HVDC_GIC型直流偏磁的差异性分析_马书民.pdf

第51 卷 第2 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.2 2023年1月16日 Power System Protection and Control Jan.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.220559 HVDC/GIC 型直流偏磁的差异性分析 马书民1，夏少连2，熊 玮2，林湘宁1，李正天1，郑宇超1，吴宇奇1，徐海波3(1.华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074；2.国家电网公司华中分部，湖北 武汉 430074；3.易事特集团股份有限公司，广东 东莞 523808)摘要：考虑到地磁感应电流(geomagnetically induced current,GIC)具有低频性，过去一直将其近似等效为高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)诱发的不平衡电流进行研究。然而，与 HVDC 型直流偏磁相比，GIC 型直流偏磁具有显著的随机性与时变性，因此简单地将两者完全等效处理并不合理，在特定场景下应加以区分。为此，首先，从理论上分析了两种类型直流偏磁在诱发原因及特点上的差异。其次，通过研究直流偏磁对变压器本体以及电流互感器的不利影响，进一步探究两种类型直流偏磁对电网一/二次设备的影响差异，为后续的偏磁治理提供有效参考。最后，基于 PSCAD/EMTDC 仿真平台搭建了等效仿真模型，并通过仿真验证了理论分析的正确性。关键词：HVDC 型直流偏磁；GIC 型直流偏磁；变压器饱和；CT 饱和；变压器差动保护 Difference analysis of HVDC/GIC type DC bias MA Shumin1,XIA Shaolian2,XIONG Wei2,LIN Xiangning1,LI Zhengtian1,ZHENG Yuchao1,WU Yuqi1,XU Haibo3 (1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.Central China Branch,State Grid Corporation of China,Wuhan 430074,China;3.EAST GROUP CO.,LTD.,Dongguan 523808,China)Abstract:Considering that geomagnetically induced current(GIC)has low frequency,it has been approximately equivalent to the imbalance current induced by high voltage direct current(HVDC).However,compared with the HVDC-type DC bias,the GIC-type DC bias has significant randomness and time-varying,so it is not reasonable to simply treat the two as completely equivalent,and they should be distinguished in specific scenarios.For this reason,first,the differences in the induced causes and characteristics of the two types of DC biases are analyzed theoretically.Second,by studying the adverse effects of DC magnetic bias on transformer body and current transformer,the differences of the influences of the two types of DC magnetic bias on primary/secondary equipment of power grid are further explored to provide effective reference for subsequent magnetic bias treatment.Finally,an equivalent simulation model is built based on the PSCAD/EMTDC simulation platform,and the correctness of the theoretical analysis is verified by simulation.This work is supported by the General Project of National Natural Science Foundation of China(No.51877088).Key words:HVDC type DC bias;GIC type DC bias;transformer saturation;CT saturation;transformer differential protection 0 引言 直流偏磁现象根据其诱因的不同主要分为两种，即高压直流输电系统引起的不平衡电流所诱发的直流偏磁现象(称之为 HVDC 型直流偏磁)，以及太阳磁暴引起的地磁感应电流所诱发的直流偏磁现 基金项目：国家自然科学基金面上项目资助(51877088)；东莞市引进创新科研团队计划项目资助(201536000200036)象(称之为 GIC 型直流偏磁)。发生任意一种直流偏磁时，偏磁电流均会通过大地入侵变压器的中性点绕组，从而造成变压器噪声增大、振动加剧、周边埋地金属管道腐蚀以及变压器保护失效等一系列不良后果1-3，对区域电网的安全稳定运行带来威胁。为应对直流偏磁诱发的不良后果，国内外专家学者进行了大量深入研究并提出了许多有效治理策略，包括中性点串联电阻/电容法、中性点反向电流补偿法、接地极互联法以及断面功率支援法等4-8。-56-电力系统保护与控制 然而，考虑到地磁感应电流具有低频性(主要频率波动位于 0.0010.1 Hz)，且两者诱发直流偏磁的机理类似，绝大部分专家在研究中并没有意识到 HVDC型与 GIC 型直流偏磁之间的差异性，而是统一将偏磁电流视作大小恒定的直流电流，因此部分文献所得结论在实际使用过程中存在一定局限性。文献7提出了一种基于接地极互联的系统级偏磁治理策略，通过改善直流电流在大地中的分布实现了对直流偏磁的有效治理。然而，该方法只适用于 HVDC型直流偏磁，无法对GIC型直流偏磁产生治理作用。文献8提出了一种基于多直流功率支援的直流偏磁治理策略，该策略利用同一输电断面内多条直流输电线路可进行功率支援的特点在中性点主动生成反向不平衡电流。然而，考虑到 GIC 型电流的时变性，该方法同样只适用于大小恒定的 HVDC 型直流偏磁。特别是在极端场景下若不加选择地选取偏磁治理策略甚至可能增大故障发生的概率，如文献9指出在GIC型直流偏磁下采用中性点串联电容法治理接地极电流，会使包括换流站在内的一些站点的GIC 电流增大，进而增大了变压器故障概率以及地磁暴引发电网灾害的风险。事实上，与 HVDC 型直流偏磁相比，GIC 型直流偏磁具有显著的随机性与时变性10，特别是当其长时间作用于电网后，其所诱发直流偏磁的程度与方向将与 HVDC 型直流偏磁产生显著区别，因此简单地将两者完全等效处理并不合理11。此外，目前偏磁治理相关的规章制度均以 HVDC 型直流偏磁为研究或者规范对象，尚无针对 GIC 型直流偏磁的治理标准。若在治理 GIC 型直流偏磁的过程中套用HVDC 型直流偏磁的相关标准，很可能会出现治理过剩甚至治理不达标的现象，在经济性或者可靠性上不满足需求12。综上，目前鲜有文献或导则针对两类偏磁电流对电网中一/二次设备的影响开展研究或者加以区分，也并未提出兼顾两类偏磁电流差异性的偏磁治理策略，因此这种单一化的偏磁治理手段对现场运行的指导作用较为有限。事实上，若能深入探究HVDC 型与 GIC 型直流偏磁对电网一/二次设备正常运行造成的差异，将有助于研究能同时适用于不同类型直流偏磁的协同式治理策略，从而更好地消除直流偏磁带来的不利影响。为此，本文对 HVDC 型直流偏磁与 GIC 型直流偏磁的差异性开展了研究，以运行变压器为对象，研究不同类型的直流偏磁对变压器一次设备以及相关二次设备的影响差异。首先，介绍了两种典型直流偏磁现象的产生机理，并针对两种偏磁现象的特性进行归纳对比。进一步地，分别针对变压器以及保护用电流互感器，研究对比了 HVDC 型/GIC 型直流偏磁在诱发不同电气设备磁饱和过程中的差异性，总结了两种直流偏磁对电网一/二次设备正常运行造成的不利影响，并对两种直流偏磁类型的危害程度进行了讨论。最后，基于 PSCAD/EMTDC 仿真平台搭建了不同直流偏磁的等效模型，仿真验证了理论分析的正确性。1 不同类型直流偏磁的产生机理分析 HVDC型直流偏磁是由直流输电系统的不平衡运行方式导致的。目前直流输电系统的运行方式主要分为以下三种，分别是双极平衡运行、单极-金属回线运行以及单极-大地回线运行，其中将单极-金属回线运行和单极-大地回线统称为不平衡运行方式。若直流输电工程线路发生单极故障或进行检修，此时直流输电系统由双极平衡运行方式转变为不平衡运行方式，特别是当线路处于低损耗、高经济性的单极-大地回线运行方式时，由接地极流入大地的电流幅值可高达数千安培，在周边将形成显著的不平衡电流13。进一步地，不平衡电流在接地极周围形成了一个恒定的电流场，当周边任意两台变压器之间存在输电线路连接时，就会形成由变压器接地装置、绕组、输电线路和大地构成的直流通路，最终诱发 HVDC 型直流偏磁，其原理如图 1 所示。研究表明，HVDC 型直流偏磁常发生在直流工程落点周边 50 km 范围内，且持续时间等同于线路检修时间或故障切除时间，往往不长于 3 h14。图 1 接地极和变电站系统形成的闭合回路原理图 Fig.1 Schematic diagram of the closed loop formed by the grounding pole and substation 除直流输电工程引起的 HVDC 型直流偏磁外，由太阳风和射线流袭击地球产生的磁暴会与地球本身磁场相互作用，进而在距离地球表面数百公里处形成了一个环绕地球的极电流，并对地磁场产生扰动现象，形成地磁暴。考虑到土壤具备显著的导电能力，当地磁暴发生时，会在土壤中形成一个低频马书民，等 HVDC/GIC 型直流偏磁的差异性分析 -57-(一般在 0.1 Hz 以下)且具有一定持续时间的地磁感应电流，并由此在大地表面诱发电位梯度，将其称为地表电势，其数值大小通常处于 110 V/km15。与 HVDC 型直流偏磁的机理类似，由地磁感应电流产生的地表电势最终在周边互相连接的接地变压器之间诱发直流偏磁现象，即 GIC 型直流偏磁。考虑到 GIC 型直流偏磁的产生机理，其常发生在地面电导率较小的地区，东西走向、处于高纬度地区的输电线路尤其容易受到 GIC 型直流偏磁的影响16。此外，GIC 型直流偏磁的持续时间与太阳磁暴的持续时间相关，具有极大的不确定性，一般持续几个小时至几天不等17。经归纳可知，HVDC 型与 GIC 型直流偏磁在生成机理上存在以下不同之处：1)不同直流偏磁类型的等效电流存在差异。在直流输电系统模式以及交流电网接地拓扑未改变的前提下，HVDC 型偏磁电流大小恒定，而 GIC 型偏