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一种针对城际轨道交通引起变压器直流偏磁的治理装置
摘要：变压器直流偏磁现象主要是由直流输电系统单极运行或双极不对称运行时造成的；越来越发达的城际轨道交通系统运行时引起变压器直流偏磁现象；其次太阳等离子风的活动引起的地磁“风暴”也会引起变压器直流偏磁现象。目前研究较多且较成熟的是直流输电系统对直接接地的交流变压器造成的直流偏磁的影响；太阳风暴引起的直流偏磁现象比较少见，具体的研究也不多；城际轨道交通系统引起的直流偏磁影响研究的较晚和较少。笔者针对公司多年在城际轨道交通周边的交流变电站部署直流监测装置采集到的数据,经过对目前常用的一些直流偏磁治理装置优缺点的比较,选取并改进了一种可靠的及针对城际轨道交通影响的直流偏磁治理装置。
关键词：直流偏磁 城际轨道交通 直流偏磁治理装置
近几年变压器直流偏磁问题越来越被重视，但目前大多都停留在直流输电系统不平衡运行方式运行造成的影响中，城际轨道交通的影响研究的还比较少。 一、直流偏磁产生的原理
1.如图1，为直流输电和交流系统示意，当直流输电系统双极线路不对称、单极大地回线和同极并联大地回线运行时会引起逆变侧的接地极和整流侧的接地极之间产生电势差，因为110kV及以上电压等级输配电系统变压器中性点为直接接地运行方式（如图1），如Rt1的接地极靠近逆变侧接地极，Rt2接地极靠近整流侧接地极，就会引起交流输配电系统接地极之间产生电势差，直流电流会从Rt1变压器接地极的中性点流入，从Rt2变压器中性点流出，导致Rt1和Rt2变压器直流偏磁，直流偏磁会引起主变产生噪声、振动和谐波，使变压器无功损耗增大、继保系统误动。
图1
2.城际轨道交通动力系统如图2，牵引变电站通过上接触网与轨道给机车供电，机车在行驶过程中会引起一部分杂散电流通过大地流回牵引站，这部分入地杂散电流有可能会流入就近的交流变压器中性点，引起变压器直流偏磁现象，其原理与直流输电系统引起的直流偏磁现象类似，会在交流变压器中性点处引起电势差，从一台变压器中性点流入，另外一台变压器中性点流出。其不同的是变压器中性点直流偏磁极性变化快，冲击大、持续时间短、每天规律性强。如图3所示，为我公司在深圳某供电局变压器中性点监测到的直流情况，其周期为早5:30到第二天凌晨0:30，刚好与地铁的运营时间吻合。
图2
图3
3.太阳等离子风的活动引起的地磁“风暴”也会引起变压器直流偏磁现象，地磁场的变化在地球表面诱发电位梯度，在高纬度，东西走向，电导率下的地区，当发生严重地磁暴时，这种电位梯度可达每公里几伏到上百伏，持续时间为几分钟到几小时，当这个电场作用于东西走向输电系统中的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，造成变压器直流偏磁现象。 二、直流偏磁的特性
直流输电系统引起的直流偏磁特性：持续时间一般为30分钟-90分钟时间，
每次电流方向固定、出现不频繁（随直流输电不平衡运行及单极大地运行方式而出现），大小与直流输电时入地电流大小有关，直流输电入地电流越大，造成的直流偏磁现象越严重；
轨道交通引起的直流偏磁特性如图3，每天出现的时间段相同（早5:30到第二天凌晨0:30），与轨道交通的运营时间相吻合，变压器中性点测到的偏磁电流的方向跳变快，持续时间短；
因太阳风暴引起的直流偏磁现象记录的数据很少，本文暂不做分析。 三、治理直流偏磁的方法比较
目前针对直流输电引起变压器直流偏磁的治理方法有：变压器中性点串电容、变压器中性点串小电阻和反向电流注入法。
中性点串电阻法是在变压器中性点与接地极之间串入一个限流电阻。为了不改变变压器原有接地方式，电阻越小越好；但为了获得良好的抑制效果，电阻越大越好。串电阻法优点是结构简单，造价低。不足的是无法完全消除中性点直流电流；对于有些场合，所需电阻值可能非常大，不能保证变压器中性点有效接地；中性点串入电阻对系统零序参数产生了影响，进而也可能会影响到继电保护的整定；当交流系统发生不对称故障时，还会导致变压器中性点过电压；每当电网结构变化时，接地电阻阻值可能需要重新计算和更换。
中性点串电容法是在变压器中性点与接地极之间串入隔直电容器组，电容器组并联断路器，当变压器中性点无直流电流时，断路器合闸旁路电容器，变压器中性点经断路器接地处于直接接地状态；当检测到变压器中性点有直流电流时，断路器分闸，变压器中性点经电容器接地处于电容接地状态，电容有“隔直（流）通交（流）”的作用。优点是变压器中性点串联电容器后，可以有效地完全消除流过变压器中性点的直流电流，而且不影响交流电流的正常流通，是目前在消除变压器中性点直流电流方面比较实用的一种方案，缺点是当装置正处于电容隔直状态时，交流系统发生不对称短路，如对电容器保护不及时，会导致电容器过流损坏，所以电容器保护功能必须做的非常完善。
反向电流注入法是在变压器中性点串入一个等效可控的反向直流电压源，以消除中性点直流电流为目的，实时提供反向的直流电流。其优点是不改变变压器原有的接地方式，对流入附近其它变压器的地中直流量影响也很小。缺点是这种方法需在变电站外建造独立接地极，工程量比较大，运行维护费用较高；一个变电站内几台变压器同时运行，当有直流偏磁时，不能全部补偿到安全值以下。 四、针对治理城际轨道交通引起直流偏磁的装置的设计
城际轨道交通引起直流偏磁的特性已经在在上文有简单介绍，主要有： 1.直流偏磁电流的周期性强：城际轨道交通引起电力变压器直流偏磁现象与其运营时间吻合，如图3为深圳清水河变电站变压器中性点测到的直流电流曲线图，出现的时间为早5:30到凌晨00:30分，这段时间刚好为地铁的运行时间，并且每天都是这个趋势；
2.直流偏磁电流的方向和大小不确定性强：从图3中可看出，电流大小和方向无规律性，有大有小，有正有负，测量中我们发现造成这种现象主要与地铁离变电站的距离、地铁到站的减速停车、启动加速出站及地铁的运载负荷大小有关； 鉴于以上2个特点，由于变压器串电阻型抑制装置无法完全阻隔直流，反向电流注入法无法快速跟随直流偏磁的大小和方向，我们提出了一种治理针对城际轨道交通引起变压器直流偏磁的电容型主动隔直装置，原理图如图4
图4
电容型主动隔直装置主要电气组成元件包括（如上图）：（1）电容器组C；（2）隔直开关K3；（3）可控硅组SCR；（4）限流电抗器L；（5）SCR触发单元；（6）瞬时电压监测单元KSvM；（7）瞬时电流监测单元KScM；（8）直流电压传感器PT1、PT2；（9）直流电流传感器DCCT1、DCCT2；（10）交流电流互感器ACCT；（11）数字控制器；（12）远程监控计算机。
新设地刀K12闭合和原地刀K11打开后表示隔直装置投入系统工作，较常规电容性隔直装置不同的是隔直开关K3设定为在城际轨道交通运行期间处于分闸位置，也就是变压器中性点经电容器组C接地，在此期间主动隔直。因为电容器组投入时间较长，所以必须考虑完善的保护电容器组，我们设计可控硅SCR快速旁路，当变电站有区外故障时，可快速导通保护电容器组，我们设计了3级触发可控硅SCR的保护措施，第一级：数字控制器发出的命令，数字控制器检测到ACCT电流大于门槛值（可设定）后，发出触发信号，触发可控硅导通；第二级：瞬时电流监测单元KScM，这部分为纯硬件设计，门槛值比第一级高，因为是监测瞬时值，所以速度比第一级快；第三极：瞬时电压监测单元KSvM，这部分是纯硬件无电源供电设计，监测电容器2端的瞬时电压，当整个装置失去供电电源后，也能正常工作，电压超门槛值后也能可靠触发可控硅SCR工作。 五、结语
本装置安装在受城际轨道交通影响的广州某220kV变电站中运用效果良好，装置在主动隔直（隔直开关K3分闸）期间，可以将直流电流完全阻隔，并且有区外单相接地故障下也能快速触发可控硅SCR支路导通保护电容器组，当区外故障消失后装置也能立即转换为主动隔直状态；在主动隔直期间外装置也能根据直流偏磁电流越上限后打开旁路开关K3隔离直流，当直流消失（判断电容器2端电压，电压低于门槛值说明消失）后，装置闭合旁路开关K3，使变压器进入直接接地状态。事实证明，这种电容型主动隔直装置非常适合安装在受城际轨道交通影响产生直流偏磁的变电站中。 参考文献：
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本文来源：https://www.wddqxz.cn/f6f758dc1cd9ad51f01dc281e53a580217fc502a.html
2023-04-06
