直流接地极电流对交流电网的影响

直流接地极电流对交流电网的影响

1直流接地极电流对交流系统的影响自高压直接供电出现以来，为了构成直接供电电路，还需要配置直接接地极。为减小直流大地回线接线方式下直流电流对换流变压器的影响,通常需要将直流接地极引到换流站几十公里外;并且为防止直流接地极电流的电腐蚀,在接地极半径几十公里的范围内不能有重要的地下设施。贵州天生桥—广东广州高压直流输电工程(以下简称天—广直流)调试过程中,由于接地极和交/直流并联输电系统等多种因素的作用,直流接地极电流对交流系统的影响突显出来。目前,我国一个电网内有多条直流输电线路进出,直流系统的不同接线方式对交流系统的影响引起了极大关注。三峡—广东高压直流输电工程(以下简称三—广直流)调试过程中,考虑到单极大地回线运行方式下接地极电流对附近交流变压器运行的影响,2004年3月18日,南方电网公司、广电集团公司、大亚湾核电运营管理有限责任公司和三—广直流调试指挥部等各方在大亚湾核电站就有关问题进行了研讨,决定采用天—广直流双极不平衡运行方式以产生反向接地极入地电流,补偿三—广直流单极大地运行方式接地极电流对岭澳核电主变运行的影响;3月19日,调试指挥部制定了《三—广直流极1大地回线大负荷试验方案》,并提交有关各方讨论审核;3月20日方案获得各方通过,当日在国调中心和南方调度中心的支持和配合下,参加调试的各单位完成了极1大地回线下的大负荷试验。通过此次试验,检测了广东岭澳核电站500kV变压器接地中性点和义和220kV变压器接地中性点流过的直流电流,掌握了直流接地极电流对交流系统影响的一般规律,为研究解决此问题奠定了基础。由于大地导电率和电力系统接地结构非常复杂,因此本文通过合理的简化图例定性说明直流接地极电流对交流系统的影响,结合三—广直流系统的调试结果,力求清楚地描述其影响规律。2直接插入极电流对交流系统的影响规律2.1交流变压器中性点直流电流的变化双极直流系统的典型接线方式是单极大地回线(见图1,图中的UG表示接地极电压),直流电流从整流器高压端流出,通过直流线路送到逆变器,从逆变器高压端到中性端,再经大地回到整流器中性端,构成直流系统的输电回路。按照直流电路原理,两个换流站接地极之间必然存在电位差,电流总是从高电位(逆变站接地极)流向低电位(整流站接地极)。在两端电场作用下,逆变器的入地电流通过无数条通道流向整流器。在研究直流输电系统接地极附近大地中的电场时要考虑地质结构的影响。在地质结构中,地壳由上层土壤层和中层原始岩层构成,其中岩层的电阻率较高;地壳以下的下层包括地幔和地核,具有良好的导电性能。在接地极附近,其入地电流主要在上层土壤层中流动;而在距接地极较远处,入地电流将逐渐转入导电性能良好的地球下层流动。通常将无穷远处的大地电位看作零电位,接地极总是存在一定的接地电阻,接地极电流通过接地电阻时会产生压降,使接地极电位升高。在上层土壤层中,这个高电位随着与接地极距离越来越远而逐渐下降,下降速度与地质条件有关,土壤导电率越小下降越慢。在接地电阻较大的地区电位下降较慢,电流分布的影响范围会扩大。交流电网中存在不同的电压等级,为减小系统短路容量和保证绝缘水平,一些交流变压器应采用Y0接线方式。在以直流接地极为中心的电压下降圈内,如果在其不同幅值的地点有交流系统相同电压等级的多台交流变压器中性点接地,则直流电流按通路电阻小、电流大的原则,从地电位较高的交流变压器中性点流入,从地电位较低的交流变压器中性点流出,即有一部分直流电流会通过接地极附近较高电位的交流Y0接线变压器中性点流入变压器的三相绕组,再通过与其相连的交流线路进入电网内地电位较低的交流Y0接线变压器的三相绕组,并经过这些变压器的中性点入地。在这种情况下,直流电流会在变压器中产生直流磁通,发生直流偏磁,使磁化曲线的运行部分变得不对称,加大铁心的饱和,导致噪音增大和变压器铁心、金属紧固件等的发热增加。此外,对于交直流并联输电系统或直流系统在一个交流系统中的情况,直流电流从逆变站接地极附近的交流变压器中性点流入交流系统,从整流站接地极附近的交流变压器中性点流出交流系统,入地直流电流按接地电阻与交流回路并联的阻抗成反比的原则分配。以上分析是以双极直流输电系统的正极大地回线运行情况为基础,如果以负极大地回线方式运行,则进入变压器中性点的直流电流的流向和接地极上压降的极性都相反。一个双极直流输电系统在双极平衡运行时,正、负极的回流相互抵消,接地极线流过的电流为零,不存在对交流系统变压器的影响;当某一极大地回线运行或双极不平衡运行时,接地极将流过电流:正极电流大时,接地电流从逆变器中性端经大地流到整流器中性端;负极电流大时,接地电流从整流器中性端经大地流到逆变器中性端。由于不同方向的接地电流在接地极上的压降相反,因此流入交流系统的电流也相反。2.2中性点接地特性分析目前国内外电力系统的研究很少涉及两个双极直流输电系统对交流系统的影响,三—广直流工程调试中利用两个实际双极直流系统进行接地极电流影响的试验在世界尚属首次。以两个双极直流系统均为正极单极大地回线运行、逆变站接地极电流流入电网为例(见图2),直流电流均为从接地极流出时压降为正。图中以理想的地电位剖面(实线1和实线2)表示两条直流输电线(TG和JC)的接地极压降,它们在逆变电网中分布的各点上相叠加(虚线3)。假设电网中处于同一交流电压等级的A、B、C3个变电站具有中性点接地变压器,由图2可见,A站距TG的接地极较近,处于较高的地电位UGA;B站距JC的接地极较近,距TG的接地极较远,地电位UGB处于中间;C站距两个接地极都较远,地电位UGC最低,因此,接地电位差UGAC最大,UGAB最小。在不同电位差的作用下,TG直流的部分接地极电流从A站流入交流系统,从B站和C站流出;JC直流的部分接地极电流从B站流入交流系统,从C站流出。这样,两个直流系统相同极性的极在交流系统B站的作用相反,在C站的作用相同;作用的大小与输入、输出接地点间的电位差成正比,与它们之间交流网络的等值电阻成反比。由于不同极性的直流对接地极的作用相反,因此两条直流输电线使用不同极性的极运行时对交流系统的影响也不同,例如TG直流采用负极性、JC直流采用正极性时对交流系统B站的作用相同,对C站的作用相反。2.3交流系统中性点接地电流的特性以上分析是在理想条件下的定性分析,通过三—广直流系统调试已得到了证明,从而可得出多个直流系统接地极电流对交流系统影响的一般规律:(1)直流双极平衡或单极金属回线稳态运行时没有接地极电流,对交流系统没有影响。(2)直流接地极电流在接地极附近产生的向四周扩散的压降随土壤导电率变化,导电率越高下降越快。交流系统各点的接地电位是每个直流系统接地极压降在该点的代数和。(3)同一双极直流系统不同极性的单极接地极电流对交流系统中任一地点的中性点接地电流的作用相反。(4)如果交流系统有多个接地点,则最靠近逆变站接地极的交流变压器中性点接地电流在直流为正极(负极)性时流入(流出);距逆变站接地极较远的交流变压器中性点接地电流在直流为正极(负极)性时流出(流入)。靠近和远离整流站接地极的交流变压器中性点的电流方向可类推。(5)在交流电网结构一定的条件下,每个双极直流对网内任何接地点电流的影响率近似为一条直线;接地直流电流值与输入、输出接地点的电位差成正比,与交流电网的等值连接电阻成反比。(6)交流电网中任何变压器的中性点接地电流的直流分量(不计交流系统中原有的直流分量)是所有网内直流换流站接地极电流对其影响的代数和。(7)改变交流系统变压器的接地方式或交流系统的结构将改变变压器接地直流电流的幅值,实际值需根据现场测量确定。3天—直流系统接地极电流对广东电网的影响将接地极电流对广东电网影响的试验分析列于不同的表中,具体情况如下:(1)天—广直流双极平衡运行、三—广直流极1大地回线下输送不同直流功率时,直流的接地极电流从附近的广东惠州鹅城换流站、横沥站等变电站中性点接地的交流变压器流入500kV系统,从广东东莞义和等主变中性点流入220kV系统;从岭澳核电站中性点接地的500kV系统交流变压器流出,直流电流值见表1(假设流入交流系统为负,流出为正)。由表1结果可得出,当天—广直流系统双极平衡运行时,仅考虑三—广直流系统输送功率的变化对岭澳变压器中性点直流电流的影响,其中性点直流电流与三—广直流系统输送电流的比例系数分别为0.013和0.011;而义和中性点直流电流与三—广直流系统输送功率的比例系数为-0.012,符合第二节的分析规律。(2)三—广直流金属回线运行时,天—广直流极1(负极)功率为600MW,极2(正极)为300MW,因此天—广直流负极的300MW功率流经接地极,电流从远方大地经岭澳主变等500kV变电站和义和等220kV变电站流入交流系统,再经接地极附近的北郊、罗洞等500kV和220kV主变中性点流出,在接地极电势的作用下进入接地极,直流电流值见表2。由表2结果可得出,天—广直流输电系统输送电流对岭澳核电和义和主变中性点直流电流的影响系数分别为-0.01、-0.009和0.003,虽然这组数据仅从一组测量数据得出,存在较大误差,但仍能说明流入天—广直流输电系统接地极电流的变压器(图2中的A站)与岭澳核电站(图2中的C站)的电气距离较远,连接电阻较大,与义和(图2中的B站)中性点的地电位差较小,这也符合第二节的分析规律。此外,两个直流系统没有接地极电流时交流变压器中性点直流电流基本为零。(3)利用天—广直流双极不平衡运行的补偿作用,三—广直流极1(正极)大地回线下输送不同直流功率时,岭澳和义和主变中性点直流电流值见表3。由表3结果可见:1)天—广和三—广直流按不同极性不平衡方式运行时,对岭澳等主变中性点直流电流的补偿作用能有效抑制岭澳等变压器的中性点直流电流。利用这一作用完成了三—广直流带额定负荷大地/金属回线转换等试验项目。将表3中第一行结果与表1三—广直流极1输送相同负荷的值比较,可得出天—广直流负极对广东岭澳电厂影响的修正系数,岭澳1号变为0.012、岭澳2号变为0.013,抵消了三—广直流正极的作用。通过全部数据的平均计算得出两个直流接地极电流对岭澳1号变压器中性点电流的影响系数均为0.011。2)需要指出的是,天—广和三—广直流按不同极性不平衡方式运行时对三—广直流接地极附近的义和变电站主变都具有增大变压器中性点直流电流的作用。义和变电站一台220kV主变接地时的接地电流是两台220kV主变接地时的2倍。通过全部数据平均计算得出两个直流接地极电流对义和变电站变压器中性点电流的影响系数三—广为0.012(0.006),天—广为0.003(0.0015)。3)由试验数据得出的影响系数可见:义和变电站220kV主变接地变化时不仅直接影响本站,也会影响岭澳核电站,说明电网结构变化对直流接地极电流有影响。4其他下接入地保护措施为减小直流接地极电流的影响,首先要从源头解决(堵措施),合理安排直流系统运行方式,减少单极大地回线接线方式,或设计避免直流电流入地的接线方式;其次,建立可靠的电流通道(疏导措施),减小接地极的接地电阻或建立专门线路;合理安排电网中交流变压器的接地点和接地方式(隔离措施)也可减小直流接地极电流的影响,但大地的地质构造和电网的物理结构比较复杂,在交流变压器中性点采取措施时需注意系统故障产生的过电压和过电流对相关装置的影响。对这些措施需进行以下研究:(1)接地极研究的基本内容为使直流接地极电流尽快进入地球深处的导电层,减小地表压降对交流电网的影响,需研究深层接地极。基本设想是:直流接地极穿透地壳上层土壤层和中层原始岩层,安放在地壳深层(包括地幔和地核)具有良好导电性能的地层中。这需要研究:1)地质情况选择接地极址需调查地质情况,包括各地层的厚度、导电率,寻找接地极电阻小、具有良好导电地质条件的地点。2)接地极材料接地极使用的材料应具有良好的导电特性,并有较强的耐受电腐蚀特性;此外,在土壤层接地极导体周围需要非导电的绝缘物质,而在岩石下的导电层的接地极导体周围需要耐腐蚀的导电物质。3)接地极结构根据直流接地极电流的大小和接地极址的地质情况确定电极数量、长度、导体截面积及绝缘和防腐蚀等措施。如有必要,接地极也应便于散热、通气及更换。4)接地极效果检验以上研究的每一步均需试验检验,获得必要的数据。但接地极影响的复杂性决定最终要通过实际直流系统的使用证明其效果。(2)点再接地方式以往直流系统采用的接地极除了大地接地极外,还有海水方式接地极。由于我国的直流输电受端交流系统都处于经济发达地区,人口稠密,寻找半径几十公里范围内没有交流变电站或重要设施的极址十分困难,因此需要研究新的直流系统接地极方式。1)受端接地极随直流架空线路避雷线返回到适当地点再接地根据美―加多端直流的经验,美国波士敦附近SandyPond逆变站是通过直流架空线在加拿大魁北克省DesCantons换流站的接地极入地,这提供了一种可行的接地方式。这种方式的优点主要有:可沿直流线路寻找合适的入地点,避免对各种地下设施造成腐蚀。该方式存在的问题是:仍需专门设计的接地极,因此还存在直流接地影响的问题;此外还需特别设计所利用的避雷线和直流杆塔。因此,需要研究用于接地极引线的避雷线、杆塔承重和放电间隙等,并进行经济比较。2)利用直流架空线路的避雷线作为直流系统回线受方式1)的启发,如果将直流架空线的避雷线作为两端中性母线间的连接线,相当于增加一条线路,其优点主要有:可取消两端换流站的接地极;在一极故障停运时,可为运行极提供电流通道;与单极金属回线并联使用可相应地减小损耗。存在的问题是:直流线路造价增加,甚至造成线路一次投资超过交流线路。进行经济比较时需考虑电网整体改造。(3)双极回线和双极负担重于充分发挥国调中心的作用为减小直流接地极电流的影响,必须限制直流输电系统的运行方式,以三—广线为例,根据三—广直流输电工程系统的调试结果,直流系统运行方式安排如下:1)方式安排直流单极和双极的正向(江陵送鹅城)输送容量均可达到额定容量,即单极为1500MW,双极为3000MW;反向(鹅城送江陵)输送容量暂按750MW考虑。通常情况下采用双极运行方式;如需采用单极运行,宜按单极金属回线方式运行;如需采用单极大地回线方式运行,则输送功率应小于400MW。单极金属回线可采用功率控制或电流控制;双极采用平衡运行方式,两极均为双极功率控制。单极金属回线的电压控制可采用70%~100%的水平;双极电压控制两极采用相同的电压水平。采用自动无功功率控制方式。2)关于双极大负荷送电时的安全措施在双极带额定负荷3000MW运行期间,如果发生单极闭锁故障,由国调通知南方调度中心后,确定直流系统是否具备大地回线转为金属回线的操作条件。如具备条件则由国调下令进行大地回线转为金属回线的操作;如转换不成功或不具备条件则由国调下令将直流功率下降至400MW,下降速率为100MW/min。双极运行时,若一极因故降压不能立即恢复,则另一极也按相同的降压水平降压。两端由于通信故障等因素造成两极不能平衡运行或进行功率