僅有嶺澳和大亞灣Idc的實測數(shù)據(jù)，所以等值大地電阻模型與實際系統(tǒng)有相當?shù)钠睿?2)在某些運行條件下，實測數(shù)據(jù)僅給出了一個范圍，沒有確定數(shù)值，故和實際電流不完全相同。雖然模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)存在一定的偏差，但其變化趨勢卻完全一致且變化幅度基本相同。3直流輸電系統(tǒng)運行模式的確定從表1可看出：直流系統(tǒng)雙極功率不平衡或單極大地回線運行方式均對Idc的數(shù)值有影響，雙極不平衡功率或單極大地回線輸送功率越大，Idc數(shù)值就越大；如多個直流系統(tǒng)接地極中電流為相同極性時，它們對電力系統(tǒng)的影響將相互疊加，使得Idc增大；如多個直流系統(tǒng)接地極中電流為相反極性時，它們對電力系統(tǒng)的影響將相互抵消一部分,使得Idc減小。在三-廣直流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試期間，曾采用三-廣直流采用為正極單極大地回線運行方式、而天-廣直流負極多送正極少送的雙極不平衡（不平衡電流為負方向）的運行模式，系統(tǒng)實測結(jié)果證明這種運行模式對嶺澳和大亞灣核電站的Idc能起到相互抵消的作用。鑒于天-廣、三-廣和貴-廣的正常運行方式為雙極平衡運行或單極金屬回線運行，只有在一極發(fā)生故障的情況下才短時采用單極大地回線運行方式，故多個直流輸電系統(tǒng)同時采用相同極性的單極大地回線運行或雙極不平衡運行方式的概率很低。因此，本文沒有計算多個直流輸電系統(tǒng)同時采用相同極性的單極大地回線或雙極功率不平衡運行方式下的Idc。表2中所列數(shù)據(jù)是在1個直流系統(tǒng)采用單極大地回線輸送額定功率、其它2個直流輸電系統(tǒng)按雙極平衡運行時，Idc的計算結(jié)果。從表2可知，3條直流輸電系統(tǒng)中三-廣直流輸電系統(tǒng)單極大地回線運行方式在嶺澳和大亞灣核電站主變中性點引起的Idc最為嚴重。4主變中性點的促進措施4.1勞動壓dc因三-廣直流輸電系統(tǒng)單極大地運行方式下輸送1500MW額定功率時在嶺澳和大亞灣主變中性點引起的直流電流最大，故本文在這種運行工況下對變壓器中性點裝設(shè)電阻的措施進行了計算研究。根據(jù)嶺澳和大亞灣核電站提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，其Idc應(yīng)不超過10A。通過仿真計算知，在天-廣和貴-廣直流輸電系統(tǒng)雙極平衡運行、三-廣直流輸電系統(tǒng)單極大地回線運行輸送功率1500MW的工況下，為將其Idc限制在10A以下，裝設(shè)在嶺澳主變中性點上的電阻值應(yīng)不小于130?，裝設(shè)在大亞灣主變中性點上的電阻值應(yīng)不小于53?。另外，在直流輸電系統(tǒng)運行方式及輸送功率不變的條件下，改變嶺澳主變中性點裝設(shè)的電阻值對大亞灣的Idc數(shù)值有影響，反之亦然，因此需兼顧嶺澳和大亞灣2處的運行方式才能得出比較合適的電阻值。由上述情況可以推知：若500kV/400kV交流電網(wǎng)內(nèi)距嶺澳和大亞灣較近的變壓器退出運行，將會導(dǎo)致Idc增大。4.2主變中性點電流的需求定義圖2為將嶺澳和大亞灣核電站的所有出線都裝設(shè)串聯(lián)電容后，在三-廣直流雙極平衡運行輸送額定功率3000MW時發(fā)生單極故障閉鎖、另一極轉(zhuǎn)為單極大地回線輸送1500MW功率的運行方式下流過嶺澳和大亞灣主變中性點電流的研究結(jié)果。由于系統(tǒng)中有自耦變壓器，所以僅在一個電壓等級的輸電線路上裝設(shè)串聯(lián)電容并不能限制直流電流通過自耦變壓器流到另一電壓等級的線路。研究結(jié)果表明：嶺澳和大亞灣核電站必須在與交流系統(tǒng)相聯(lián)的所有出線上均裝設(shè)串聯(lián)電容器，才能有效地抑制和消除流過相關(guān)變壓器中性點的直流電流。4.3輸送功率不變的影響因電容器的容抗值與被限制的直流電流大小無關(guān)，故按在嶺澳和大亞灣4臺主變的中性點上各裝設(shè)1個容抗為1?左右的電容器考慮，折算到50Hz工頻，該電容器的數(shù)值為3185μF左右。針對三-廣直流輸電系統(tǒng)雙極平衡運行方式輸送額定功率為3000MW時發(fā)生單極閉鎖故障后，另一極轉(zhuǎn)為單極大地回線輸送1500MW功率的運行方式，計算分析了Idc的變化過程，其結(jié)果見圖3。研究結(jié)果表明，在直流輸電系統(tǒng)接地極電流為零（雙極平衡運行方式）或保持穩(wěn)定（單極大地回線運行方式輸送功率不變）的條件下，Idc為零。因此，采用主變中性點上裝設(shè)電容器的措施可以有效地抑制和消除流過其中性點的直流電流Idc。當直流輸送功率變化導(dǎo)致流過直流接地極電流發(fā)生變化時，將有暫態(tài)電流流過主變中性點，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在大亞灣的Idc中包含有明顯的交流分量，而在嶺澳的Idc中沒有交流分量，這是由于中性點電容的放電回路不同，在嶺澳基本上為非振蕩充放電過程，而在大亞灣為振蕩充放電過程；Idc躍變的幅值及衰減至零的時間與直流系統(tǒng)輸送功率變化的大小和快慢相關(guān)，Idc的方向與直流系統(tǒng)增加或減少輸送功率相關(guān)。由以上研究可看出：(1)變壓器中性點上裝設(shè)電阻的措施抑制Idc到允許范圍所需的電阻值非常大，不能保證變壓器中性點有效接地,并對原有的繼電保護配置有影響；若在故障時采用旁路裝置將該電阻旁路，又會使系統(tǒng)接地阻抗不連續(xù)，從而導(dǎo)致繼電保護配置復(fù)雜化。另外，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，還會導(dǎo)致變壓器中性點過電壓等一系列問題?？笨穗娏謱ψ儔浩髦行渣c裝設(shè)電阻的方法也做過研究，結(jié)論與上述結(jié)果一致，最終也沒有采用這種措施；(2)交流出線上裝設(shè)電阻的措施能將Idc抑制到零，但由于此電容裝設(shè)在高壓線上，造價很高，因此這種措施從經(jīng)濟角度看是不適合的。(3)變壓器中性點上裝設(shè)電容的措施也能夠?qū)dc抑制到零，采用該措施的主變中性點裝設(shè)的電容器數(shù)量相對較少，且可通過配合簡單的旁路設(shè)施而不再需要采取特殊的絕緣措施，因此從經(jīng)濟角度看是可行的。根據(jù)對以上3種措施的研究及技術(shù)、經(jīng)濟比較可知：在主變中性點上裝設(shè)電容器是抑制和消除流過主變中性點直流電流最為可行和有效的措施。5在主變中性點安裝電極后的研究5.1電容器及旁路保護裝置主變中性點裝設(shè)電容后，在主變高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障等情況下，主變中性點會流過很大的電流，并產(chǎn)生幅值很高的暫態(tài)電壓。當電容器兩端電壓超過一定限值后，可通過電流旁路保護設(shè)備動作將電容器旁路，以限制中性點電容器上的暫態(tài)電壓幅值，這樣則不需要容量很大的電容器來承受故障電流，節(jié)省了安裝空間，縮減了成本，也避免了對主變中性點絕緣的不利影響，確保了變壓器安全可靠地運行。在短路故障清除后，電流旁路保護裝置自動返回到動作前狀態(tài)，將電容器重新投入運行。圖4為主變中性點電容器及相應(yīng)保護裝置示意圖。圖中，保護間隙用來防止當電容或其他設(shè)備有故障時在變壓器中性點出現(xiàn)超過其絕緣水平的高過電壓。如果主變中性點電容器損壞或電流旁路保護裝置發(fā)生故障，則可閉合與之并聯(lián)的旁路刀閘將其旁路，使主變中性點直接接地，然后再打開裝置兩端的隔離刀閘，使其與系統(tǒng)隔離，即可對電容器或電流旁路保護裝置進行維修。在主變中性點裝設(shè)的電容器應(yīng)該滿足連續(xù)運行的要求，并保證主變中性點有效接地。因此，電容器及相關(guān)保護裝置參數(shù)選擇的基本原則如下：(1）電容器容抗值的選擇原則。選擇電容器阻抗值時應(yīng)同時滿足：(1)應(yīng)避免在系統(tǒng)中引起工頻或諧波諧振等過電壓；(2)不論電流旁路保護裝置是否動作，都不影響已投運的繼電保護裝置正確動作產(chǎn)生。(2）電流旁路保護裝置的動作的電壓選擇。電流旁路保護裝置的動作電壓應(yīng)高于以下2種電壓的疊加值：(1)2條直流輸電系統(tǒng)同時處于同極性單極大地回線運行、且輸送的直流功率為過負荷最大值時，在中性點電容器兩端產(chǎn)生的直流電壓；(2)在系統(tǒng)正常運行工況下，中性點交流電流在電容器兩端產(chǎn)生的交流電壓峰值。(3）電流旁路保護裝置動作后保持時間的選擇。電流旁路保護裝置動作后，保持電容器被旁路的時間應(yīng)大于單相接地故障后備失靈保護的動作時間。(4）電流旁路保護裝置應(yīng)力承受能力的選擇。該選擇應(yīng)同時考慮：(1)單相永久接地故障下不成功重合閘引起的對旁路裝置連續(xù)2次短路沖擊；(2)單相重合閘期間，系統(tǒng)非全相運行狀態(tài)下流過電流旁路保護裝置的不平衡電流。(5）保護間隙動作電壓的選擇。其動作電壓應(yīng)低于主變中性點絕緣水平，但應(yīng)高于電流旁路保護裝置的動作電壓。由于電容器的容抗值與被限制的直流電流大小無關(guān)，為避免產(chǎn)生鐵磁諧振或其它過電壓，主變中性點所裝設(shè)的電容器容抗值應(yīng)盡可能小。為便于變壓器中性點直流隔離設(shè)備制造時選擇電容器，本文研究過程中取為1.0～1.2?。5.2直流輸電系統(tǒng)正常運行工況下特性嶺澳和大亞灣核電站主變中性點裝設(shè)電容器后，在交直流系統(tǒng)正常運行工況下，該電容器兩端仍將存在一定的電位差（電壓）。為了解并給出電流旁路保護裝置的正確動作電壓，確保在各種直流單極大地回線運行方式下電流旁路保護裝置不會發(fā)生誤動，本文對該運行方式下可能出現(xiàn)的各種嚴重工況進行了仿真并對嶺澳和大亞灣主變中性點電容器上的直流電壓進行了仿真計算，其結(jié)果列于表3。實際系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的最嚴重的運行工況是在一直流系統(tǒng)采用單極大地回線運行并按最大長期過負荷能力輸送功率時，另一直流系統(tǒng)發(fā)生一極故障閉鎖另外一極采用與原單極大地回線運行線路同極性的單極大地回線運行，并按最大長期過負荷能力輸送功率。從表3可見，此時主變中性點電容器上產(chǎn)生的直流電壓最高為2.470kV?，F(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，當直流輸電系統(tǒng)采用單極大地回線運行方式時，流過變壓器中性點的電流除直流電流外還包含交流電流，其數(shù)值隨著流過直流接地極電流的增加而增大。根據(jù)貴-廣直流系統(tǒng)調(diào)試的實測結(jié)果知，當直流接地極電流為600A時，流過安-順變壓器中性點的交流電流為11.6A；當直流接地極電流增至1.800kA時，流過安-順變壓器中性點的交流電流增大至24.8A。因為沒有正常運行時流過嶺澳和大亞灣主變中性點交流電流的實測數(shù)據(jù)，亦無相關(guān)的規(guī)定值，故根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，假定系統(tǒng)正常運行工況下流過主變中性點的交流電流最大值為100A。該電流在容抗為1～1.2?的中性點電容器兩端產(chǎn)生的峰值電壓約為141～170V。將直流電流和交流電流分別在主變中性點電容器上產(chǎn)生的電壓相加，則交、直流系統(tǒng)正常運行時,主變中性點電容器上的最高電壓約為2.611～2.640kV。因此，為確保在各種直流單極大地回線運行方式下電流旁路保護裝置不會發(fā)生誤動，建議其動作門檻值設(shè)定為2.700kV。5.3主變中性點暫態(tài)電壓分析主變高壓側(cè)發(fā)生單相接地短路故障時中性點流過的短路電流最大，因此本文對嶺澳或大亞灣主變高壓出口發(fā)生單相接地故障進行了研究。交流系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障時，短路電流的暫態(tài)分量與發(fā)生短路的時刻有關(guān)，研究中考慮了故障發(fā)生的最嚴重的時刻。表4中數(shù)據(jù)為嶺澳和大亞灣主變中性點未裝設(shè)電容器，主變中性點直接接地時高壓出口發(fā)生單相接地短路故障后流過主變中性點電流最大值Idcmax的計算結(jié)果。變壓器中性點裝設(shè)電容器后，變壓器高壓側(cè)出口發(fā)生單相接地短路故障時，零序電流經(jīng)變壓器一次和二次側(cè)短路阻抗及中性點容抗返回（因勵磁阻抗Xμ0極大，所以勵磁阻抗與變壓器二次側(cè)阻抗并聯(lián)時可忽略不計）。由于中性點容抗數(shù)值遠遠小于變壓器短路阻抗，所以中性點裝設(shè)電容器后流過中性點的短路電流應(yīng)比無電容器時略高。從嶺澳和大亞灣核電站提供的主變技術(shù)參數(shù)表中可知其中性點的絕緣水平為：短時工頻耐受電壓為70kV（有效值），雷電沖擊耐受電壓為200kV。而嶺澳和大亞灣主變中性點裝設(shè)電容器后，在系統(tǒng)發(fā)生故障、主變投入或退出運行等操作過程中，將在主變中性點上產(chǎn)生暫態(tài)過電壓。為了解主變中性點裝設(shè)電容器后的過電壓水平，以避免造成變壓器損壞，本文對可能引起最嚴重的暫時過電壓的情況，即：主變高壓出口發(fā)生單相接地短路故障時主變中性點上的暫態(tài)過電壓水平進行了研究。在嶺澳和大亞灣核電站主變中性點裝設(shè)不同容抗值電容時，考慮和不考慮電流旁路裝置動作的條件下,嶺澳主變高壓出口發(fā)生單相接地故障時流過主變中性點短路電流和中性點的暫態(tài)過電壓的研究結(jié)果列于表5。從表中數(shù)據(jù)可以看出：中性點裝設(shè)的電容器容抗越大，故障時流過中性點的短路電流就越大；而中性點上的暫態(tài)過電壓幅值亦愈高。主變中性點裝設(shè)電容器的容抗為1.2?時，嶺澳主變中性點上暫態(tài)過電壓最大峰值udmax為98.97kV（等于70kV有效值）。這已接近嶺澳主變中性點短時工頻耐受電壓。安裝了電流旁路保護設(shè)備后，主變高壓出口發(fā)生單相接地短路故障時流過中性點的短路電流與中性點的容抗大小無關(guān)，其電流幅值與中性點無電容器時相近；主變中性點上最大的電壓也和中性點的容抗大小無關(guān)。對于主變中性點裝設(shè)電容及電流旁路裝置的情況，考慮電流旁路保護設(shè)備動作條件如下：(1）系統(tǒng)正常工況下，中性點電容器投入運行；(2）交流系統(tǒng)發(fā)生短路等故障，當主變中性點電壓超過2.7kV時,旁路裝置動作（動作時間為μs級）將電容器旁路，0.35s后電流旁路保護裝置返回初始狀態(tài)，中性點電容器重新投入運行。當主變中性點電壓超過動作門檻值后,電流旁路保護裝置動作將中性點電容器旁路?？紤]后備失靈保護設(shè)定時間，旁路裝置動作持續(xù)時間暫定為0.35s，之后重新將中性點電