DC偏置控制技术在现代电力系统中的演变如何,如何解决?
Kappenman在1990中指出,GIC会使电力变压器的磁化电流波形发生畸变,从而破坏电网的正常运行。因此,研究GIC的检测、补偿和消除方法非常重要[3]。在1991中,Kappenman首先提出在电力变压器的中性点和接地点之间串联一个电容器。隔离流入变压器的GIC的方法[8],并通过仿真实验证明了这种方法的有效性。Kappenman最后指出,如果改进这种电容隔离的方法,需要安装一个旁路装置。在1992中,文献[9]以魁北克水电站Radisson/LG2联合体为对象,提出了抑制DC电流的几种方案:在中性线串联工频阻抗小的电容器,实现中性点有间隙电容器、可触发间隙电容器和MOV的快速过电压保护,该方案还配有机械旁路开关。在1994中,文献[10]提出了在电力变压器中性线和接地点之间串联一个GIC反方向的DC电源的方法,并通过实验证明了DC电源在GIC存在时能有效启动并注入反方向的DC电流,从而达到抑制DC偏置的效果。1996年初,美国DEI公司研制了四套非常复杂的变压器DC隔离装置。2003年,根据西门子提供的参数研制了10套变压器DC隔离装置,并在印度附近的一个高压直流输电终端的变压器上使用。该装置由1个4000μ f的DC/交流隔直电容(50hz时Xc = 0.8Ω)、2组反并联大电流旁路通道和机械开关旁路[11]组成。2005年,文件[12]利用电力电子技术,研制了变压器中性点电容+晶闸管旁路DC隔离装置。约翰·卡彭曼模拟了美国电网输电线路的常见串联电容器。结果表明,GIC可以得到有效抑制,但会产生一定的无功功率。约翰·卡彭曼还进行了在一些高压变压器上安装中性点电阻的实验。结果表明,在部分高压变压器上安装不同阻值的中性点电阻,虽然从整体上可以抑制GIC,但并不能完全隔离GIC通道,仅依据电压等级划分变压器是否安装抑制电阻也未必能达到全局治理的目的,还需要一定的配电策略论证[13]。
我国对DC偏差控制的研究起步较晚。2000年,薛当等人在考虑地磁感应电流引起的DC偏时,首次分析了补偿和削弱GIC的机理,并从理论上提出了消除或抑制地磁感应电流的方法,包括外接DC电源法、自激补偿GIC法、串联电容或电阻法等。薛等人在[14]文件中也指出了补偿和消除的普遍问题是变压器中性点不能有效接地。
2005年有学者提出了变压器中性点注入反向DC电流的方法[15]。主要原理是电源经稳压器稳压,再经硅整流,通过辅助接地极和变压器中性点回路注入反向DC电流。2006年,杜忠东等人基于电位补偿原理提出了一种降低变压器中性点DC电流的新方法[16]:向变电站接地网注入一定的反向DC电流以降低(或提高)其电位,这将通过接地网降低流经中性点接地变压器的DC电流,在一定程度上抑制变压器的DC偏置。杜忠东等人还进行了正负电位补偿的实验模拟,结果显示了这种抑制方法。秦等人[17]指出,中性点注入反向电流的方法不改变系统参数,对继电保护、自动装置和绝缘配合没有影响。负电位补偿可以对接地网起到阴极保护作用,其缺点也可以通过采取以下措施得到妥善解决:1)架空避雷线分流会影响补偿效率,可以通过增加补偿设备容量来解决;2)正电位补偿会对接地网造成轻微腐蚀的问题可以忽略;3)辅助接地极位置不当会加剧其他变电站的DC偏置,可综合考虑系统网络布局,将辅助接地极设置在远离其他变电站的位置来解决。反向注入在武的现场应用表明,变电站运行方式[18]的改变会导致电流方向发生偏差,注入的反向电流无法随时调整。
我国电容DC隔离装置的研发始于2005年。朱一英等人首先研究了中性点串联电阻接地、交流输电线路串联电容接地和中性点串联电容接地三种抑制措施,然后根据实际中性点电流的分布情况应用了三种抑制措施。最后,研究结果表明,中性点DC电流的最优方法是变压器中性点串联电容[19]。
然而,尽管电容DC隔离装置具有良好的治理效果,但由于过电压的问题,需要安装旁路装置。刘钊研制的装置采用DC隔直电容+硅整流桥晶闸管旁路+机械开关旁路,并于2007年6月投入现场运行。近年来,随着电力电子技术的发展,电容器DC隔离装置的结构设计也在不断发展,大多集中在电容器旁路装置的改进上,如加装旁路保护系统。主要原因是由于较大的交流系统接地故障引起的零序电流流过电容器会产生暂态过电压,可能损坏电容器和变压器的绝缘。再比如,机械开关不够快,需要晶闸管旁路或者性能更好的材料。
中性点串联电阻也是抑制DC偏置的有效方法之一。2006年,我国变压器中性点串联小电阻DC偏磁抑制装置正式开始应用。赵洁等人[21]首先论证了在变压器中性点串联电阻限制地下DC流入的可行性,并从抑制中性点DC和过电压、继电保护的角度分析和校核了中性点电队列对系统的影响。现场安装试验表明,这是一种简单有效的抑制变压器中性点DC电流的措施,对中性点DC电流有明显的抑制作用。但是,为了保证系统的安全运行,首先,对中性点串联电阻的耐压和热容量有很高的要求;其次,中性点串联电阻改变系统结构,继电保护和自动化装置需要复位,绝缘配合也要相应检查;从限流的角度来看,安装的限流电阻阻值应该足够大,但从系统运行的角度来看,串联大电阻并不能保证系统可靠接地。如果该电阻器在故障情况下被放电间隙旁路,系统的接地阻抗将是不连续的,并且继电保护配置将是复杂的。最后,当系统发生故障时,还会导致变压器中性点过电压等一系列问题,因此中性点串联电阻的电阻参数的整定需要进一步深入研究。
也有一些理论上证明的方法来抑制DC偏差。例如,马志强基于电位补偿原理提出了一种削弱变压器中性点DC的新方法[22],即在变压器中性点串联一个小电阻(0.5 ~ 2.0ω),再并联一个外接DC电源,形成DC电位,这样就可以通过调节中性点的DC电位来减小流入变压器绕组的DC电流。电阻需要保护旁路,通过实例验证了其有效性。