直流輸電接地極電流對(duì)電力變壓器的影響

1、直流輸電接地極電流對(duì)電力變壓器的影響直流輸電接地極電流對(duì)電力變壓器的影響中南電力設(shè)計(jì)院曾連生摘要:本文簡(jiǎn)要地介紹了HVDC輸電系統(tǒng)對(duì)接地極的要求、接地極作用和極址選擇方法，重點(diǎn)介紹了接地極地電流對(duì)附近電力變壓器磁飽和影響機(jī)理、流過電流變壓器繞組直流電流的計(jì)算方法；提出了不同容量和類型電力變壓器允許通過的直流電流的判別、消除或緩解直流接地極電流對(duì)電力變壓器磁飽和影響的方法。1概述隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和電力工業(yè)不斷地發(fā)展，高壓直流輸電技術(shù)得到迅

2、速發(fā)展，且正在成為我國(guó)電力輸電系統(tǒng)中重要組成部分。高壓直流輸電系統(tǒng)以大地返回運(yùn)行是直流輸電主要運(yùn)行方式之一，也是直流輸電優(yōu)點(diǎn)之一。但隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和輸電容量的增大，人們正面臨著一個(gè)急需要解決的問題即防止或減少直流接地極地電流對(duì)電力變壓器磁飽和影響。2直流輸電對(duì)接地極的要求2.1接地極的作用迄今為止我國(guó)已投入運(yùn)行的HVDC系統(tǒng)，都是雙極兩端接地方式，如圖1所示。接地極的作用一是鉗制中性點(diǎn)電位，二是為直流系統(tǒng)在以大地返回運(yùn)行時(shí)提供電

3、流通路。(1)單極大地回線方式。在HVDC系統(tǒng)建設(shè)初期，為了盡快地發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，往往要將先建起來的一極投入運(yùn)行；直流送電線路投入雙極運(yùn)行后，當(dāng)一極故障退出運(yùn)行時(shí)，為了穩(wěn)定系統(tǒng)，提高系統(tǒng)供電可靠性和可用率，健全極將繼續(xù)運(yùn)行。此時(shí)，直流系統(tǒng)可處于單極大地回線方式運(yùn)行，流過接地極的電流等于線路上的運(yùn)行電流。(2)雙極對(duì)稱運(yùn)行方式。對(duì)于雙極兩端中性點(diǎn)接地方式，當(dāng)雙極對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，在理想的情況下，正負(fù)兩極的電流相等，地中無電流。然而，在實(shí)際運(yùn)行中，

4、由于換流變壓器阻抗和觸發(fā)角等偏差，兩極的電流不是絕對(duì)相等的，有不平衡電流流過接地極。(3)同極并聯(lián)大地回線運(yùn)行方式。同極并聯(lián)運(yùn)行是將兩個(gè)或更多的同極性電極并聯(lián)，以大地為回線運(yùn)行方式。顯然該系統(tǒng)流過接地極的電流等于流過線路上電流的總和。同極并聯(lián)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省電能，減少線路損耗。2.2接地極運(yùn)行特性直流輸電大地回線方式的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，但可能帶來的負(fù)面效應(yīng)引起足夠的注意。（1）電磁效應(yīng)。當(dāng)強(qiáng)大的直流電流經(jīng)接地極注入大地時(shí)，在極址土壤中形

5、成一個(gè)恒定的直流電流場(chǎng)，并伴隨著出現(xiàn)大地電位升高、地面跨步電壓和接觸電勢(shì)等。這種電磁效應(yīng)可能會(huì)帶來下列影響：①直流電流場(chǎng)會(huì)改變接地極附近大地磁場(chǎng)，可能使得依靠大地磁場(chǎng)工作的設(shè)施（如指南針）在極址附近受到影響②大地電位升高，可能會(huì)對(duì)極址附近地下金屬管道、鎧裝電纜、具有接地系統(tǒng)的電氣設(shè)施（尤其是電力系統(tǒng)）等產(chǎn)生負(fù)面影響。因?yàn)檫@些設(shè)施往往能給接地極入地電流提供比土壤更好的泄流通道③極址附近地面出現(xiàn)跨步電壓和接觸電降低接地極造價(jià)，合理地選擇極址

6、是十分重要的。接地極址的選擇過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，它包括發(fā)現(xiàn)極址，極址論證與優(yōu)化，大地物理參數(shù)測(cè)定，是一環(huán)扣一環(huán)的總流程。按照與換流站同步要求，極址選擇也可分為規(guī)劃選址和工程選址兩個(gè)階段。3.1規(guī)劃選址設(shè)計(jì)人員先收集資料并根據(jù)收集的資料和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)極址是本階段的主要工作目標(biāo)。向有關(guān)部門收集的資料應(yīng)包括以下內(nèi)容。（1）地形圖(1：50000)或航測(cè)照片。通過地形圖或航測(cè)照片可以知道地形和地貌情況，從而可以很快地發(fā)現(xiàn)適合于設(shè)立接地極的地

7、點(diǎn)。（2）地質(zhì)結(jié)構(gòu)資料。地質(zhì)結(jié)構(gòu)資料調(diào)查是非常重要的，除了可以通過調(diào)查的資料(巖石或土壤的性質(zhì)及其厚度)宏觀地估價(jià)出可行性和地中電流的分布外，還可以借助資料或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)出土壤電阻率，熱導(dǎo)率和熱容率等參數(shù)。（3）地面水文和地下水文資料。地面水文資料主要是用來了解有否洪水對(duì)極址沖刷構(gòu)成威脅；地下水文資料則是用來確定是否有足夠豐富的地下水來保證電極在大電流長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行條件下，極址土壤始終保持潮濕。（4）地溫。地溫系指地下(幾米)深處的溫度，其值決

8、定了電極最大允許溫升值。通常在10～50公里范圍里地溫差別不大，但在有些地方（有溫泉）則不然，地溫差別可達(dá)十幾乃至幾十度。（5）通訊、電力、地下金屬設(shè)施。接地極在運(yùn)行中，對(duì)附近的接地電氣設(shè)備系統(tǒng)和地下金屬設(shè)施的安全運(yùn)行會(huì)帶來影響。收集這方面資料的作用有兩個(gè)：其一，使極址盡可能遠(yuǎn)離這些設(shè)施；其二，根據(jù)這些設(shè)施的規(guī)模和接地方式等，計(jì)算對(duì)它們影響的程度。（6）其它資料。在某些情況下，需要進(jìn)行特殊參數(shù)的測(cè)量。譬如：在沿海地區(qū)，應(yīng)對(duì)土第3頁共5頁

9、壤或水進(jìn)行含鹽量分析；對(duì)于固定的陽極，應(yīng)對(duì)土壤進(jìn)行滲透參數(shù)的測(cè)量；對(duì)極址土壤或水進(jìn)行酸堿度分析，提出pH值等。根據(jù)上述資料進(jìn)行可行性研究，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)綜合分析，確定出可行的極址若干處，然后對(duì)可行的極址進(jìn)行踏勘，并對(duì)一些重要的參數(shù)，如土壤電阻率、土質(zhì)、地下水位等，進(jìn)行初步測(cè)試和勘探，擇優(yōu)決定“初選極址”若干處。3.2工程選址本階段的主要工作目標(biāo)是對(duì)初選的若干極址進(jìn)行技術(shù)論證和經(jīng)濟(jì)比較，提出推薦極址。（1）測(cè)量土壤（大地）電阻率。土壤（大地）

10、電阻率是設(shè)計(jì)接地極的重要參數(shù)，它直接影響到接地極運(yùn)行性能和造價(jià)，也影響到地電流對(duì)環(huán)境影響的計(jì)算。（2）概念設(shè)計(jì)。根據(jù)各極址的地形情況，擬定出電極形狀、尺寸和埋深，計(jì)算出接地電阻、電流分布、地面最大跨步電壓和熱時(shí)間常數(shù)等主要技術(shù)參數(shù)，估算出材料用量。（3）評(píng)估地電流對(duì)環(huán)境的影響。計(jì)算地電流對(duì)環(huán)境的影響是極址論證階段的中心工作，必須根據(jù)每個(gè)初選的極址環(huán)境情況，通過計(jì)算，評(píng)估地電流對(duì)電力系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，地下金屬管道或鎧裝電纜，鐵路等設(shè)施有否影