抑制变压器地磁感应电流的电容隔直装置安装位置优化

抑制变压器地磁感应电流的电容隔直装置安装位置优化

鞠飞

(武汉凯迪电力工程有限公司湖北武汉430223)

摘要：磁暴在电网中引起的地磁感应电流会造成变压器直流偏磁，直流偏磁的产生会严重干扰变压器的稳定运行，甚至会威胁到整个电力系统的安全可靠。为了抑制变压器中的地磁感应电流，通常做法都是在变压器的中性点安装电容隔直装置，这样虽然能够起到显著的抑制效果，但同时也会加重相邻变压器的直流偏磁现象。因此，本文结合了自耦变压器接线特点和电网拓扑结构，引入有效偏磁电流来描述直流接地极电流对变压器的影响，对中性点串联电容法和线路串联电容法进行研究，根据改进轮盘赌选择法的遗传算法对电容隔直装置的安装位置进行优化选择。

关键词：变压器；地磁感应电流；电容隔直装置；安装位置；优化

一、变压器电容隔直装置安装位置优化的现实需求

地磁暴在地面感应的电场通过中性点接地变压器、输电线和大地构成的回路产生地磁感应电流（GIC）。地磁感应电流会进一步引起变压器的直流偏磁，造成变压器保护装置的误启动，严重影响变压其设备的正常运行，身子会导致整个电力系统的瘫痪故障，引发局部或大面积的停电事故。此外，由于我国能源分布和负荷分配不均衡，为了实现资源的最优配置，电网通常都是特高压和超高压级别，在电压等级越高的情况下，输电线路的电阻也就越小，遭受地磁感应电流影响的几率也就越大。当高压直流输电系统采用单极大地回线方式运行时，会有较大的直流电流接地后流入大地，对接地极附近的变压器产生直流偏磁影响，无论是对变压器本身还是电网系统的安全运行都是极为不利的。鉴于地磁感应电流对变压器的恶劣影响，在抑制变压器直流偏磁的方法上，主要有注入反向电流法、中性点串联电阻法和中性点串联电容法。本文研究的主要对象是串联电容法，虽然该技术的实施成本较高，但是可以实现变压器中性点和接地极地面之间直流通路的完全阻断，对直流偏磁的抑制效果十分明显，在实际工程项目中的应用也较为广泛。但是对该技术进深入探讨就可以发现现行安装上的弊端，我国特高压和超高压变压器通常采用自耦变压器，在自耦变压器中性点接入电容隔直装置的直流偏磁抑制效果范围有效，只能保证中性点位置没有直流通过，串联绕组中仍会有不为零的直流经过，并不能完全抑制变压器直流偏磁现象。如果对需要进行直流偏磁抑制处理的电网进行中性点电容隔直安装时，为了节省投资成本，通常只会对几个主要的变压器进行装置安装，很有可能造成相邻变压器的的偏磁直流量超标。因此，对电容隔直装置的安装位置进行优化处理是十分有必要的。

二、电容隔直装置的安装位置优化方法

1、变压器有效GIC的引入

入地直流在接地极附近变电站接地网上形成电位，地面成为直流通路的一部分。当直流电流经过变压器中性点流入接地极附近的交流电网时，变压器会出现直流偏磁现象。考虑到以往传统的中性点直流电流表并不能准确反映自耦变压器串联绕组上的直流电流，本文引入变压器有效GIC来表示直流接地极电流对变压器的影响，并通过相关物理变量进行电容隔直装置的优化配置。如图1所示，Ui、Uj、Us分别表示高压节点i、中压节点j以及中性点节点s的电势；yij、yjs分别表示串联绕组和公共绕组的导纳。在同一变电站中，安装电容隔直装置的变压器会加剧相邻变压器的直流偏磁反应，因此要在假设变电站所有主变电器都被隔直的前提下，对节点处的电流矩阵、矩阵、节点导纳的变化进行综合比对。

图1安装隔直装置后自耦变压器的等效电路模型

2、中性点串联电容法

如图2所示，根据中性点串联电容法原理图，在变压器中性点串联电容隔直装置可以阻隔流经中性点的直流电流，避免变压器出现直流偏磁状况。为了确保电流接地极的有效性，中性点电容隔直装置的容抗都很小。在采用中性点串联电容法时，要对旁路加设保护装置，避免偏磁直流过大时对电容器产生的暂态过电压对变压器造成损坏。由于线路正常运行状态下中性点流经的电流相对较小，不会引起工频或谐波谐振等过电压，所需要安装的电容隔直器也较少，是目前最经济适用的变压器地磁感应电流抑制方法。

图2中性点串联电容法原理图

3、线路串联电容法

在变压器绕组出线处装设串联电容补偿，可以有效阻断流经变压器中性点的直流电流通路。当电力系统中存在自耦变压器时，要在和交流系统相联的所有出线上安装串联电容器。由于交流电网的出线较多，要想实现最大限度的抑制效果，就要尽可能多的安装电容隔直器，并确保电容器的容量要大。

4、基于改进轮盘赌选择法的遗传算法

图3轮盘赌选择法示意图

在对电容隔直装置的安装位置优化配置问题上，通常采用穷举法对电网中变电站数量较少情况下进行方案选择，随着我国变电站数量的日益增加，需要依靠更加先进的人工智能方法求解，最常使用到的就是遗传算法。基于改进轮盘赌选择法的遗传算法尤其适用于电容隔直装置优化配置这一离散变量问题的分析，如图3所示，设种群大小为N，每个个体被选择的概率分别为P1、P2、P3、…、PN，被选择的总概率为1。每一次轮盘启动时，就会随机产生一个[0，1]之间均匀数作为选择指针，指针落在哪个区就选择哪个个体。在n轮选择之后，对p轮选择个体的概率作比较，从中选出概率最大的个体。反复多次上述步骤，就可以得到多个个体。

结束语

地磁感应电流会进一步引起变压器的直流偏磁，不仅损害变压器的正常运行，还会危及到整个电力系统的安全稳定，影响电网的供电安全和安全防护机制。在抑制变压器地磁感应电流的电容隔直装置安装位置优化技术上，相关工程项目人员必须在确保流经中性点直流电流为零的基础上，不断优化位置配置方案，实现最佳抑制效果。

参考文献

[1]刘春明,黄彩臣,潘明明,杨嘉楠,闫旭东.抑制变压器直流偏磁的电容隔直装置优化配置[J].高电压技术,2016,(7):2308-2314.

[2]刘春明,黄彩臣,林晨翔.抑制变压器地磁感应电流的电容隔直装置安装位置优化[J].电力系统自动化，2016,(16):132-137.

[3]肖本旺,王渝红,欧林,张超,张彪.直流偏磁抑制措施研究综述[J].高压电力,2015,(10):209-216.

[4]陈晴,陶佳,丘文千.变压器直流偏磁现象及其抑制装置的设计[J].电力建设,2012,(11):33-36.

[5]王振浩,佟昕,齐伟夫,等.电容隔直可控开断桥法抑制变压器直流偏磁[J].电工技术学报,2013,(10):120-126.