交直流系统小区域中变压器中性点直流电流计算

交直流系统小区域中变压器中性点直流电流的计算
[摘要] 直流输电系统由于其特殊的电气特点,在运行上有着与交流系统有着很大区别,特别是在直流双极线路以单极—大地方式运行时,直流线路接地极会注入很大的直流电流进入大地。

在接地极一定范围内的接地设备均会出现异常现象,例如500kv主变噪声增大、中性点直流分量骤增、低压部分谐波含量增加、电压波形畸变、各种保护异常启动等现象。

本文结合陆地土壤双层结构和直流等值网络模型,结合广东西部电网两座重要变电站、换流站的实际测量数据,对原直流等值网络计算模型进行改进,并对新的网络条件进行了试验性的计算。

[关键字] 直流输电单极运行土壤模型直流等值网络
0 前言
高压直流输电系统在南方电网的构架中有着重要的作用。

其运行方式由于与交流系统有着本质的区别,故在交直流复杂电网中也是有着特殊的影响。

特别当双回直流线路以单极—大地方式运行时,不但线路的传输能力下降,而且直流线路的接地极将出现较大的入地直流电流。

后者对接地极周围一定范围内的电气设备、人身安全均构成了严重的威胁。

故直流接地极的设计及选址都是十分重要的。

我国前期建设的一系列直流输电系统接地极设计原则认为距接地极极子距离超过50km以上的电气设备,尤其是直接接地设备将不会对入地电流有明显的反应。

可是在贵广i回、三广直流等直流线路的运行期间,对周围变电站及大亚湾核电站有关机组、主变的监
视来看,入地直流对周边电气设备的影响超过了人们的想象,基本
上距直流接地极100km半径内的接地设备对入地直流均有不同程度的反应。

研究直流接地电流的模型也比较多,本文旨在土壤模型下的电位分布有关计算及模型变形,就实际事例对其进行分析验证,
以达到指导实践的目的。

在直流输电系统接地极选址和设计中都是使用经典的网络法[6]来计算直流电流在地中的分布规律,包括220kv及以上变压器中性点的直流电流。

但是从多年广东电网现场运行和测试结果来说,选用极址附近的等值网络和大地电阻率参数的模型存在一定的缺陷。

有些在距离接地极达80km以上的变电站仍会受到影响,个别变压器受的影响十分明显。

而且个别距接地极较远的中性点直接接地主变比接地极周边的变压器受到直流偏磁的影响更严重。

这些都是经典网络模型所不能解释的。

今年来国内外一些学者开始探索新的模型,土壤模型就是其中的一种尝试。

1 土壤模型
土壤特性对入地电流分布及周围物体电位的影响以前一直被忽略。

近年来很多学者尝试将等值交流网络和该电网所覆盖的大地土壤模型相结合用以计算地表电位的分布,进而估计接地极周围变电站接地设备的电流分布。

在参考地球物理模型确定土壤模型,并采用均匀的分层土壤模型。

对于整个交流电网所覆盖范围的土壤,一般需要参考地球土壤的地质模型,根据典型的土壤特征来确定采用的分层土壤模型,这种分层包括水平分层和垂直分层。

从理论上讲,
虽然可以通过求解拉普拉斯方程来求土壤模型的格林函数,并结合边界条件获得地面电位分布。

但实际上由于接地极的形状、土壤介质分布比较复杂,在此很多人采用了简化的土壤模型。

极址不管采用怎样的土壤模型,任意接地点的电位可以用下面的方程来表示[7]:
其中u为接地点的电位;为分层土壤电阻率;h为分层土壤的厚度;d为接地点距离接地极的距离;ψ为接地极形状确定电位分布的函数;i为注入接地极的电流。

在这里的水平多层土壤模型中,考虑到广东西部地区土壤特点以及直流线路实际接地极的深度,本文中使用的是厚度为5米的第一层土壤,电阻率为84;厚度为40米的第二层土壤,电阻率为68。

双层水平土壤中,设源点电流源i的坐标为,地面任意一点的坐标为(x,y,z),电流源位于土壤第一层,距离地面深度为h,即=h;、、h 分别为上、下两层土壤的电阻率和第一层土壤的厚度。

地表电位的表达式[8]化为直角坐标系下可以得到式(1)
其中,其物理意义是无穷多个镜像共同对第一层土壤中某点的作用。

此方程适用于电流源在第一层土壤的情况。

2 利用直流等值网络计算
在流过主变中性点直流的计算中,在此使用直流等值网络模型,其中为地网电阻,表示主变的每项绕组的直流绕组,为每项导线的直流电阻。

(2)
本文研究的实际情况为500kv 直流甲乙线双回线路,1个500kv 变电站(设为站1,站内包括1台500kv主变,6回500kv线路,其中2回位为500kv交流甲乙线),1座500kv换流站(设为站2,站内包括1台500kv换流变,500kv 直流线路甲乙线,500kv交流甲乙线),两站经2回500kv交流甲乙线线联系,两站变压器中性点均直接接地。

两站直线距离1.5km。

经查找有关设备和线路的试验数据,得到为0.007719,分别取0.2308和0.197,分别为0.3和0.25。

直流线路接地极为双同心圆环布置,埋深4米,站1和站2中性点距直流线路接地点分别为61.44km和60.06km。

按照以往研究中土壤模型下的电位分布和直流等值网络的配合使用,两站中性点上应分别串接两个电压源,即和。

在相对于各自到直流接地极子60km左右的距离上,两站相距如此至近,两太变压器中性点电压相差无几。

经式(1)计算得到, =0.529208v,
=0.533119v。

经式(2)可得,=0.005613a。

可是经过对直流甲乙线以单极运行期间的有关数据的实测来看,一般处于1a至1.5a之间。

计算结果与实际值相差太大。

可以这样理解,站1和站2由于距离较近,地表电位相差十分接近。

故在这样的条件下,继续使用原模型已经不能很好地对站1中主变中性点电流中的直流分量进行解释。

故在此对原模型进行改进。

假设在直流等值网络中,仅出现一个电压源,此电压源取值为=0.530v,并将式子(2)演变成式式(3):
可以计算得出=0.7627a,计算结果比较接近实际值。

可见,经过改良后的模型在两观测点较接近的条件下,较原网络模型更适用于粤西两站的实际情况。

可以说,原土壤模型和直流等值网络在大电网范围上表现良好,可在两观测点在地理位置上十分接近,同时又有直接的交流回路联接时不能更真实的反应实际情况。

现在,本文中的500kv变电站站1已经完成了500kv第2台主变的扩建工作,新扩建主变技术参数和原有主变十分接近。

这样在原有参数不变的情况下,在直流等值网络模型下相当于参数将减半。

可以计算出=0.8326a,但是流过站1内单台主变的直流分量减少了约50%,这也和直流等值网络中相关支路的分流作用相吻合,但是可以看出换流站侧的直流分量有了约10%的增加。

这一点只是理论上的计算,尚未得到在新直流网络条件下单极运行期间两站的有关数据支撑,但是这也给我们以后的工作指出了方向。

3结束语
土壤和等值网络计算模型的作用正在越来越被人们所重视。

较以往的单纯的强调选用直流接地极址附近的等值网络和大地电阻率参数的模型来说其适应面更广。

本文仅仅是讨论了陆地条件下的土壤模型和直流等值网络的相互结合,像广东电网这样两面临海的地理特征,使用大地域范围下的海洋—陆地的复合土壤参数模型和交流网络模型进行矩阵计算,可以计算出大电网中各主变接地中性点的直流分量。

这就给我们在100km以上的大区域上的地电位分布计算和各主变中性点直流分量的计算提供了可能,国内此方面的研究
已经初具雏形。

随着直流输电系统运行的成熟和交直流系统运行经验的积累,在直流双回线路单极运行时交流站内主变诸如噪音骤增、谐波增加等现象将会越来越成功的应对,对直流系统的设计也会更加合理更加科学。

参考文献:
[1] 梅桂华等,《直流输电对交流系统变压器的影响》,广东电力,2006.1。

[2] 尚春,《hvdc地中电流对交流变压器影响的抑制措施》,高压电技术,2004.11。

[3] 杨洪耕,肖先勇,《电能质量与谐波分析》,四川大学电气信息学院,2004.5。

[4] 童莉,《500kv自耦变压器直流偏磁的仿真研究》,上海交通大学电子信息与电气工程学院,2008.2。

[5] 刘曲,《高压直流输电系统单极大地运行时地中电流分布的研究》,清华大学电机工程与应用电子技术系,2007.4。

[6] 马志强,黎小林,钟定珠.直流输电大地电流对交流系统影响的网络分析算法.广东电力,2003.18(12)
[7] 刘曲,李立浧,郑健超.考虑海洋影响的直流输电单极大地运行时变压器中性点直流电流研究.电网技术,2007,31(2)。

[8] jose eduardo telles villas,carlos medeiros portela.calculation of electric field and
[9] potential distributions into soil and air media for a ground electrode of a hvdc system.
[10] ieee transactions on power
delivery,2003,18(3):867-873.
作者简介:
黄海东(1982- ),男,本科,助理工程师,从事变电运行工作。