CN104698313B - 多直流接地极不同运行方式下直流偏磁电流影响站点的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多直流接地极不同运行方式下直流偏磁电流影响站点的预测方法，通过在直流接地极附近变压器中性点安装直流在线监测装置，掌握直流偏磁电流的分布的实测数据，再根据实测数据，调整各层土壤电阻率和厚度对仿真模型进行修正，之后使用修正后的土壤模型对多直流接地极地区电网不同运行工况下直流偏磁的影响情况进行预测，对于直流电流超过设定值的变压器，可以提前采取防护措施，从而达到有针对性的进行直流偏磁电流防护的目的。本发明的有益效果在于：提高了电网变压器直流偏磁的早期预警能力，便于及时对直流偏磁风险较大的变压器采取有效性的防护措施。
Description
技术领域
本发明涉及变电站运行管理技术领域，特别是一种多直流接地极不同运行方式下直流偏磁电流影响站点的预测方法。
背景技术
近年来，我国直流输电发展迅速，能源与负荷中心分布不均衡的问题得到有效的缓解，但直流输电导致变压器直流偏磁的问题也越来越突出，变压器直流偏磁时会出现振动加剧、噪声增大、局部过热等现象，引发变压器内部加紧件松动、绕组断线、绝缘材料受到破坏、铁片松动弯曲等问题，持续时间过长还将导致变压器损坏。变压器直流偏磁还会引起交流电网电压总畸变率增大，谐波大幅升高，对其他电气设备产生较大影响，并可能引起继电保护误动，这些影响最终将会危及到电网的安全运行。
直流接地极与变电站的相互位置、电网结构、土壤类型等因素影响着直流偏磁电流的分布，对于存在多个直流接地极的地区，当直流输电采取不同运行方式时，直流接地极电流在电网中的分布，以及对直流接地极附近的变压器的影响范围均不相同。通过仿真计算建立目标电网模型，根据各变电站和直流接地极的地理位置，以及输电线路直流电阻和变压器的直流电阻，对多直流接地极地区电网不同运行工况下直流偏磁的影响情况进行计算，但是，由于电网所在地质情况复杂，仿真模型中对大地建模部分不能准确模拟真实情况，给计算带来误差，不能进行准确的直流电流在电网中分布的计算，更不能实现对多直流接地极地区电网不同运行工况下直流偏磁的影响情况进行预测。
发明内容
本发明的目的是提出一种多直流接地极不同运行方式下直流偏磁电流影响站点的预测方法，通过在直流接地极附近变压器中性点安装直流在线监测装置，掌握直流偏磁电流的分布的实测数据，再根据实测数据，调整各层土壤电阻率和厚度对仿真模型进行修正，之后使用修正后的土壤模型对多直流接地极地区电网不同运行工况下直流偏磁的影响情况进行预测。
实现本发明目的的技术方案如下：
多直流接地极不同运行方式下直流偏磁电流影响站点的预测方法，预测区域内有多个直流接地极和m个具有中性点接地变压器的交流变电站，包括
建立预测区域内各交流变电站地表电位土壤仿真模型的步骤：
1.1使用仿真软件建立预测区域的交直流混联电网拓扑结构模型；
1.2在每个交流变电站的主变中性点安装直流在线监测装置；
1.3初步建立每个交流变电站地表电位土壤仿真模型：第一土壤层的电阻率为ρ1Ω·m，土壤分层厚度为h1千米；第二土壤层的电阻率为ρ2Ω·m，土壤分层厚度为h2千米；第三土壤层的电阻率为2Ω·m，厚度为无穷大；
1.4将交流变电站地表电位土壤仿真模型输入仿真软件，通过仿真软件计算得到每个交流变电站的地表电位计算值Vi，i＝1,2...m；
1.5将Vi设为交流变电站中性点处的直流电源，通过仿真软件计算得到每个交流变电站主变中性点的直流偏磁电流计算值Ii；
1.6当任意一个直流接地极采取单极大地回路运行方式时，使用在线监测装置同步测试得到每个交流变电站主变中性点的直流偏磁电流实测值Ii'；
1.7如交流变电站i的直流偏磁电流的计算值Ii和实测值Ii'的误差|Ii-Ii|≥0.5A，则在该交流变电站的地表电位土壤仿真模型中第一土壤层电阻率ρ1、第二土壤层的电阻率ρ2、第一土壤层厚度h1和第二土壤层厚度h2这四个参数中，任选一个以上参数进行修正，直到仿真软件计算得到该交流变电站主变中性点的直流偏磁电流计算值Ii满足|Ii-Ii'|＜0.5A；
进行多直流接地极不同运行方式下直流偏磁影响站点的预测的步骤：
2.1使用仿真软件建立预测区域的以任意一种方式运行的交直流混联电网拓扑结构模型；
2.2将修正后的变电站地表电位土壤仿真模型输入仿真软件，通过仿真软件计算得到该混联电网中每个交流变电站的地表电位预测值Vi'；
2.3将Vi'设为交流变电站中性点处的直流电源，通过仿真软件计算得到该混联电网中每个交流变电站主变中性点的直流偏磁电流预测值Ii'；
2.4如Ii'≥I0，则确定交流变电站i的直流偏磁电流超标，其中I0为变压器承受直流偏磁电流的上限值。
上述方法中，所述在交流变电站i的地表电位土壤仿真模型中第一土壤层电阻率ρ1、第二土壤层的电阻率ρ2、第一土壤层厚度h1和第二土壤层厚度h2这四个参数中，任选一个以上参数进行修正的方法为：
当实测值Ii'大于计算值Ii时，增大仿真模型里的第一土壤层电阻率ρ1，和/或减小第一土壤层厚度h1，和/或增大第二土壤层电阻率ρ2，和/或增大第二土壤层厚度h2；
当实测值Ii'小于计算值Ii时，减小仿真模型里的第一土壤层电阻率ρ1，和/或增大第一土壤层厚度h1，和/或减小第二土壤层电阻率ρ2，和/或减小第二土壤层厚度h2。
进一步地，修正第一土壤层电阻率ρ1时每次增大或减小10Ω·m，修正第一土壤层厚度h1时每次增大或减小0.1km，修正第二土壤层电阻率ρ2时每次增大或减小500Ω·m，修正第二土壤层厚度h2时每次增大或减小5km。
进一步地，所述预测区域内有3个直流接地极P1、P2和P3，所述多直流接地极交直流混联电网的运行方式包括
方式一：P1单极大地回路运行，P2双极平衡运行，P3双极平衡运行；
方式二：P1双极平衡运行，P2单极大地回路运行，P3双极平衡运行；
方式三：P1双极平衡运行，P2双极平衡运行，P3单极大地回路运行；
方式四：P1单极大地回路运行，P2单极大地回路运行，P3双极平衡运行，且P1和P2运行时同极性；
方式五：P1单极大地回路运行，P2单极大地回路运行，P3双极平衡运行，且P1和P2运行时不同极性；
方式六：P1单极大地回路运行，P2双极平衡运行，P3单极大地回路运行，且P1和P3运行时同极性；
方式七：P1单极大地回路运行，P2双极平衡运行，P3单极大地回路运行，且P1和P3运行时不同极性；
方式八：P1双极平衡运行，P2单极大地回路运行，P3单极大地回路运行，且P2和P3运行时同极性；
方式九：P1双极平衡运行，P2单极大地回路运行，P3单极大地回路运行，且P2和P3运行时不同极性；
方式十：P1单极大地回路运行，P2单极大地回路运行，P3单极大地回路运行，且任意两个直流接地极单极大地回路运行时同极性；
方式十一：P1单极大地回路运行，P2单极大地回路运行，P3单极大地回路运行，且三个直流接地极单极大地回路运行时同极性。
进一步地，所述仿真软件为CDEGS，所述变压器承受直流偏磁电流的上限值I0＝12A。
本发明的有益效果在于：提高了电网变压器直流偏磁的早期预警能力，便于及时对直流偏磁风险较大的变压器采取有效性的防护措施。
附图说明
图1为本发明方法的原理图；其中，S1,S2,S3,S4为电网中直流接地极，为500KV交流变电站主变T1、T5的直流电阻，为220KV交流变电站主变T1，T2，T3，T5的直流电阻，是500KV输电线路的直流电阻，是220KV输电线路的直流电阻；
图2是水平土壤结构示意图；其中，H1～Hn为各土壤分层底部与地面的距离，h1～hn为各土壤分层的厚度，ρ1～ρn为各土壤分层的电阻率；
图3是黄土土壤模型(湿黄土)的地表电位分布图；
图4是黄土土壤模型(干黄土)的地表电位分布图；
图5是含砂黏土土壤模型(湿含砂黏土)的地表电位分布图；
图6是含砂黏土土壤模型(干含砂黏土)的地表电位分布图；
图7是四种典型土壤的地表电位图；
图8是ρ1变化时的地表电位图；
图9是h1变化时的地表电位图；
图10是ρ2变化时的地表电位图；
图11是h2变化时的地表电位图；
图12是垂直土壤结构示意图；
图13是垂直分层特点的地形图(泥土与岩石的垂直分层)；
图14是垂直分层特点的地形图(泥土与湖水的垂直分层)；
图15是砂土与岩石的垂直分层模型下的地表电位图；
图16是砂土与湖水的垂直分层模型下的地表电位图；
图17是直流偏磁电流在线监测系统结构图；
图18是晋城市220kV以上交流电网图；
图19是晋城市220kV以上交流电网直流电流分布图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行详细阐述。
1、预测方法的工作原理
当直流输电单极大地回路运行时，直流接地极会向大地注入(或吸出)线路运行时的直流电流，在直流接地极及其附近地表电位将抬升(或下降)，此时附近变电站主变中性点处于不同的地表电位，导致直流电流会从变压器中性点流入(或流出)，直流电流经过变压器绕组引起直流偏磁现象。
根据直流接地极及近区变电站所在区域的地质结构、土壤类型建立仿真模型，通过仿真软件CDEGS计算直流接地极近区电位分布；然后由各变电站到直流接地极的地理位置，可以得到变电站的地表电位；再由各站的地表电位、主变的直流电阻和线路的直流电阻建立仿真模型(见图1)，计算可以得到流入(或流出)变压器中性点的直流电流。
由于电网所在地质情况复杂，仿真模型中对大地建模部分不能准确模拟真实情况，因此，在直流接地极附近变压器中性点安装在线监测装置，实时测试直流电流实际数据，然后通过修订仿真模型中的土壤分层的厚度和各层的电阻率取值，使仿真计算值与实测值在误差允许的范围内，以此完成对仿真模型的修正。
应用修正后的仿真模型，对多直流接地极不同工况下直流量在近区交流电网中的分布进行预测计算，对于直流电流超过设定值的变压器，可以提前采取防护措施，从而达到有针对性的进行直流偏磁电流防护的目的。
2、地电位计算模型参数修正的依据
2.1土壤类型和季节对地表电位的影响
直流接地极附近的地表电位分布与当地的土壤结构密切相关。电阻率均匀的土壤很少见，通常土壤都具有不均匀性。由于受重力作用，常常会形成各种岩层的水平分界面，如沉积岩在沉积过程中受重力作用，形成砂砾岩层、细沙层和黏土层；由于地壳构造运动，地壳中往往会形成垂直层结构。因此，不均匀土壤往往可以近似为水平分层和垂直分层的结构，对于土壤结构更复杂的地区，可以采用水平分层和垂直分层相结合的土壤模型。
按土壤电阻率的不同，土壤可以分成水平n层，各层电阻率、各层厚度以及各界面到地表面间的距离如图2所示。图2中P为直流接地极的位置，I为单极运行时注入直流。
特高压直流接地极仿真模型为双圆环接地极，内外半径分别为r＝500m，R＝700m，埋深h＝3.5m，接地导体的直径为70mm的圆钢。电导率σ＝1×107S/m，μr＝200，εr＝1。
不同土壤模型的地表电位分布是不同的，分析时可以根据不同的极址选取合适的土壤模型。通常，直流接地极所在位置的表层土壤电阻率比较小，随着深度的加大，会有一层高阻层。对特定的极址，深层的电阻率通常比较稳定，而表层土壤会受季节和湿度等因素影响，出现一定的变化，表1中列出了常见土壤和水的电阻率。
表1常见土壤和水的电阻率
水平分层土壤模型通常用于分析地质条件较好的地区，如平原，此时表层土壤通常为黄土或含砂黏土，黄土和含砂黏土分别为北方和南方的典型土壤。同时考虑雨季和旱季对这两种土壤中含水量的影响，根据表层土壤的类型建立四种两层土壤模型见表2。
表2土壤模型
基于接地分析软件，在特高压直流接地极注入4kA直流，得到四种类型土壤的地表电位分布如图3-图6所示。
由图3和图4可知：黄土土壤模型下，直流接地极附近电位最高，且极址附近电位下降较快。湿黄土的峰值电压为1545.43V，干黄土的峰值电压为2822.75V，表明对处于黄土地区的直流接地极址，在雨季和旱季直流输电单极运行时的地电流对附近变压器的影响程度不同，旱季时应尤其注意对地中直流的监测和防护。
由图4和图5可知：含砂黏土土壤模型下，湿砂黏土的峰值电压为3159.08V，干砂黏土的峰值电压为6214.8V，含砂黏土多数分布在南方地区，由于含水量对含砂黏土电位分布影响较大。
对比四种典型土壤模型下直流接地极的地表电位(见图7)可知：直流接地极位于湿黄土时的极址地表电位最小，位于干含砂黏土的极址地表电位最大。在距离接地极50km以外时，地表电位仅有几十伏，且四种典型土壤模型下的地表电位接近。
2.2土壤模型参数变化对地表电位的影响
2.2.1水平分层土壤模型参数变化对地表电位的影响
典型的大地分层结构是：最上层为腐植土层，其电阻率在10～1000Ω·m之间，厚度为几米到几十米；第二层为全新世地层，其电阻率在100～400Ω·m之间，厚度为1～4km之间；第三层为原始岩石，其电阻率在1000～20000Ω·m之间，厚度为10～30km之间；第四层为地球内部热层，该层厚几千公里，导电性能良好，分析时可认为其电阻率很小，厚度为∞。由于第一层的腐植土层厚度仅为几米到几十米，因此，分析时把最上层和第二层合并为一层，该层的电阻率兼顾腐植层和全新世地层。各层的电阻率和厚度都有一个变化范围，以下将具体分析各层电阻率和厚度变化时，直流接地极附近地表电位的分布。
建立第一层土壤电阻率变化时的水平土壤模型(见表3)，第一层厚度设为3km；第二层设为20km,电阻率为10000Ω·m；第三层的电阻率设为2Ω·m。
表3 ρ1变化时的水平三层土壤模型
应用接地分析软件建立仿真模型，直流接地极注入直流量为4kA，得到第一层电阻率分别为50Ω·m、100Ω·m、200Ω·m、300Ω·m和400Ω·m时，直流接地极附近的地表电位分布，计算结果如图8所示。
由图8可知：第一层土壤电阻率对直流接地极址的地表电位影响较大，地表电位随土壤电阻率的增大而增大。当第一层土壤电阻率为50Ω·m时，最大地表电位为198.37V；当土壤电阻率增加到400Ω·m时，最大地表电位为1270.94V，增幅达6.4倍。
建立表4所示的水平三层土壤模型，分析当第一层土壤厚度变化时，接地极附近地表电位的分布。第一层土壤厚度分别取0.5km、1km、2km、3km和4km。
表4 h1变化时的水平三层土壤模型
直流接地极注入直流量为4kA，计算结果如图9所示。
第一层土壤厚度越薄，接地极附近的地表电位越大。第一层土壤厚度变化时的地表电位对地表电位最大值的影响没有电阻率的影响大，但是其影响的范围却更远，在50km处h1＝0.5km时，地表电位为120.296V，而h1＝4km时，地表电位为37.66V，相差3.19倍。当距离接地极的位置为100km时，第一层土壤厚度变化时的地表电位的影响很小。
表5为第二层土壤电阻率变化时的水平三层土壤模型，该模型分别取第二层土壤电阻率为1000Ω·m、5000Ω·m、10000Ω·m、15000Ω·m和20000Ω·m，直流接地极注入直流量为4kA，分析当第二层土壤电阻率对接地极地表电位分布的影响。
表5 ρ2变化时的水平三层土壤模型
计算结果如图10所示。
由计算结果知(见图8)：地表电位随第二层土壤电阻率的增大而增大，但是第二层土壤电阻率变化的对地表电位的最大值影响很小，当ρ2＝1000Ω·m时，地表电位为621.4V，当ρ2＝20000Ω·m时，地表电位为679.5V，电阻率增加了20倍，地表电位才相差1.09倍。但是第二层土壤电阻率的对地表电位的影响范围很远，在距离直流接地极100km远处，当ρ2＝1000Ω·m时，地表电位为5.2V，当ρ2＝20000Ω·m时，地表电位为37.2V，地表电位相差7.15倍。
表6为第二层土壤厚度变化时的水平三层土壤模型，该模型分别取第二层土壤厚度为10km、20km和30km，直流接地极注入直流量为4kA，分析当第二层土壤厚度对接地极地表电位的影响。
表6 h2变化时的水平三层土壤模型
计算结果如图11所示。
由图11可知：地表电位随第二层土壤厚度的增大而增大；第二层土壤厚度变化对地表电位最大值的影响很小，当h2＝10km时，地表电位为656.6V，当h2＝30km时，地表电位为668.6V，仅相差12V。第二层土壤电阻率的对地表电位的影响范围也很远，在距离直流接地极100km远处，当h2＝10km时，地表电位为19.2V，当h2＝30km时，地表电位为31.5V，地表电位相差12.3V，与最大电位处的电位差，不但没减小，反而有所增加。
2.2.2垂直分层土壤模型参数变化对地表电位的影响
当土壤电阻率在垂直方向差异较大时，土壤可以分成垂直n层，取柱坐标系(r,φ,x)，原点为直流接地极所在位置，即p点。垂直两层土壤结构各层电阻率、厚度以及各界面的x轴的坐标如图12所示。
对于地表地质情况复杂的地区，采用垂直分层土壤来分析直流接地极附近的地表电位能得到更准确的结果。本节分析直流接地极附近存在高阻层和低阻层时的地表电位分布。针对直流接地极位于高山或湖泊附近的情况，采用垂直两层的土壤模型研究直流接地极附近地表电位的分布规律。
根据图13建立砂土与岩石的垂直分层土壤模型，取距离接地极不同位置处，取砂土的电阻率为300Ω·m，岩石的电阻率为10000Ω·m，分别建立接地极到砂土层和岩石层分界面的距离为0.5km、1km、10km、50km、90km的垂直土壤模型，接地极注入的直流量为3kA，计算得到这5种模型在离接地极100km范围内的地表电位如表7所示。
表7砂土与岩石的垂直分层模型下的地表电位(单位：V)
为分析直流接地极到高山的距离对最大地表电位的影响，定义影响系数为：
式中，US为距离高山距离为S时的最大地表电位；U∞为距离高山距离为无穷远时的最大地表电位。
将接地极到砂土层和岩石层分界面的距离为0.5km、1km、10km、50km、90km时，对最大地表电位的影响统计于表8中。
表8接地极到高山距离对最大地表电位的影响
根据表7的计算结果，砂土与岩石的垂直分层模型下的地表电位分布图，见图15。
由表7和图15可知：位于砂土层中的直流接地极离砂土与岩石的分界面越近则最大电位就越大，每种土壤模型在分界面附近的岩石层中都会有电压出现一定升高的现象。在砂土与岩石组成的垂直分层模型下地表电位在接地极附近10km下降较快，比10km远的范围电压为几十伏，且减小缓慢。当接地极到山地的距离大于10km后，岩石层对最大地表电位的影响较小，距离为90km时，影响系数已经减小到0.005。
根据图14建立砂土与湖水的垂直分层土壤模型，取砂土的电阻率为300Ω·m，湖水的电阻率为30Ω·m，分别建立接地极到砂土层和湖泊分界面的距离为0.5km、1km、10km、50km、90km的垂直分层土壤模型，接地极注入的直流量为3kA，计算得到这5种模型在离接地极100km范围内的地表电位如表9所示。
表9砂土与湖水的垂直分层模型下的地表电位(单位：V)
为分析直流接地极到湖泊的距离对最大地表电位的影响，定义影响系数k2。
式中，US为距离高山距离为S时的最大地表电位；U∞为距离高山距离为无穷远时的最大地表电位。
将接地极到砂土层和岩石层分界面的距离为0.5km、1km、10km、50km、90km时，对最大地表电位影响的计算结果见表10。
表10直流接地极到湖泊距离对电表电位的影响
根据表9的计算结果，得到砂土与湖水的垂直分层模型下的地表电位分布图，见图16。由表10和图16可知：位于砂土层中的直流接地极离砂土与湖泊的分界面越近则最大电位就越小。在分界面附近的湖泊侧中电压会出现一定的下降。距离接地极10km以外的湖泊对最高电表电位的影响很小，但是几百米范围内时，湖水能有效降低地表电压。
3、直流偏磁电流在线监测
在多个直流接地极地区附近100km范围内的变电站主变中性点安装在线监测装置，应具有较高的测试精度和较好的时间同步性，当出现直流单极大地回路方式运行时，同时测试多个直流接地极近区变压器中性点的直流偏磁电流，能够实现不同运行方式下，直流偏磁电流分布的在线监测。
直流偏磁电流在线监测装置采用霍尔传感器监测直流偏磁电流，再将采集到的信号转换成光信号，通过光缆传输，经过光电转换，连接到后台计算机，其原理如图17。
3.1直流偏磁电流在线监测装置主要参数
直流偏磁电流在线监测装置的主要参数为：
测试信号：直流电流
通道数：2(可扩展至64路)
测量范围：0～25A DC
线性范围：0～±25A DC
精度等级：0.2级
工作温度：-20℃～70℃
工作电源：220±10％
3.2直流偏磁电流在线监测装置主要功能
(1)装置具有GPS对时功能，各个变电站的直流偏磁电流在线监测装置要具有很好的时间同步性；
(2)对变压器中性点直流进行实时、长期和连续的监测；
(3)在后台显示变压器中性点直流电流的数据和变化曲线，具有录波功能；
(4)当直流偏磁电流超过限值时，装置报警，将报警信息通过短信发送到指定人员手机；
(5)计算机内保存有两个月的全部监测结果，用户可随时调出在屏上观看，也可以通过网络、软盘等将保存的数据拷贝出来，远程或在其他计算机上进行观看和分析，并可打印不同时段的数据和变化曲线等。
3.3直流偏磁电流在线监测装置的功能要求
霍尔传感器：采用穿心式霍尔电流互感器，并根据中性点引下线的外形，定制霍尔传感器的形状，减少了漏磁。为保证测试精度，采用高线性度霍尔器件，以确保测试信号的线性度：校准时采用全量程校准方式，保证了高的测量精度。
信号传输：电流互感器安装于变压器的中性点，为防止电网事故时高压信号传入控制室，危及人身和设备的发全，信号传输采用光缆传输，经过电信号→光信号→光缆传输→电信号的变换传输至控制室后台电脑，然后将监测数据统一接入输变电设备在线监测系统，并连接到设备状态评价中心。
户外仪表箱：夏季温度较高，仪表箱内可达到60度以上的高温，电子设备较难在太高的温度下正常工作，故户外仪表箱设计时除考虑防水、防小动物外，还考虑了隔热问题，为装置的正常运行提供保障。
计算机处理：后台处理采用计算机作为主设备。计算机资源丰寓，易于实现较复杂的处理功能和很好的显示效果。软件部分是采用VC++编制的程序，用以控制对数据的采集、处理和数据的保存、显示等。软件设计采用模块设计思想，软件结构清晰，便于维护。软件由报警、通讯、实时列表、实时曲线、历史数据保存、历史数据列表显示、历史数据曲线显示等7个模块组成。
报警模块：当测试电流超过限制(10A)时，认为变压器受到较大的偏磁干扰，不正常运行，进行亮灯显示报警信号。
通讯模块：定时采集传感器信，将中性点直流电流数据记录到数据库中。
实时列表：可以将每一路信号值以列表的形式显示如来，显示的内容包括：时间、信号值及信号单位。
实时曲线：可以将每一路设备的所有信号值以实时曲线的形式显示出来。
历史数据保存：将所有信号值按一定格式保存到硬盘内。
历史数据列表显示：提供查询每天某个时段的历史数据，数据显示的元素有最大值、最小值、平均值及单位。
历史数据曲线显示：提供以曲线的形式查看每天某个时段的历史数据，曲线显示的数据取得是平均值。
4、直流偏磁电流仿真模型的修正
直流偏磁电流仿真模型修正按以下步骤进行：
(1)定义直流接地极处为坐标原点P(0,0)，根据地理位置可得直流接地极近区变电站的坐标为Si＝(Xi,Yi)其中变电站序号i＝1,2,3……m。
(2)建立变电站的地表电位的仿真模型。
表11变电站的地表电位的仿真模型
(3)通过仿真软件CDEGS计算得到的变电站的地表电位为Vi。
(4)将Vi设为直流电源，结合电网结构，可计算得到变电站的主变中性点的直流偏磁电流Ii。
(5)当直流输电采取单极大地回路运行方式时，直流偏磁电流在线监测装置能够测试得到各变电站的主变中性点的直流偏磁电流Ii'。
(6)当直流偏磁电流的计算值和实测值的误差d＝|Ii-Ii'|≥0.5A时，需要对表11地电位仿真模型中的分层土壤电阻率参数ρ1和ρ2、土壤分层厚度参数h1和h2进行调节，直到新直流偏磁电流仿真模型计算得到的Ii满足下式
d＝|Ii-Ii'|<0.5A
则得到满足精度要求的直流偏磁电流仿真模型，此时修正后的地表电位的仿真模型为。
表12修正后的地表电位的仿真模型
具体参数调节方法如下：
(1)比较直流偏磁电流的计算值和实测值，当实测值大于计算值时，根据前文分析得出的水平分层土壤模型参数变化对地表电位的影响规律，增加仿真模型里的第一土壤层电阻率ρ1(每次增加10Ω·m)，或减小第一土壤层厚度h1(每次减小0.1km)，或增加第二土壤层电阻率ρ2(每次增加500Ω·m)，或增大第二土壤层厚度h2(每次增加5km)，上述四个参数的调整可多个或同时进行。调整后进行直流电流分布的计算，直到满足Ii'-Ii≤0.5A。
(2)比较直流偏磁电流的计算值和实测值，当实测值小于计算值时，根据前文分析得出的水平分层土壤模型参数变化对地表电位的影响规律，减小仿真模型里的第一土壤层电阻率ρ1(每次减小10Ω·m)，或增大第一土壤层厚度h1(每次增大0.1km)，或减小第二土壤层电阻率ρ2(每次减小500Ω·m)，或减小第二土壤层厚度h2(每次减小5km)，上述四个参数的调整可多个或同时进行。调整后进行直流电流分布的计算，直到满足Ii-Ii'≤0.5A。
5、利用修正的仿真模型进行多直流接地极不同运行方式下直流偏磁影响站点的预测
利用修正的仿真模型进行多直流接地极不同运行方式下直流偏磁影响站点的预测步骤如下：
(1)假设有n个直流接地极，定义其中一个直流接地极为坐标原点P1(0,0)，其余直流接地极的坐标为P2(XP2，YP2)、P3(XP3，YP3)……Pn(XPn，YPn)，直流接地极近区k个变电站的坐标为Si＝(Xi,Yi)其中变电站序号i＝1,2,3……k。
(2)根据修正后的土壤模型参数(见表12)，建立坐标原点所在接地极P1(0,0)近区变电站的地表电位的仿真模型。
(3)通过仿真软件CDEGS计算n个直流接地极电网以某一运行方式时变电站的地表电位为Vi'(4)将Vi'设为直流电源，结合电网结构，可计算得到在该运行方式下变电站主变中性点的直流偏磁电流I'i。
(5)当序号为i的变电站主变中性点直流偏磁电流Ii'≥12A时，直流偏磁电流超标，对该变电站进行预警，并提前采取防护措施；当i变电站主变中性点直流偏磁电流Ii'＜12A时，直流偏磁电流不超标，该变电站主变能承受此直流偏磁电流。(12A为变压器承受直流偏磁的限值，该值可以根据变压器承受直流偏磁的实际能力进行调整)。
以3个直流接地极为例，将其中一个直流接地极处定义为坐标原点P1(0,0)，根据地理位置可得另两个直流接地极的坐标为P2(XP2，YP2)、P3(XP3，YP3)，直流接地极近区变电站的坐标为Si＝(Xi,Yi)。
在此3个直流接地极与周围交流电网形成的混联电网中，直流接地极的运行方式见下表。
表13 3个直流接地极的不同运行方式
由于单极大地回路降功率运行产生的偏磁电流比单极大地回路运行时小，故不考虑该运行方式。
直流输电单极大地回路运行时，会产生直流偏磁电流影响接地极近区变电站的主变，而直流输电双极平衡运行时，直流接地极电流为0，周围交流变压器不会出现直流偏磁现象，当3个直流接地极采取同极性单极大地回路运行时导致近区交流变压器直流偏磁的影响最大。
多直流接地极不同运行方式时，直流接地极电流对近区交流变压器的影响程度和影响的变电站站点均不同，利用修正后的直流偏磁电流分布计算模型可以进行多直流接地极不同运行方式下直流偏磁影响站点的预测，对于计算得到直流偏磁电流超标的变电站进行预警，并提前采取防护措施。
6、直流电流分布的实例计算
规划中的山西～江苏±500kV直流输电工程，北起山西省晋城市阳城县±500kV换流站，南至江苏省溧阳±500kV换流站，线路途径山西、河南、安徽、江苏四省，线路全长865.45km。山西段线路全长45km，阳城县±500kV换流站的接地极线路80km。
(1)目标电网模型
根据山西省电力公司的电网地理接线图，选取2009年晋城市220kV和500kV等级交流系统进行等值网络简化。一共确定了20条交流输电线路和12座变电站及换流站作为研究对象。其中，220kV交流输电线16条、500kV输电线4条，220kV变电站9座、500kV变电站2座、换流站1座。晋城市电网地理接线如图18所示。
为了研究晋城市变电站受直流偏磁影响的地表电位分布情况，需要具体的观测点。观测范围覆盖了晋东南地区所有220kV以上变电站，并对各个观测点位置予以坐标确定：高平直流接地极双环圆心为坐标原点，由西向东水平方向为X轴正向，由南向北竖直方向为Y轴正向。晋城市观测点按照距离直流接地极由近及远的顺序排列，观测点的位置坐标统计如表13所示。
表13晋城市变电站观测点坐标
(2)目标电网土壤模型
山西地区气候较干旱、降水集中、植被稀疏、水土流失严重，属典型的黄土高原地貌，土壤电阻率为100～250Ω.m黄土厚度在50～180m之间，平均覆盖厚度在100m以下，由以上分析可知，表层土壤厚度越薄地表电位越大，因此表层土壤的厚度取值为50m，水平三层土壤模型见表14。
表14水平三层土壤模型
(3)地表电位的计算结果
仿真计算得到该土壤模型下晋城市变电站的地表电位如表15所示。
表15表层土壤厚50m时晋城市观测点的地表电位
高平直流接地极处地表电位高达-1894.26V，阳城换流站交流侧地表电位达-181.94V；其余为变电站观测点，地表电位从-517.93V到-177.54V。
(4)流过变压器中性点的直流电流
表层土壤的厚度取值为50m时，仿真计算得到流过晋城市观测点(中性点接地变压器)的直流电流如表16所示。
表16表层土壤厚50m时流过晋城市观测点的直流电流
晋城市直流电流流入站点包括：2座220kV站(凤城、芹池)、1座500kV站(阳城北)以及阳城换流站，晋城市其余观测点直流电流均为流出。晋城市各观测点直流电流值介于-2.11A到+0.6174502A之间。阳城换流站交流侧流入直流电流达0.14A。影响最大的是神农220kV站，变压器中性点直流流出值达2.11A，其次是晋城500kV站、丹河220kV站以及北义城220kV站。
晋城市220kV以上电网架空输电线上直流电流分布情况如图19所示，直流电流最大为晋东南1000kV特高压站到晋城站500kV架空输电线路，直流电流值达4.94A。阳城换流站交流侧到阳城北站500kV架空输电线路直流电流值仅为0.14A。最小为陵川到丹河220kV架空输电线路，直流电流仅为0.08A。
本计算是对规划中的山西省±500kV阳城换流站直流接地极附近电网直流偏磁电流的计算，未在邻近变电站主变中性点安装直流偏磁电流在线监测装置，故无直流偏磁电流实测数据。当有了实测数据，则将其与表14的计算结果对比，通过调节表12中各层厚度和电阻率的数值，再次计算，直到得到与实测数据接近的直流偏磁电流计算结果，此时的土壤模型修订完成。当晋城电网新建变电站，或有变电站因检修退出运行，或±500kV阳城换流站单极运行时输送功率调整等情况时，可用修订的土壤模型计算阳城换流站直流接地极附近地电位分布，然后结合电网结构，根据图1原理计算流经直流接地极近区变压器中性点的直流偏磁电流。
本发明的关键点是：
1、预测多直流接地极不同运行方式下直流偏磁电流的影响站点；
2、分析了土壤类型和季节对直流接地极地表电位的影响；
3、分析了水平分层和垂直分层土壤模型各层土壤厚度、电阻率对直流接地极地电位的影响规律；
4、根据变压器直流偏磁电流在线监测装置实测数据，修订仿真模型中的土壤分层的厚度和各层的电阻率取值，得到精度更高的直流偏磁电流分布计算模型；
5、使用修订后的仿真模型预测多直流接地极不同运行方式下直流偏磁电流的影响站点；
6、提前预判多直流接地极不同运行方式下直流偏磁电流的影响站点，以便提前采取应对措施。
Claims (6)
1.一种多直流接地极不同运行方式下直流偏磁电流影响站点的预测方法，预测区域内有多个直流接地极和m个具有中性点接地变压器的交流变电站，其特征在于，包括建立预测区域内各交流变电站地表电位土壤仿真模型的步骤：
1.1使用仿真软件建立预测区域的交直流混联电网拓扑结构模型；
1.2在每个交流变电站的主变中性点安装直流在线监测装置；
1.3初步建立每个交流变电站地表电位土壤仿真模型：第一土壤层的电阻率为ρ1Ω·m，土壤分层厚度为h1千米；第二土壤层的电阻率为ρ2Ω·m，土壤分层厚度为h2千米；第三土壤层的电阻率为2Ω·m，厚度为无穷大；
1.4将交流变电站地表电位土壤仿真模型输入仿真软件，通过仿真软件计算得到每个交流变电站的地表电位计算值Vi，i＝1,2...m；
1.5将Vi设为交流变电站中性点处的直流电源，通过仿真软件计算得到每个交流变电站主变中性点的直流偏磁电流计算值Ii；
1.6当任意一个直流接地极采取单极大地回路运行方式时，使用在线监测装置同步测试得到每个交流变电站主变中性点的直流偏磁电流实测值I′i；
1.7如交流变电站i的直流偏磁电流的计算值Ii和实测值I′i的误差|Ii-I′i|≥0.5A，则在该交流变电站的地表电位土壤仿真模型中第一土壤层电阻率ρ1、第二土壤层的电阻率ρ2、第一土壤层厚度h1和第二土壤层厚度h2这四个参数中，任选一个以上参数进行修正，直到仿真软件计算得到该交流变电站主变中性点的直流偏磁电流计算值Ii满足|Ii-Ii'|＜0.5A；
进行多直流接地极不同运行方式下直流偏磁影响站点的预测的步骤：
2.1使用仿真软件建立预测区域的以任意一种方式运行的交直流混联电网拓扑结构模型；
2.2将修正后的变电站地表电位土壤仿真模型输入仿真软件，通过仿真软件计算得到该混联电网中每个交流变电站的地表电位预测值Vi'；
2.3将Vi'设为交流变电站中性点处的直流电源，通过仿真软件计算得到该混联电网中每个交流变电站主变中性点的直流偏磁电流预测值Ii'；
2.4如Ii'≥I0，则确定交流变电站i的直流偏磁电流超标，其中I0为变压器承受直流偏磁电流的上限值。
2.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述在交流变电站i的地表电位土壤仿真模型中第一土壤层电阻率ρ1、第二土壤层的电阻率ρ2、第一土壤层厚度h1和第二土壤层厚度h2这四个参数中，任选一个以上参数进行修正的方法为：
当实测值Ii'大于计算值Ii时，增大仿真模型里的第一土壤层电阻率ρ1，和/或减小第一土壤层厚度h1，和/或增大第二土壤层电阻率ρ2，和/或增大第二土壤层厚度h2；
当实测值Ii'小于计算值Ii时，减小仿真模型里的第一土壤层电阻率ρ1，和/或增大第一土壤层厚度h1，和/或减小第二土壤层电阻率ρ2，和/或减小第二土壤层厚度h2。
3.如权利要求2所述的预测方法，其特征在于，修正第一土壤层电阻率ρ1时每次增大或减小10Ω·m，修正第一土壤层厚度h1时每次增大或减小0.1km，修正第二土壤层电阻率ρ2时每次增大或减小500Ω·m，修正第二土壤层厚度h2时每次增大或减小5km。
4.如权利要求1或2或3所述的预测方法，其特征在于，所述预测区域内有3个直流接地极P1、P2和P3，所述交直流混联电网的运行方式包括
方式一：P1单极大地回路运行，P2双极平衡运行，P3双极平衡运行；
方式二：P1双极平衡运行，P2单极大地回路运行，P3双极平衡运行；
方式三：P1双极平衡运行，P2双极平衡运行，P3单极大地回路运行；
方式四：P1单极大地回路运行，P2单极大地回路运行，P3双极平衡运行，且P1和P2运行时同极性；
方式五：P1单极大地回路运行，P2单极大地回路运行，P3双极平衡运行，且P1和P2运行时不同极性；
方式六：P1单极大地回路运行，P2双极平衡运行，P3单极大地回路运行，且P1和P3运行时同极性；
方式七：P1单极大地回路运行，P2双极平衡运行，P3单极大地回路运行，且P1和P3运行时不同极性；
方式八：P1双极平衡运行，P2单极大地回路运行，P3单极大地回路运行，且P2和P3运行时同极性；
方式九：P1双极平衡运行，P2单极大地回路运行，P3单极大地回路运行，且P2和P3运行时不同极性；
方式十：P1单极大地回路运行，P2单极大地回路运行，P3单极大地回路运行，且任意两个直流接地极单极大地回路运行时同极性；
方式十一：P1单极大地回路运行，P2单极大地回路运行，P3单极大地回路运行，且三个直流接地极单极大地回路运行时同极性。
5.如权利要求1或2或3所述的预测方法，其特征在于，所述仿真软件为CDEGS，所述变压器承受直流偏磁电流的上限值I0＝12A。
6.如权利要求4所述的预测方法，其特征在于，所述仿真软件为CDEGS，所述变压器承受直流偏磁电流的上限值I0＝12A。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Jiang Wei Inventor after: Liu Yong Inventor after: Zhang Xinghai Inventor after: Gan Degang Inventor after: Wu Xiaohui Inventor before: Jiang Wei Inventor before: Zhang Xinghai Inventor before: Gan Degang |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |