直流接地极对交流接地装置影响的研究

直流接地极对交流接地装置影响的研究摘要：直流输电系统的运行结构方式采用大地回路可能会带来一系列问题与不利影响。当变压器中性点流人直流电流后，在变压器中形成直流偏磁，导致变压器励磁电流和谐波急剧增加，损耗增大和温升增高，噪声和振动增大；此外接地极电流引起的地电位升会使接地极周围的不同地点间产生电位差，这一电位差会在埋人地中的金属构件中产生电流，从而导致地下和地面金属构件产生腐蚀，从而对周边电力设施产生负面影响。此文在探索减少降低直流接地极影响的各种方法中，从技术与经济两方面综合比较各种方法的优劣，尽量兼顾解决技术问题与经济成本问题，减少接地极电流对周边电力设施的负面影响，能有效维护电网稳定和节省改造维护成本。关键词：高压直流输电；接地极；直流偏磁；腐蚀1研究直流接地极影响交流装置的必要性直流输电系统的运行结构方式主要有金属回路、单极或双极以大地为回线。但是，采用大地回路可能会带来一系列问题与不利影响。特别是单极以大地为回线运行时，巨大的直流电流与大地构成回路，此时如果极址附近有变压器中性点接地的变电所，地下金属管道或铠装电缆等金属设施，由于这些设施可能给地电流提供了比大地土壤更为良好的导电通道，因此一部分电流将沿着并通过这些设施流向远方，地电流过会对附近的交流系统产生影响。同时也会对周围地中的金属管线或地中金属物体产生影响，也可能对地中通信线或信号线产生影响，或加速地中金属物体的腐蚀等。1.1对电力系统的影响在我国，110kV及以上电压等级的变压器中性点几乎都采用直接接地的。假如变电所位于接地极电流场范围内，那么在场内变电所间会产生电位差，直流电流将会通过大地，交流输电线路，由一个变电所（变压器中性点）流入，在另一个变电所（变压器中性点）流出。如果流过变压器绕组的直流电流较大，则可能给电力系统带来以下不良影响[1]。当变压器中性点流人直流电流后，在变压器中形成直流偏磁，导致变压器励磁电流和谐波急剧增加，损耗增大和温升增高，噪声和振动增大。页交流系统中因流入直流而产生的所有危害，均是由于变压器的偏磁饱和引起的。直流偏磁使变压器成了交流系统中的谐波源。谐波流入系统的后果是系统电压波形畸变、滤波器过载、继电保护误动、合空载长线时产生持续过电压、单相重合闸过程中潜供电流增加和断路器恢复电压增高。直流偏磁还会引起变压器磁路饱和，励磁电流增加，变压器消耗无功增加，使系统无功补偿装置过载或系统电压下降。变压器偏磁饱和的另一后果是引起噪声和振动，同时还会增大变压器有功损耗，有可能使变压器产生局部过热并导致损坏。直流人地电流对接地极临近的交流系统的不利影响，已构成一项重要的技术挑战。它直接影响已建工程接地极附近交流系统的安全稳定运行，也使得待建直流工程接地极的选址工作需要更审慎地进行。1.2对地下金属构件腐蚀当直流输电系统在建设初期采用单极一大地运行方式时，或是在今后的运行中因故障或检修采用该种运行方式时，直流接地极将作为工作电流的返回通道，当工作电流或不平衡电流通过直流接地极流经大地时，不仅接地极本身会发生腐蚀，还会对接地极周边的地下金属构件产生腐蚀影响。这是因为接地极电流引起的地电位升会使接地极周围的不同地点间产生电位差，这一电位差会在埋人地中的金属构件中产生电流，从而导致地下和地面金属构件产生腐蚀，对于距接地极较近且长度较大的金属构件，产生的腐蚀影响更为明显。为尽量减少接地极电流对周边电力设施的负面影响，有必要分析计算接地极电流可能造成的腐蚀量，并针对其影响范围及影响程度，提出相应的控制指标及防护措施。2直流输电极对交流设备影响分析2.1直流输电接地极电流对电力变压器的影响分析因此，研究并分析直流偏磁对电力系统的影响和由此带来的问题，并提出抑制直流偏磁及其影响的可行性措施，对于HVDC系统中设备的安全运行和电网稳定性具有重要的理论和实际意义[2]。在线运行的变压器绕组内产生较大的直流分量[3]，可以由如下原因引起：直流输电线路与交流输电线路的并行运行或交流网络中存在电压电流关系曲线不对称的负载。直流输电系统通常采取大地返回方式，因为在其换流站周围一定区页域内会产生地表电流，与其并行运行的交流输电系统变电站中的联络变压器如果距离换流站不远，就会受到干扰，这种干扰作用的直接表现就是通过交流变压器的接地中性点在交流变压器的励磁电流中产生直流分量。目前抑制直流偏磁的措施主要有以下研究内容：（1）中性点串联限流电阻这种方法要求装设的电组阻值足够大，只有这样才能满足限流的要求。这样大的电组不能保证系统可靠接地，若在故障时用放电间隙将此电组旁路，会使系统接地阻抗不连续，从而继电保护配置复杂化。（2）变压器中性点补偿电流法补偿电流法通过向变压器附近大地注入直流电流，使变压器中性点获得与流过变压器的直流相反方向的补偿电流，以抑制部分变压器直流电流，补偿电流的大小和方向又可控硅进行控制。采用这种方法时，中性点装设的电容器容抗很小，可以保证可靠接地，故障时用放电间隙作旁路时，系统接地阻抗不会明显不连续，对系统已经投运的继电保护可控在变压器的操作没有影响，不会引起工频或谐波谐振等过电压，此外由于中性点正常运行电流很小，在中性点装设的电容器数量相对较少，而且绝缘要求不高，不需要采取特殊的绝缘措施，装设成本低。（3）变压器中性点串联耦合电容这种方法目前使用得比较多，是一种阻断直流电流流过变压器的有效方法[4]，中性点装设的电容器容抗很小，可以保证可靠接地，故障时放电间隙作旁路时，系统接地电阻不会明显不连续，对系统已经投运的继电保护和空载变压器的操作没有影响，不会引起工频或谐波谐振等过电压。此外由于中性点正常运行电流很小，在中性点装设的电容器数量相对较少，而且绝缘要求不高，不需要采取特殊的绝缘措施，装设成本低。2.2直流接地极运行对周边电极、接地装置和变电站接地网腐蚀影响（1）电腐蚀特性接地极地电流可能使埋在极址附近的金属构件产生电腐蚀，这是由于这些金属设施为地电流传导提供了比周围土壤导电能力更强的导电特性，致使在构件的一部分汇集地中电流，又在构件的另一部分将电流释放到土壤中去的结果。页接地极以阳极运行时，，靠近电极的一段管道吸取来自阳极的电流，然后在远离电极的一段管道处将电流释放到土壤中去。这表明在电极附近的这一段管道相对土壤的电位为负，受到阴极保护；在远离电极的那一段管道相对土壤的电位为正，以致产生腐蚀（阴影部分）。假若接地极是以阴极运行，则管道上的直流电流的流向情况与上述情况正好相反，在离开接地极远处的一段管道汇集来自阳极的电流，再由在靠近电极的一段管道将电流释放给阴极。因此，在远离电极的那一段管道受到了阴极保护，而在电极附近的这一部分管道上产生电腐蚀。（2）地下金属构件电腐蚀计算1）金属管线或电缆铠装电腐蚀地下金属管线一般用于输送石油、天然气和自来水。大型管线，如石油与天然气管线，为了防止自然腐蚀，通常用绝缘材料将管道包裹起来。小型管线一般没有采取包裹防腐措施，而是直接埋在地下。电缆有通信电缆与电力电缆，前者铠装对地一般是绝缘的，后者铠装对地有绝缘与非绝缘两种。无论是管线还是电缆，如果管壁或是铠装是绝缘的，通常采取每2km接地一次，以防止雷害。由此可见，在计算管线或电缆的电腐蚀问题上，数学模型是相同的，其区别在于管壁或绝缘是否对地绝缘。当管壁或铠装对地绝缘时，则受腐蚀的是接地装置，否则受腐蚀的是管壁或铠装，然后依据管壁或铠装对地绝缘与不绝缘分别予以讨论。2）输电线路基础腐蚀高压输电线路的架空地线一般是对杆塔绝缘的，但也有不绝缘的，其中包括接地极引线。对于地线与杆塔不绝缘的线路，如果它经过接地极附近，在接地极入地电流的作用下，两杆塔间形成电位差，直流电流则经过接地线由一个杆塔流入到另一个杆塔流出。因此，在电流流入大地的杆塔基础处将产生电腐蚀。消除接地极对输电线路基础腐蚀的方法是：对于计算有影响的（长10~20km）一段线路，将地线与杆塔绝缘即可；对于紧靠极址的杆塔，由于该处地面场强较大，应用沥青或其他绝缘材料将基础与地绝缘，并用玻璃钢板垫在塔脚处，使塔与基础绝缘；如果使用拉线塔，可在拉线中串入一片绝缘子。3．解决消除影响的技术探讨3.1直流输电接地极电流引起变压器直流偏磁的抑制页（1）抑制变压器直流偏磁的串接电阻措施。串接电阻器等于增大了地上支路的电阻，电流势必更多地流经大地土壤支路，从而达到厂限制地中电流进人交流系统的目的。可见，串人阻值很小的电阻即可明显降低中性点电流。但是串入电阻器后需要解决的关键的技术问题有以下几方面：1）考察电阻器对于系统过电压的影响分析。主变压器中性点串接电阻器后，对于过电压的影响主要包括雷电过电压、工频过电压和操作过电压3个方面。在各种情况下考虑过电压是否超过标准，以及主变中性点电位的升高值。2）对系统继电保护的影响分析。继电保护系统是电力系统安全运行的重要保障。中性点串接电阻器之后，改变了系统的部分参数，对于继电保护可能会产生影响[5]。因此，这方面也需要认真校核。由于接线方式与元件参数的关系，中性点串接电阻对相间距离保护与差动保护的测量没有影响;中性点串接电阻器相对于零序方向元件有一定的影响，主要是零序方向动作最灵敏角度发生偏移，因接人电阻值较小，在母线故障最严重情况下，角度偏移一般不超过20o，仍在零序方向可靠动作区内，不影响方向比较式保护的正确动作。因此，个别的中性点串接电阻器对于线路主保护没有实质性影响。但是线路后备保护通常采用零序电流保护或距离保护。零序电流保护受中性点接地状况的影响较为明显。中性点串接电阻器，实际上是改变了零序网的阻抗数值。由于串接电阻的阻值不大，所以零序阻抗和零序电流的改变不大，只需整定计算校检时注意。当接地阻抗继电器在整定其启动阻抗时，中性点的电阻没有被纳人回路，因而对于启动阻抗整定没有影响。当不对称故障(例如单相直接接地)发生时，有电流流过中性点，使得电阻器也被纳入零序网，实际的故障电流减小，致使实际测得的阻抗大于整定阻抗。可以在实际整定过程中考虑到中性点电阻的因素，将其阻值折算到各相阻抗。对于中性点电阻器改变交流系统的零序阻抗的引起的问题，为系统安全可靠起见，使用时应针对具体情况考虑保护配置的整定值。页（2）变压器中性点补偿电流法。为了达到相应效果有很多种接线方式，从技术角度方面来看，能遵从如下工作原理：在变电所外补偿接地极与变压器中性点之间注人直流电流，该电流部分经由变压器绕组和电网再回到补偿接地极。整流桥根据变压器中性点直流互感器测试的直流偏磁电流及其方向，自动输出补偿电流，按照整定值，抵消变压器的大部分直流偏磁电流(通常抵消80％偏磁电流)，使变压器的噪声和振动达到允许的水平，确保变压器的安全运行。目前，在主变中性点注入反向直流电流，并采取降低变压器直流偏磁的措施，已具备工程实施条件[6]，有些部门已经投入实际应用。从整体看该措施不改动变压器本体接线，属于“地下工作”，对变压器安全可靠，对相邻变电所的影响很小，是目前比较理想的抵消变压器直流偏磁的有效措施。但补偿电流法需要装地网，增加了建造成本。故需要解决的关键问题是希望能进行更多相关的研究和实验提高该方法的效率，并且能更方便的降低电网改造的成本，才能使得此种方法得到更广泛应用（3）变压器中性点串联耦合电容研究结果表明，在直流输电系统接地极电流为零（双极平衡运行方式）或保持稳定（单极大地回线运行方式输送功率不变）的条件下，Idc为零。因此，采用主变中性点上装设电容器的措施可以有效地抑制和消除流过其中性点的直流电流Idc。在主变中性点装设电阻、交流线路上装设串联电容器或在主变中性点装设电容器，均能抑制流过主变中性点的直流电流。而主变中性点装设电容器是抑制并消除流过主变中性点直流电流的最优方法[7]。从实际应用看，若不能限制故障过程中主变中性点即电容器两端的暂态电压，则需要容量很大的电容器才能承受故障电流，这将导致价格昂贵