一种直流系统单极运行时直流偏磁抑制方法

本发明涉及一种直流输电的技术领域，具体的说，是一种直流系统单极运行时直流偏磁抑制方法。

在系统调试、检修或发生故障时，特高压直流将会出现单极大地运行，在接地变压器中可能产生直流电流，这使得直流输电单极大地运行时，有巨大的直流电流入地，部分直流电流通过变压器中性点注入变压器，使得变压器铁芯被直流磁化，磁工作点发生偏移，引起铁芯的单方向饱和，引起直流偏磁。直流偏磁会在变压器励磁电流中，立生谐波，谐波流入系统将会造成系统电压波形畸变、继电保护装置误动作等危害。

直流偏磁是造成变压器振动加剧的主要原因。虽然人们对直流单极大地回路运行方式的负面影响有所认识，然而在发生的变压器振动加剧事件表明这种“影响”比预期大。从现场监测的数据可以知道，变压器的振动噪声与谐波随着中性点直流电流的增加而增大，当电网中存在直流偏磁电流的时候，电力系统的正常运行会受到很大影响和危害。容易导致电力系统电压下降；电容器组过载；继电保护误动作；电力系统以及变压器遭受一定程度的破坏。

一种直流系统单极运行时直流偏磁抑制方法，通过对直流偏磁现象的分析以及对直流接地极与交流变压器接地点间的等效阻抗计算和对变压器模型的分析求解，从而获得直流单极运行时的直流偏磁。

直流输电系统在单极大地返回运行方式下，大地相当于直流输电的一根导线，流通的电流为直流输电系统的运行电流，这将引起换流站附近地表电位发生较大的变化，使周边中性点接地变压器在中性点产生直流分量。其中流经两台中性点接地的变压器的直流电流分量，取决于两台变压器所在点的电位，变电站接地电阻、变压器绕组直流电阻和线路的直流电阻等因素，当流过变压器每相绕组的直流电流增大达到一定程度时，必然会引起铁心磁饱和，从而导致励磁电流波形发生畸变，从而引起变压器发生直流偏磁。

变压器在空载运行时，电网电压是正弦波，铁心中的磁通为正弦波。若铁心不饱和，空载电流也是正弦波。对于电力变压器，变压器在交流过励磁的工况下铁心磁通密度增加，励磁电流畸变增加。正常电压Ur励磁状态下的铁心磁通密度为Br，由于铁心励磁特性的非线性，励磁电流波形稍有畸变。在交流过电压U励磁状态下的铁心磁通密度为B(B>Br)，铁心饱和，工作在更加非线性的区域，励磁电流波形尖峰更加突出，不过此时正负半波是对称的。励磁电流中除了基波部分，只含有其他高次奇次谐波分量，不含有偶次谐波分量。

由于直流输电的地电流和GIC存在，变压器中性点有直流电流的流过，变压器中主磁链出现直流分量，变压器在直流偏磁下，直流和交流励磁磁通相叠加，形成偏磁时的总磁通密度B。与直流偏磁方向一致的半个周波的磁通密度大大增加，另外半个周边的磁通密度反而减小，所对应的励磁电流波形呈现正负半波极不对称的形状。

直流偏磁效应并不是直接由流入变压器的直流电流产生的直流磁通与原来的交流磁通相叠加产生的。进入变压器的直流电流产生的直流磁通，由于电工钢片的磁非线性特性，交直流磁通叠加后的总磁通会使电流因畸变形成电流平均值，与此平均电流相对应的直流磁通，而不是与直流电流直接对应的磁通。再者，由于一般将变压器设计成正常工作于磁化曲线的膝点，也就是交流磁通已经足够大，因此对于现代的各种电工钢片尤其是性能较好的钢片来说，能够存在的直流磁通实际上不大。这说明，虽然系统中有这样那样的原因会在变压器绕组中产生直流电流，但由于铁磁的非线性，在铁心中可能存在的直流磁通却不会很大。

基于直流偏磁效应的产生机理，因而需要分析接地极附近地表电位的分布和可能流过变压器中性点电流的大小。

对于处于无限大均匀地ρ中的接地极，接地极导体直径为d=2a，接地极的直径D=2b，经接地极流入地中的电流为I。由于接地极的对称性，电流I必然沿接地极的周长均匀流散。

当b>>a时，电流集中由原导体的轴线散出，

因此沿轴线流散的电流密度为                                                

接地极周围空间任一点N(r,θ,Z)的电位为，

令，

则，

其中，

取Z=a,r=b，

则可得接地极的电位为

，

其中，

由于b>>a，即，

且，

则，

由此可得处于无限大且均匀地中的接地极的接地电阻为

，

当接地极深度为h时，接地极的对称电阻系数为

，

此时接地极电位为

，

接地极的周长可得，

，

接地极的接地电阻为

由此可以计算出接地极的等效对地阻抗。

变压器的电路方程为

为一次侧线圈的匝数；为通过一次侧铁心的磁通；为引线电感与电源电感之和；R为引线电阻与电源电阻之和；为一次侧的励磁电流；为一次侧加入的直流电压。

流过每相变压器绕组的直流电流用下式进行计算：

—a、b两台中性点接间的直流电位差；

—变压器a、b的接地电阻；

—a、b两变压器间线路的每相电阻。

变压器的一次侧端电压为

为磁通，N1为一次侧匝数

，

为直流磁通

磁路方程为，

l为铁心中磁路的平均长度,H为磁场强度，N2为二次侧匝数，为直流电流。

通过对直流系统单极运行时，变压器发生的直流偏磁产生机理以及单极运行时接地电阻的计算和变压器模型的分析，从而获得直流系统单极运行的仿真数据，以抑制在直流单极运行中发生的直流偏磁现象等。

图1为直流输电系统单极接地运行方式示意图

图2是直流系统单极运行的变压器模型。

一种直流系统单极运行时直流偏磁抑制方法，通过对直流偏磁现象的分析以及对直流接地极与交流变压器接地点间的等效阻抗计算和对变压器模型的分析求解，从而获得直流单极运行时的直流偏磁。

如图1所示，直流输电系统在单极大地返回运行方式下，大地相当于直流输电的一根导线，流通的电流为直流输电系统的运行电流，这将引起换流站附近地表电位发生较大的变化，使周边中性点接地变压器在中性点产生直流分量。其中流经两台中性点接地的变压器的直流电流分量，取决于两台变压器所在点的电位，变电站接地电阻、变压器绕组直流电阻和线路的直流电阻等因素，当流过变压器每相绕组的直流电流增大达到一定程度时，必然会引起铁心磁饱和，从而导致励磁电流波形发生畸变，从而引起变压器发生直流偏磁。

变压器在空载运行时，电网电压是正弦波，铁心中的磁通为正弦波。若铁心不饱和，空载电流也是正弦波。对于电力变压器，变压器在交流过励磁的工况下铁心磁通密度增加，励磁电流畸变增加。正常电压Ur励磁状态下的铁心磁通密度为Br，由于铁心励磁特性的非线性，励磁电流波形稍有畸变。在交流过电压U励磁状态下的铁心磁通密度为B(B>Br)，铁心饱和，工作在更加非线性的区域，励磁电流波形尖峰更加突出，不过此时正负半波是对称的。励磁电流中除了基波部分，只含有其他高次奇次谐波分量，不含有偶次谐波分量。

由于直流输电的地电流和GIC存在，变压器中性点有直流电流的流过，变压器中主磁链出现直流分量，变压器在直流偏磁下，直流和交流励磁磁通相叠加，形成偏磁时的总磁通密度B。与直流偏磁方向一致的半个周波的磁通密度大大增加，另外半个周边的磁通密度反而减小，所对应的励磁电流波形呈现正负半波极不对称的形状。

直流偏磁效应并不是直接由流入变压器的直流电流产生的直流磁通与原来的交流磁通相叠加产生的。进入变压器的直流电流产生的直流磁通，由于电工钢片的磁非线性特性，交直流磁通叠加后的总磁通会使电流因畸变形成电流平均值，与此平均电流相对应的直流磁通，而不是与直流电流直接对应的磁通。再者，由于一般将变压器设计成正常工作于磁化曲线的膝点，也就是交流磁通已经足够大，因此对于现代的各种电工钢片尤其是性能较好的钢片来说，能够存在的直流磁通实际上不大。这说明，虽然系统中有这样那样的原因会在变压器绕组中产生直流电流，但由于铁磁的非线性，在铁心中可能存在的直流磁通却不会很大。

基于直流偏磁效应的产生机理，因而需要分析接地极附近地表电位的分布和可能流过变压器中性点电流的大小。

对于处于无限大均匀地ρ中的接地极，接地极导体直径为d=2a，接地极的直径D=2b，经接地极流入地中的电流为I。由于接地极的对称性，电流I必然沿接地极的周长均匀流散。

当b>>a时，电流集中由原导体的轴线散出，

因此沿轴线流散的电流密度为

接地极周围空间任一点N(r,θ,Z)的电位为，

令，

则，

其中，

取Z=a,r=b，

则可得接地极的电位为

，

其中，

由于b>>a，即，

且，

则，

由此可得处于无限大且均匀地中的接地极的接地电阻为

，

当接地极深度为h时，接地极的对称电阻系数为

，

此时接地极电位为

，

接地极的周长可得，

，

接地极的接地电阻为

由此可以计算出接地极的等效对地阻抗。

如图2所示，变压器的电路方程为

为一次侧线圈的匝数；为通过一次侧铁心的磁通；为引线电感与电源电感之和；R为引线电阻与电源电阻之和；为一次侧的励磁电流；为一次侧加入的直流电压。

流过每相变压器绕组的直流电流用下式进行计算：

—a、b两台中性点接间的直流电位差；

—变压器a、b的接地电阻；

—a、b两变压器间线路的每相电阻。

变压器的一次侧端电压为

为磁通，N1为一次侧匝数

，

为直流磁通

磁路方程为，

l为铁心中磁路的平均长度,H为磁场强度，N2为二次侧匝数，为直流电流。

通过对直流系统单极运行时，变压器发生的直流偏磁产生机理以及单极运行时接地电阻的计算和变压器模型的分析，从而获得直流系统单极运行的仿真数据，以抑制在直流单极运行中发生的直流偏磁现象等。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。