直流偏磁

特高压直流换流站直流偏磁问题研究王璐伽刘伟迪朱少波张讥培刘源何健刘桓成西南交通大学*XXXXXXXXXXXXXXXXXX目录1特高压直流输电概述2直流偏磁概述3变压器直流偏磁研究3特高压直流输电概述1第一部分*XXXXXXXXXXXXXXXXXX目录1发展历史2研究现状3技术特点特高压直流输电概述4主要问题*XXXXXXXXXXXXXXXXXX1.1发展历史特高压输电是在超高压输电的基础上发展起来的，国外研究特高压输电至今已有将近四十年的历史。美国、日本、前苏联、意大利和巴西等国于20世纪60年代末和70年代初相继开始了特高压交、直流输电技术的研究，并建设了相应的试验室及短距离试验线路。国际电气与电子工程师协会（IEEE）和国际大电网会议（Cigre）均在80年代末得出结论：根据已有技术和运行经验，±800kV是合适的直流输电电压等级，2002年Cigre又重申了这一观点。*XXXXXXXXXXXXXXXXXX1.1发展历史20世纪80年代前苏联曾动工建设哈萨克斯坦—俄罗斯的长距离直流输电工程，输送距离为2400km，电压等级为±750kV，输电容量为6GW。但由于80年代末到90年代前苏联政局动荡，加上其晶闸管技术不够成熟，该工程最终没有投入运行。在特高压直流输电方面，之前世界上运行电压等级最高的是巴西伊泰普±600kV级直流输电工程，第一期工程已于1984年完成，1990年竣工，运行正常。伊泰普水电站全貌*XXXXXXXXXXXXXXXXXX1.2研究现状我国特高压输电技术研究始于1986年，在过去的20多年里，我国的科研机构在特高压交、直流输电领域相继开展了“远距离输电方式和电压等级论证”、“特高压输电前期论证”和“采用交流百万伏特高压输电的可行性”等研究。2006年8月，国家电网公司特高压直流试验基地奠基于北京中关村科技园区昌平园东区。*XXXXXXXXXXXXXXXXXX1.2研究现状向家坝-上海±800kV特高压直流输电示范工程是我国首个特高压直流输电示范工程。工程由我国自主研发、设计、建设和运行，是目前世界上运行直流电压最高、技术水平最先进的直流输电工程。国家发改委于2007年4月以发改能源【2007】871号文件核准，2008年5月开工建设，2009年12月12日通过竣工验收并单极投入运行，2010年整体工程完成试运行，投入商业运行。*XXXXXXXXXXXXXXXXXX1.3技术特点在我国特高压电网建设中，将以1000kV交流特高压输电为主形成特高压电网骨干网架，实现各大区电网的同步互联；±800kV特高压直流输电则主要用于远距离、中间无落点、无电压支撑的大功率输电工程。特高压直流输电的主要技术特点。与特高压交流输电技术相比，UHVDC的主要技术特点为：（1）UHVDC系统中间不落点，可点对点、大功率、远距离直接将电力输送至负荷中心；（2）UHVDC控制方式灵活、快速；（3）UHVDC的电压高、输送容量大、线路走廊窄。*XXXXXXXXXXXXXXXXXX1.4主要问题我国±800kV特高压直流输电面临以下问题：(1)电磁环境(2)过电压与绝缘配合(3)直流偏磁(4)控制保护系统(5)特高压交直流混合电网的稳定性11直流偏磁研究概述2第二部分*XXXXXXXXXXXXXXXXXX目录1直流偏磁成因2直流偏磁的影响3国内外研究现状直流偏磁概述32020/1/172.1直流偏磁成因定义：特高压直流输电换流站中的换流变压器“直流偏磁”是指由于某种原因导致的直流磁势或磁通，以及由此引起的一系列电磁效应。直流偏磁电流的产生原因主要有：换流站中性点电位升高所产生的流经变压器中性点的直流电流在单极大地回路运行方式时，大地作为直流输电回路，流通的电流为直流输电系统的运行电流,在其换流站周围一定区域内会产生地表电位，使周边中性点接地变压器在中性点产生直流分量。2020/1/17太阳表面黑子物质产生的太阳风和射线流袭击地球产生的磁暴2.1直流偏磁成因地磁场的变化在地球表面诱发电位梯度，在地面电导率较小的地区，这一低频且具有一定持续时间的电场作用于输电系统中中性点接地的变压器时，地表电位梯度将在其绕组中诱发地磁感应电流。该电流频率在0.001~1Hz之间，可看作近似的直流，其值可达80~100A。2020/1/17此外，产生直流偏磁电流的其他原因还有：触发角不平衡换流器交流母线上的正序二次谐波电压在稳态运行时由并行的交流电流感应到直流线路上的基频电流存在于交流网络中电压和电流关系曲线不对称的负载产生的直流分量2.1直流偏磁成因*XXXXXXXXXXXXXXXXXX2.2直流偏磁的影响变压器直流偏磁原理图虚线—有直流分量时的情况实线—无直流分量时的情况磁通曲线励磁电流曲线变压器典型Φ-i曲线由图可见，有直流分量时励磁电流发生了畸变，并且是由变压器Φ-i曲线端部的非线性引起的。*XXXXXXXXXXXXXXXXXX直流偏磁对变压器的影响由于特高压直流输电系统采用大地作回路，加上地磁“风暴”引起的地磁感应电流的作用，产生的直流偏磁对整个系统的影响如下，主要是针对换流变压器而言的。直流偏磁造成励磁电流增大变压器振动增大噪音加剧变压器损耗增加继电保护误动作系统电压下降，电压波形畸变引起局部过热*XXXXXXXXXXXXXXXXXX2.3国内外研究现状国外十分重视GIC对直流偏磁的影响研究，而国外对由直流输电单极运行引起变压器直流偏磁的研究较少。国内对GIC的研究较少,但直流输电系统引起的变压器直流偏磁相关的研究较多。目前，国内外在该领域的研究主要在于分析变压器中性点直流电流入侵后的变压器本体运行特性以及中性点直流电流的隔离措施。*XXXXXXXXXXXXXXXXXX2.3国内外研究现状美国国家航空和宇宙航行局发射了名为ACE(AdvaneedCompositionExplorer)的卫星对太空气象进行监测,卫星捕捉到带电粒子运动情况。从这些数据预估电力系统所处区域的GIC的分布情况、地磁扰动的剧烈程度、广度等,取得了一定进展。芬兰对中性点串电阻抑制变压器直流偏磁取得一些成果并应用与实际工程中。加拿大魁北克电力公司于1996年对芯式变压器允许直流电流进行了相关研究。*XXXXXXXXXXXXXXXXXX2.3国内外研究现状国内南方电网技术中心的赵杰等论证了在变压器中性点串接电阻器限制地中直流流入的可行性，并从抑制效果和继电保护角度分析校核了中性点电阻器对系统造成的影响。华北电力大学的马玉龙等在分析直流网络的基础上提出了基于伴随网络的接地电阻优化配置方法。国网武汉高压研究院的杜忠东等人提出了直流电位补偿法原理，并进行了试验验证。*XXXXXXXXXXXXXXXXXX2.3国内外研究现状综上所述,直流偏磁现象还有不少问题需要深入研究。例如：•中性点直流量的大小;•接地电流引起的直流偏磁对变压器的影响;•对中性点直流量进行在线监测的装置设计;•变压器承受直流偏磁的能力;•导致变压器局部过热的机理和位置没有得到共识22变压器直流偏磁研究介绍3第三部分*XXXXXXXXXXXXXXXXXX目录1研究方法概况2电路—磁路模型及结果分析3Ansoft有限元仿真变压器直流偏磁研究介绍4变压器允许直流量及直流偏磁抑制措施3XXXXXXXXXXXXXXXXXX2020年1月17日243.1研究方法概况对变压器直流偏磁的研究一般是通过实测建立相应的计算模型，进行模拟仿真计算。详细计算了由于触发不平衡和交流系统正序二次谐波在换流变压器中产生的直流偏磁电流。——马为民.换流变压器中直流偏磁电流的计算[J].高电压技术利用EMTP软件计算出直流偏磁时变压器的励磁电流，以论证变压器允许通过的最大直流电流。——钟连宏，陆培均.直流接地极电流对中性点直接接地变压器的影响[J].高电压技术通过网络分析计算得出，流过各变压器绕组的直流电流大小不仅与接地极的距离相关，同时与极址土壤导电性能、电力系统网络接线及其参数有关。——曾连生.直流输电接地极电流对电力变压器的影响[J].高电压技术对变压器噪声、中性线直流电流及变压器高压侧谐波电压进行实测，分析直流偏磁对变压器的影响。——黄成，吕金壮，刘艳村.广东电网变压器直流偏磁问题及其抑制措施[J].广东输电与变电技术XXXXXXXXXXXXXXXXXX2020年1月17日253.1研究方法概况提出了一种在直流偏磁情况下研究变压器空载的二维瞬态场路直接耦合有限元分析方法，分析了在不同直流偏磁情况下，变压器空载状态下的心磁感应强度、励磁电流情况。结果表明，随着变压器直流电流的增加，变压器铁心饱和度愈高，励磁电流畸变愈严重。——曾林锁，杨松.直流偏磁对换流变压器励磁电流的影响[J].沈阳工业大学学报通过铁心的非线性磁化曲线Jiles-Atherton理论，建立了变压器铁心的仿真模型并利用该模型分析了直流偏磁大型变压器开路时励磁电流的波形特征。仿真结果表明，随着流入变压器的直流电流增加，励磁电流畸变愈严重，并在励磁电流增大到一定程度后严重半周饱和，其谐波分量越来越大且出现随直流电流增加而快速增长的偶次（主要是2次）谐波。——李晓萍，文习山，陈慈萱.单相变压器直流偏磁励磁电流仿真分析[J].高电压技术XXXXXXXXXXXXXXXXXX2020年1月17日263.2电路—磁路模型及结果分析（1）用电路与磁路相结合的方法求解系统微分方程组该电路模型满足的电路方程：图3.1直流偏磁下的变压器的等效电路图XXXXXXXXXXXXXXXXXX2020年1月17日273.2电路—磁路模型及结果分析三相组式变压器中单相变压器的铁心及其磁路如下图所示，其磁路方程可写为：图3.2单相变压器的铁心及其磁路图XXXXXXXXXXXXXXXXXX2020年1月17日283.2电路—磁路模型及结果分析（2）直流偏磁下的变压器励磁电流波形在变压器额定电压下,分别在一次侧对变压器施加0、10、50、100、150、200V的直流电压。空载状态时单相变压器的励磁电流波形如图所示：当变压器绕组中有直流电流经过时,由于直流电流的偏磁影响,可能使得励磁电流工作在铁芯磁化曲线的饱和区,导致励磁电流的正半波出现尖顶,负半波为正弦波。并且直流电流越大,励磁电流波形畸变越严重,变压器工作点越趋近于磁化曲线的饱和区XXXXXXXXXXXXXXXXXX2020年1月17日293.2电路—磁路模型及结果分析（3）变压器在不同直流偏磁下的磁链波形空载状态时,变压器在不同直流偏磁下的磁链波形如图所示：从上面的结果可以发现:随着直流电流的增加,直流磁通量增加,磁链向一侧偏移,因此铁心在随时间交变的半个周期内饱和程度增加,励磁电流的畸变越来越严重,励磁电流正半周越来越大,负半周减小至零XXXXXXXXXXXXXXXXXX2020年1月17日30（4）直流偏磁对励磁电流波形畸变的影响3.2电路—磁路模型及结果分析通过对所得励磁波形进行傅里叶分析，得空载状态时,变压器在不同直流偏磁下的谐波分布如图所示:XXXXXXXXXXXXXXXXXX2020年1月17日313.2电路—磁路模型及结果分析在直流偏磁状态下励磁电流畸变,直流量越大,畸变程度也越大。将含直流量的励磁电流波形傅立叶分解就得到其总谐波畸变率，谐波的大小和次数均随直流量的增加而增加。XXXXXXXXXXXXXXXXXX2020年1月17日323.2电路—磁路模型及结果分析曲线表明组式变压器空载电流中各次谐波量随着直流电流的增加而增加,增加幅度较大的主要是直流分量和二次谐波,但当直流电压超过一定值后,直流分量的谐波幅值继续增加,其他谐波幅值减小,谐波畸变率减小,这是因为当直流量很大时铁心高度饱和,其等效磁导率接近真空磁导率。当直流电压在150-200V之间时达到最大值。*XXXXXXXXXXXXXXXXXX3.3Ansoft有限元仿真*XXXXXXXXXXXXXXXXXX3.3Ansoft有限元仿真*XXXXXXXXXXXXXXXXXX3.3Ansoft有限元仿真*XXXXXXXXXXXXXXXXXX3.3Ansoft有限元仿