半岛地质环境下直流偏磁效应计算与评估研究

摘要

近年来，高压/特高压直流输电技术在我国广大地区获得迅猛发展。当高压直流输电系统以单极大地回线运行时，以及地磁暴感应电流的客观存在，使得较大的直流电流通过大地而形成回路，对关键电磁设备(如电力变压器、互感器等)造成严重的直流偏磁效应，从而影响电力系统的安全、稳定与可靠运行。研究直流偏磁效应的发生与作用机理、计算方法、评估判据以及有效的抑制措施，具有重要的现实意义和应用价值。
　　 本文结合我国在建的±660kV宁东-山东直流输电工程，特别针对半岛地质环境下的直流偏磁效应开展探索与创新研究，重点解决半岛地质条件下地表电位与地中直流分布的计算方法、直流偏磁对计量型及保护型电流互感器传变特性的影响、计及直流偏磁的变压器磁化建模理论、变压器承受直流偏磁能力的评估准则等基础性问题。针对任意夹角的环海洋半岛地质环境，在建立半岛地质模型的基础上，本文研究提出了一种扩展镜像法。该方法利用正幂变换先将三维空间的点映射至二维平面，再利用保角变换将任一角域转化为另一空间的上半平面，据此可导出半岛地质环境下的地表电位表达式，有效解决了任意夹角的半岛角域地表电位以及地中直流分布的计算问题。基于山东半岛电网的具体结构与参数，计算了宁东.山东直流输电工程单极大地回路运行时500kV及220kV交流系统的中性点电流，并与文献及实测结果进行了交互比较，验证了本文方法的正确性和有效性。进一步分析了影响半岛角域电位分布的关键因素，以及在半岛地质条件下共用接地极的可行性。电磁式电流互感器(EMCT)的传变特性，关系到电能计量的公平性以及继电保护装置动作的可靠性。基于电磁关系方程，对直流偏磁条件下EMCT的传变特性开展了系统研究。导出了直流偏磁及剩磁作用下保护型EMCT起始饱和时间的通用计算公式，并定义了补偿系数来综合表征偏磁电流与剩磁对起始饱和时间的交互影响程度；基于谐波平衡法导出了直流偏磁条件下计量型EMCT角差和比差的数学表达式，以仿真算例验证了理论分析结果。此研究为直流偏磁环境下的继电保护整定以及实现准确电能计量提供了基础依据。铁磁材料磁滞效应的物理机制描述与准确数学表达，是保证电力变压器等电磁装备建模有效性的前提。基于铁磁材料的磁化物理基础，指出了原J-A理论内核描述中的不合理及错误之处，给出了正确的能量守恒方程，进而推导出J-A理论的修正表征形式，使其更加符合材料的磁化物理机制。基于修正模型的仿真结果与材料的实测磁特性数据吻合较好，可更准确地模拟磁材料的静态磁化物理过程，进一步完善了变压器铁芯的磁滞建模理论。在磁化建模基础上，建立了计及磁滞效应和负载特性的组式变压器等效电路模型，据此可研究直流偏磁等条件下组式变压器的电磁传变特性。
　　 本文就变压器承受直流偏磁能力的评估方法开展了探索研究。结合直流偏磁时电力变压器的输出特性，基于电压调整率和电压谐波畸变率等电能质量指标约束，提出了确定变压器承受直流偏磁能力的有效判据，指出变压器铁芯的饱和系数以及负荷的功率因数等，是影响变压器直流偏磁承受能力的关键因素。基于WSCC三机九节点系统的系列仿真，验证了理论分析结果的正确性，有关结论可用于指导变压器的运行实践，同时为评估变压器承受直流偏磁的能力提供了有效的科学方法。结合山东半岛电网的具体线路架构和数据，对基于变压器中性点串电容的直流偏磁抑制方案进行了优化分析，提出采用并联避雷器和火花间隙的双重保护拓扑，并给出了直流偏磁抑制装置的设计参数。本文进一步丰富了直流偏磁效应研究的基础理论、分析方法与创新技术，可为我国发展高压/特高压直流输电工程提供有重要参考价值的设计依据。