中性點串接電阻器限制地中直流流入的可行性分析

中性點串接電阻器限制地中直流流入的可行性分析

0直流工程中性點參數(shù)選擇應(yīng)用現(xiàn)狀中國正在廣泛使用高壓直接輸電系統(tǒng)（hvdc）。為了實現(xiàn)遠距離或超遠距離大容量送電,將有更多高壓甚至特高壓直流工程建成并投入運行。交直流混合運行的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)使得交直流系統(tǒng)之間的相互影響越加明顯,對南方電網(wǎng)而言尤為突出。HVDC系統(tǒng)運行時不可避免地面臨單極大地回線運行的方式。當巨大的直流電流從接地極入地,對附近的交流系統(tǒng)、尤其是交流變壓器產(chǎn)生較大影響。其原因在于:直流經(jīng)接地極流入大地后,部分通過中性點流經(jīng)變壓器,形成直流偏磁,使得變壓器噪聲增加、發(fā)熱、振動等。以貴廣I回直流工程調(diào)試為例,當直流系統(tǒng)從金屬回線轉(zhuǎn)換到大地回線方式時,接地極臨近變電站的主變中性點電流直流分量大都上升,主變噪聲也有不同程度的增大。其中較嚴重的春城站,中性點直流分量達34.50A,主變噪聲接近94dB。直流入地電流對接地極臨近的交流系統(tǒng)的不利影響,已構(gòu)成一項重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。它直接影響已建工程接地極附近交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,也使得待建直流工程接地極的選址工作需要更審慎地進行。珠三角地區(qū)直流落點密集,為克服接地極選址難的困境,即將開工建設(shè)的貴廣Ⅱ回高壓直流工程將與云廣特高壓直流工程共用接地極。因此,共接地極后對極址周圍交流電力變壓器的影響及妥善解決顯得尤為關(guān)鍵。直流偏磁問題在20世紀80年代后期開始引起國內(nèi)外研究者的重視并陸續(xù)開展了相關(guān)研究。有關(guān)的抑制措施如中性點加電容器隔直,中性點加裝電阻器或反向電流注入也曾有工程應(yīng)用。然而,截至目前,工程應(yīng)用中仍未有簡單、實用、可靠的解決方案,也沒有長期可靠的運行經(jīng)驗做支撐。在前期理論研究和實測的基礎(chǔ)上,本文提出了中性點串接小電阻的參數(shù)選擇方法和實施方案。利用場(地中電流場分布)路(交流系統(tǒng)集總的電路參數(shù))耦合分析方法,將周邊交流系統(tǒng)數(shù)據(jù)納入計算模型,通過適當選擇小電阻取值和合理優(yōu)化小電阻安裝位置,完全可在工程可接受的范圍內(nèi)解決問題。根據(jù)研究結(jié)果,小電阻裝置現(xiàn)已研制完畢并通過了型式試驗和出廠試驗,裝置已運抵春城站現(xiàn)場,并于2005年底掛網(wǎng)試運行。本文以春城站為例從抑制中性點直流的效果、對系統(tǒng)過電壓的影響、對系統(tǒng)繼電保護的影響等3方面對串接電阻器方案進行分析。1中性點直流電流計算結(jié)果中性點串接電阻器方案抑制變壓器中性點直流電流的原理如圖1所示,把變電站A,B之間的情況用集總參數(shù)來表示。串接電阻器等于增大了地上支路的電阻,電流勢必更多地流經(jīng)大地土壤支路,從而達到了限制地中電流進入交流系統(tǒng)的目的。由于無法完全模擬實際情況,模擬計算春城站中性點串入不同阻值電阻器之后各個站的中性點直流電流的具體數(shù)值與實測值存在誤差,但是計算結(jié)果的總體趨勢是可供參考的。當電阻阻值分別為0,1Ω,2Ω,5Ω和10Ω時,中性點直流電流對應(yīng)為22.30A,14.60A,10.90A,6.15A和3.57A?？梢?串入阻值很小的電阻即可明顯降低中性點電流。2電阻器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的過載影響分析主變壓器中性點串接電阻器后,對于過電壓的影響主要包括雷電過電壓、工頻過電壓和操作過電壓3個方面。2.1折射波與侵入波的關(guān)系雷電過電壓的影響主要通過雷電侵入波施加。雷電波通過傳輸線侵入變壓器后從中性點流入地網(wǎng),從而在中性點電阻器上建立起暫態(tài)過電壓。雷電侵入波的問題用波過程原理來分析,如圖2所示。雷電侵入波從變壓器傳播到電阻器時會在A點發(fā)生折反射,進入電阻器的是折射波。折射波與侵入波的關(guān)系與變壓器和電阻器的暫態(tài)阻抗比值密切相關(guān)。因為電阻器暫態(tài)阻抗很小(<10Ω),而變壓器暫態(tài)阻抗較大(通?？蛇_前者的數(shù)十倍至上百倍),因此實際上折射波很小,一般不會使得中性點電位提高很多。仿真計算結(jié)果也顯示了這一點。仿真計算模型包括3個桿塔?？紤]最極端的情況,雷擊變電站外的最后一級桿塔,雷電波向兩側(cè)傳播。一側(cè)的侵入波通過導(dǎo)體傳播到變電站內(nèi)的桿塔,再傳播到變壓器;另一側(cè)通過不發(fā)生反射的長線傳播到遠方。這種模型考慮的是侵入波的雷擊點距離變電站最近的情況,是侵入波最嚴重的情況。計算中考慮到最大的雷電流幅值為115kA,變電站地網(wǎng)沖擊接地電阻、避雷器沖擊接地電阻和桿塔沖擊接地電阻也分別取不同的阻值。綜合各種情況,變壓器中性點電位的提升并不顯著,最大不超過1kV,這和定性分析的結(jié)果是一致的。2.2分等效電壓線工頻過電壓的校核在春城變電站進行。當該變電站附近發(fā)生單相短路接地故障時,記錄春城站母線上出現(xiàn)的過電壓以及春城站主變中性點的過電.壓,通過校核確定母線工頻過電壓是否超過標準,以及主變中性點的電位升高值。校核計算時,因為春城變電站只與河?xùn)|、恩平2個變電站相連,所以根據(jù)潮流數(shù)據(jù)將河?xùn)|變電站及其不和春城相連的部分等效為一個有零序阻抗的電源,把恩平變電站及其不和春城相連的部分等效為另一個有零序阻抗的電源,把春城變電站所有的低電壓等級出線等效成三相負載,其接線見圖3?？紤]故障發(fā)生的位置,分3種極端情況:在2端和在中間分別計算春城站母線和中性點的過電壓。具體結(jié)果見表1。觀察表1中數(shù)據(jù),不難發(fā)現(xiàn):1)故障發(fā)生后,中性點的工頻過電壓很大,會有幾kA的工頻電流流過,會產(chǎn)生較大的熱功率,因此需要校核中性點電阻的熱容量。2)通過對2條線路各自選取的3個故障點進行對比發(fā)現(xiàn),工頻暫態(tài)過電壓都在正常范圍之內(nèi),而春城站主變中性點電壓則隨著故障點向春城站靠近有明顯增大,且幅值較大。把串接不同阻值的電阻和沒有串電阻時的結(jié)果相比,以不串接電阻時的電壓為基值,則可以得到相對值,見表2?？梢?串接1Ω小電阻,母線過電壓變化不超過2%;串接2Ω小電阻,母線過電壓變化不超過4%;串接5Ω小電阻,母線過電壓變化不超過9%。但是,由于主變中性點有較為明顯的工頻電壓升高,使得較大的工頻電流流過電阻器,因此可選擇熱容量較大的電阻器,同時采用并聯(lián)保護措施。2.3操作過失計算比較操作過電壓校核的目的主要是考察春城站中性點串接電阻后,對系統(tǒng)操作過電壓的影響。校核計算時的等效接線方式和工頻過電壓計算時相同。為了便于對比,仍以不串接電阻時的結(jié)果為基值,給出相對值。3種操作過電壓計算的結(jié)果比較如表3及表4所示。綜觀上述計算結(jié)果,春城站主變中性點接入1Ω或5Ω小電阻后,系統(tǒng)操作過電壓與原來不串接電阻時相比變化很小。因此,在工程范圍內(nèi)可以認為,春城站主變中性點接入電阻對系統(tǒng)操作過電壓基本沒有影響。3中性點串接電阻器對線路保護的影響繼電保護系統(tǒng)是電力系統(tǒng)安全運行的重要保障。中性點串接電阻器之后,改變了系統(tǒng)的部分參數(shù),對于繼電保護可能會產(chǎn)生影響。因此,這方面也需要認真校核。目前我國220kV以上輸電線路通常裝設(shè)2套原理不同的全線速動縱聯(lián)保護。中性點串接電阻器相對線路而言相當于改變了外部元件參數(shù),對于差動保護的測量沒有影響;中性點串接電阻器相對于零序方向元件有一定的影響,主要是零序方向動作最靈敏角度發(fā)生偏移,因接入電阻值較小,在母線故障最嚴重情況下,角度偏移一般不超過20°,仍在零序方向可靠動作區(qū)內(nèi),不影響方向比較式保護的正確動作。因此,個別的中性點串接電阻器對于線路主保護沒有實質(zhì)性影響。線路后備保護通常采用零序電流保護或距離保護。零序電流保護受中性點接地狀況的影響較為明顯。中性點串接電阻器,實際上是改變了零序網(wǎng)的阻抗數(shù)值。由于串接電阻的阻值不大,所以零序阻抗和零序電流的改變不大,只需整定計算校檢時注意。以春城變電站為例,考慮中性點工頻電流最嚴重的情況,即春城站母線處發(fā)生單相接地故障時,中性點接入10Ω電阻的情況下,線路零序電流幅值從2.9kA降到2.7kA,相對差值小于10%,在可承受的范圍內(nèi)。距離保護的主要元件可以分為相間阻抗繼電器和接地阻抗繼電器。中性點串接小電阻不會改變?nèi)喽搪泛蛢上喽搪返男蚓W(wǎng)參數(shù),因此,串接小電阻不會對相間距離保護產(chǎn)生影響。當接地阻抗繼電器在整定其啟動阻抗時,中性點的電阻沒有被納入回路,因而對于啟動阻抗整定沒有影響。當不對稱故障(例如單相直接接地)發(fā)生時,有電流流過中性點,使得電阻器也被納入零序網(wǎng),實際的故障電流減小,致使實際測得的阻抗大于整定阻抗。可以在實際整定過程中考慮到中性點電阻的因素,將其阻值折算到各相阻抗。4點點電阻器系統(tǒng)起就點在機1)采用中性點串接電阻方案限制流經(jīng)變壓器中性點的直流電流具有簡單、實