电厂变压器中性点电容型隔直装置接地应用
发布时间：2022-11-08T05:18:14.268Z  来源：《福光技术》2022年22期作者：张智渊
[导读] 在交流输电混合电厂，若直流输电电流流入变压器中性点，可能会直接产生变压器直流偏磁的情况。整个电厂的电路因不对称引起振动和谐波等问题，最终影响变压器甚至整个电厂的正常运行[1]。
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摘要：直流电流通过接地中性点流经变压器绕组，会导致整个电厂电路因不对称引起振动和谐波等问题，因此本文将电容型隔直装置安装至电厂中，对其接地应用效果展开研究。隔直装置拥有两种运行状态，可以通过电厂波动的电流情况针对性处理，对电容器会起到更可靠的保护作用，保证高压直流输电的稳定性。实验优化分析显示，加入隔直装置能承载更多的偏磁电流，说明中性点电容隔直装置起到了一定的优化作用。
关键词：电厂；变压器中性点电容；直流偏磁；隔直装置；
中图分类号：TD52；TP391.9    文献标识码：A
引言
在交流输电混合电厂，若直流输电电流流入变压器中性点，可能会直接产生变压器直流偏磁的情况。整个电厂的电路因不对称引起振动和谐波等问题，最终影响变压器甚至整个电厂的正常运行[1]。
直流输电系统建设初期的系统调试、直流输电系统设备故障或检修等原因，使得直流输电系统单极大地回线方式或双极不平衡方式运行几乎不可避免；而越来越多的直流输电系统投运使其发生的概率大大提高[2]。当直流输电系统以单极大地回线方式或双极不平衡方式运行时，强大的直流电流通过接地极注入大地，经大地流到直流系统的另一端。直流电流会在流经的大地路径上产生电位差，而交流输电系统通过中性点接地的变压器及输电线路与大地构成并联回路，可引起数十安的直流电流经交流系统传输[3]。
当直流电流通过接地的变压器中性点流经变压器绕组，将引起变压器磁路直流偏磁，导致铁心的半波饱和，从而产生谐波，引起振动和噪声、过热等问题，严重时可引起变压器的损坏；谐波还可能引起电容电抗器组的谐振损坏、引起保护误动等问题。这些影响最终将危及到电力系统的安全运行[4]。
为了解决这一问题，在电厂配置上加入了变压器中性点电容型隔直装置。本文就此，针对变压器中性点电容型隔直装置接地应用展开研究。
1. 电厂变压器中性点电容型隔直装置接地应用
1.1 中性点电容型隔直装置的组成及原理
变压器中性点隔直装置能够有效监测到直流偏磁电流，当直流偏磁电流超过变压器电流设定的固定范围，中性点电容型隔直装置会自动打开旁路开关，将电容串接到变压器中性点，利用电容隔直通交的特点，阻断直流通路，最大限度减少直流偏磁带来的影响，保证变压器的正常运行。变压器中性点电容式隔直装置如图1所示：
如图1可知，中性点电容式隔直设备，是由电容器、旁路开关、电抗器、晶闸管组等构成。图1所示电容隔直装置旁路系统采用双向晶闸管交流固态开关来实现动作的快速性。装置通过投入刀闸及接地刀的切换可实现变压器中性点接地方式及电容隔直装置退出的灵活转换。其中的晶闸管支路和旁路开关支路为电容器的旁路保护系统。当交流系统发生不对称短路故障时，零序短路电流会流过电容器，当装置检测到交流电流或电容器端电压超过预设定值时，装置会立即触发导通双向晶闸管旁路，并同时发出旁路开关的合闸信号。故障电流先通过晶闸管旁路流向大地，达到快速保护电容器的目的。同时晶闸管开始由
导通转向关断，故障电流再由晶闸管旁路转移到旁路开关流向大地，双向晶闸管支路与机械旁路开关构成了双旁路保护，对电容器会起到更可靠的保护作用[5]。
1.2中性点电容型隔直装置的运行状态
1.2.1中性点电容隔直装置正常运行状态（即中性点直接接地状态）
由于交流系统的接地故障和直流系统单极运行或不对称运行，均为非正常运行工况，发生概率低，持续时间短，为变压器和电容器运行的安全起见，电容隔直装置的正常运行方式为晶闸管旁路在关断状态，机械旁路开关闭合，隔直电容器被旁路短接，变压器中性点为直接接地运行状态。
1.2.2 中性点电容隔直状态
当装置检测到中性点直流电流超过设定限值且时间达到时限，若此时检测到的中性点零序交流电流小于设定限值时，装置控制旁路开关打开，将电容器接入变压器及地网之间，变压器中性点处于隔直状态；若检测到中性点零序电流大于设定限值时，则保持旁路开关在合闸状态。
当电容隔直装置处在隔直状态时，若检测到电容器直流电压恢复到设定限值以下且达到延时时间，旁路开关自动合闸，装置退出隔直，恢复成正常运行状态；否则，继续保持隔直状态。在电容器两端直流电压仍大于设定限值的情况下，若此时交流系统发生不对称短路故障，装置迅速触发导通晶闸管旁路并触
发闭合旁路开关，并退出隔直状态，对电容器进行保护。
若中性点电容隔直装置在大电流出现的阶段有故障或者退出运行状态，变压器中性点仍只是通过中性点接地刀闸直接接地，此时经过隔直电容导通的渠道已经封闭。造成发电厂故障的直流电流就开始通过变压器直接接地的中性点流经变压器绕组，变压器绕组中流过直流电流时将产生直流偏磁，导致交流变压器受直流偏磁场的干扰引起变压器振动和噪声加剧、温升增加等现象，这些问题也已被多次的现场实测数据所证实，最终影响电力系统的正常运行[6]。所以通过接入变压器中性点电容的隔直装置接地应用就能够控制直流偏磁场作用，从而确保了交流变压器的正常安全工作。中性点电容型隔直装置运行状态如图2所示：
1.3电容型隔直装置的监控单元电容型隔直装置监控单元位于箱体外侧，其控制模式的控制面板如图3所示：
控制模式控制面板
变压器电容隔直装置就地和远方控制分为自动和手动操作，通过手动操作隔直装置旁路开关，切至就地手动分合，正常切回就地自动。而针对就地的自动控制则依赖于装置配备的数字控制器。就地的手动模式需要操作员在装置面板上操作按钮，完成手动调整的工作。正常情况下设置为自动控制模式，控制的情况显示在装置的控制面板上。电厂运行人员通过手动控制隔直装置旁路开关的分合，可以直接实现变压器中性点的直接接地或隔直状态。
1.4电容型隔直装置的控制系统
以西门子step7控制器为核心控制器，针对流经中性点的直流电流、电容器两端的直流电压、中性点交流电流和装置的环境温湿度进行监测，结合隔直系统操作软件构成后台实时监测和自动控制。装置的控制系统主要分为隔直系统后台监控系统和就地控制逻辑系统。后台隔直监控系统位于电厂控制室内，能够
与就地设备实现实时通信，方便记录运行数据和事件。就地控制逻辑系统能够根据设备实时测量的电压、电流数据，对是否投切电容器设备进行判断。就地控制逻辑程序用于实现被监控的系统的动作逻辑，包括人机查看界面，系统运行逻辑执行。现场调试完成后，一般不再需要进行逻辑更改，因此不需要监控人员登陆运行。
2.电容隔直装置优化分析
为了验证本文提出的中性点电容型隔直装置接地应用优化电厂变压器的有效性，实验对比了中性点电容型隔直装置使用前和使用后的优化效果。
将一台220kV型电容隔直装置用于电厂内#1主变与#2主变中，均为220kV。系统的主接线如图4所示：
2.1装置参数
220\110kV电厂隔直装置参数如下：隔直装置的额定电压为10kV，其工频容抗值为0.097Ω。电容器容值最大承载34000μF。变电机的中性点为直接接地，电容式隔直器在机械大电流的场合上工作时间小于70ms；自动分闸工作时间则小于50ms，而隔直器的快速大流量设计则采用了双向晶闸管与串联限流端子的形式，晶闸管导通长度约为20μs。承受最大流量的能力为长时12000A（RMS）/4s；短时15000A （RMS）/250ms。
2.2实验结果
对于变压器中性点接地运行的变压器而言，电容隔直装置旁路开关正常运行方式下处于合闸状态；按照预设策略，通过电流、电压传感器监测变压器中性线的交流电流和直流分量、电容器上的直流电压，通过控制电容隔直装置旁路开关的分、合闸实现隔直或退出隔直状态。当装置检测到中性点直流电流超过设定限值且时间达到时限；若此时中性点零序交流电流小于设定限值时，控制旁路开关打开，将电容器接入变压器及地网之间，装置工作在隔直状态；若检测到中性点零序电流大于设定限值时，认为交流系统有不对称短路故障，保持旁路开关处于合闸位置。隔直状态下当电容器直流电压恢复到设定限值以下且达到延时时间，控制旁路开关自动合闸，装置退出隔直；若检测到中性点零序电流超过设定限值或电容器电压达到预设定值时，认为交流系统有不对称短路故障，装置迅速触发导通晶闸管旁路并控制旁路开关合闸，退出隔直状态。
加入隔直装置对继电保护的影响主要体现在变压器中性点加隔直装置对主变压器进行主保护，主变压器零序过电流保护后主电压器中性电流约为4.4kA。以M电厂为例，零序电流设定值为0.99kA，主变压零序过流电流定值需要重新整定，零序二段定值就不需要调整。主变压器中性接地点位于高压侧位，发电绕组三角形接线。加入隔直装置电容器后，电容器与电压的谐振频率为：
（1）
其中，为加入隔直装置的振谐频率，为中性点电容器的基波频率。将加入隔直装置后对单相短路电流的计算如表2所示。
表2  加入隔直装置后电流变化
根据表2计算结果显示，220KV母线发生不对称现象，在加入中性电容型隔直装置后，使得正序电流与零序电流处于起到了明显的效果。
为了确保优化效果的准确性，选取了相同的中性点电容型隔直装置进
行了多次实验，对比电厂变压器中性点电容型隔直装置接地优化前与未优化的效果。两种方案对比结果如图5所示：
从图5可知，相同的电厂变压器，安装中性点电容型隔直装置能承载的有效偏磁电流的最大值要远远超过未安装隔直装置的承载值，这说明安装隔直装置能处理更多的偏磁电流，进而起到优化的作用。
3结束语
中性点电容隔直装置可以很好地处理电厂变压器串联绕组产生的电流，电容隔直装置能对直流偏磁进行抑制，起到保护电厂变压器的作用。本文从隔直装置接地应用程序入手，将中性点电容隔直装置使用情况进行了精确地分析，最后对装置进行了优化实验，对比中性点电容隔直装置使用前后的变化。希望本文提出的观点可以应用在电网电流突变抑制优化中。
参考文献：
电力英才网[1]刘青，查虹丽，马龙雄，周宁馨.采用多目标离散粒子算法的地磁感应电流抑制措施的优化和效果评价[J].西安交通大学学报，2021，55（03）：90-98.
[2]温英才，曾王杰，吴斌.变压器中性点隔直装置电流突变异常分析[J].电力安全技术，2020，22（04）：40-42.
[3]夏志凌，胡凯波.变压器隔直装置应用及问题分析[J].电工材料，2020（01）：24-26.
[4]杨帆.变压器直流偏磁的抑制措施及电容隔直装置的应用[J].光源与照明，2021（09）：98-100.
[5]黄晓瀚，罗梓聪，周勇.500kV变压器电容隔直装置存在的问题分析及改进[J].电工技术，2021（12）：58-59+61.
[6]程帅.变压器中性点隔离装置电流突变异常分析[J].电气传动自动化，2020，42（06）：40-42.
作者介绍：张智渊（1994.4.3）；男；广东平远；汉族；大学本科；助理工程师；运行值班员；广东粤电新丰江发电有限责任公司。