一種直流輸電系統(tǒng)中接地極處最大注入電流的獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種直流輸電系統(tǒng)中接地極處最大注入電流的獲取方法，收集用于計(jì)算接地極處的最大注入電流的數(shù)據(jù)資料；獲取變壓器的最大直流入侵電流值；建立交流系統(tǒng)直流分布的電路模型，并計(jì)算各變電站的接地體電位；建立土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算在各變電站的接地體電位升高時(shí)，需注入接地極處的電流值；得到直流輸電系統(tǒng)中接地極處的最大注入電流值。本發(fā)明提出的方法實(shí)現(xiàn)了在不改變交流系統(tǒng)運(yùn)行方式的情況下保證系統(tǒng)整體的安全穩(wěn)定運(yùn)行；此外，本方法還可在交直流混聯(lián)電網(wǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃、運(yùn)行方式確定以及接地極設(shè)計(jì)方式等方面提供設(shè)計(jì)依據(jù)，為直流偏磁治理設(shè)備的配置、治理效果的評(píng)估以及高壓直流輸電控制策略的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。
【專利說明】
一種直流輸電系統(tǒng)中接地極處最大注入電流的獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及交直流混聯(lián)輸電領(lǐng)域，具體涉及一種直流輸電系統(tǒng)中接地極處最大注 入電流的獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國高壓直流輸電的迅速發(fā)展，由直流輸電單極運(yùn)行方式導(dǎo)致的交流系統(tǒng)變 壓器直流偏磁問題也越來越嚴(yán)重。通過變壓器中性點(diǎn)接地侵入變壓器的直流電流會(huì)引起變 壓器鐵芯飽和，導(dǎo)致變壓器局部油溫和鐵心的溫度升高，增加額外的振動(dòng)和噪聲，從而對(duì)變 壓器內(nèi)部繞組、絕緣材料以及其他附件造成傷害，影響變壓器的使用壽命。變壓器的直流偏 磁還會(huì)引發(fā)勵(lì)磁電流畸變，增加變壓器的漏磁通，引起交流電網(wǎng)電壓電流波形畸變，增加系 統(tǒng)諧波含量，嚴(yán)重時(shí)還有可能引起繼電保護(hù)誤動(dòng)作，最終危及整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 [0003]目前針對(duì)變壓器是否需要進(jìn)行直流偏磁治理的分析方法主要是通過計(jì)算直流接 地極入地電流在交流系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的直流分布，得出變壓器中性點(diǎn)可能注入的直流電流大 小，判斷變壓器是否可能發(fā)生偏磁。由于交直流大地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上述分析方法計(jì)算精度 無法保證，不能為直流偏磁的治理提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。因此，在實(shí)際操作過程中各變電站 大多是在直流系統(tǒng)投入運(yùn)行后，通過實(shí)地量測(cè)變壓器中性點(diǎn)直流電流，判斷變壓器是否需 要進(jìn)行直流偏磁治理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供的一種直流輸電系統(tǒng)中接地極處最大注入電流的獲取方 法，該方法實(shí)現(xiàn)了在不改變交流系統(tǒng)運(yùn)行方式的情況下保證系統(tǒng)整體的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此 外，本方法還可在交直流混聯(lián)電網(wǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃、運(yùn)行方式確定以及接地極設(shè)計(jì)方式等方面 提供設(shè)計(jì)依據(jù)，為直流偏磁治理設(shè)備的配置、治理效果的評(píng)估以及高壓直流輸電控制策略 的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種直流輸電系統(tǒng)中接地極處最大注入電流的獲取方法，所述方法基于變壓器運(yùn) 行方式，獲取直流輸電系統(tǒng)處于單極運(yùn)行方式下的接地極處的最大注入電流，所述方法包 括如下步驟：
[0007] 步驟1.收集用于計(jì)算所述接地極處的最大注入電流的數(shù)據(jù)資料；
[0008] 步驟2.獲取變壓器的最大直流入侵電流值；
[0009] 步驟3.根據(jù)所述最大直流入侵電流值建立交流系統(tǒng)直流分布的電路模型，并計(jì)算 各所述變電站的接地體電位；
[0010] 步驟4.建立土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算在各所述變電站的所述接地體電位升高時(shí)， 需注入接地極處的電流值；
[0011] 步驟5.對(duì)各所述注入接地極處的電流值求和，得到所述直流輸電系統(tǒng)中接地極處 的最大注入電流值。
[0012] 優(yōu)選的，所述步驟1包括：
[0013] 收集用于計(jì)算所述接地極處的最大注入電流的數(shù)據(jù)資料；
[0014] 所述數(shù)據(jù)資料包括交流電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)、變電站接地設(shè)備數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)及接地極 設(shè)計(jì)資料；
[0015]其中，所述交流電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括:交流電力系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及線路運(yùn)行參數(shù)，且 所述線路運(yùn)行參數(shù)中包括線路能夠承受的最大諧波含量；
[0016] 所述變電站接地設(shè)備數(shù)據(jù)包括:指定范圍內(nèi)變電站中全部存在接地可能的電力設(shè) 備參數(shù)及設(shè)備布點(diǎn)情況資料，且所述電力設(shè)備參數(shù)中包括:變電站位置參數(shù)、接地電阻及變 壓器銘牌參數(shù)；
[0017] 所述環(huán)境數(shù)據(jù)包括:指定范圍內(nèi)的土壤結(jié)構(gòu)、土壤電阻率及土壤熱容率的測(cè)量數(shù) 值；
[0018] 所述接地極設(shè)計(jì)資料包括:接地極位置、類型、尺寸、填埋深度及采用材料。
[0019] 優(yōu)選的，所述步驟2包括：
[0020] 2-1.根據(jù)所述數(shù)據(jù)資料及磁化曲線，結(jié)合變壓器在電網(wǎng)中的運(yùn)行狀態(tài)及參考因 素，對(duì)各變電站內(nèi)中性點(diǎn)接地變壓器的最大直流偏磁量進(jìn)行估計(jì)；
[0021] 其中，所述磁化曲線為中性點(diǎn)流入變壓器的直流電流與原有交流勵(lì)磁電流共同作 用于變壓器磁通時(shí)的磁化曲線；
[0022] 2-2.根據(jù)所述最大直流偏磁量，得到所述變壓器最大直流入侵電流。
[0023] 優(yōu)選的，所述步驟2-1中的所述對(duì)各變電站內(nèi)中性點(diǎn)接地變壓器的最大直流偏磁 量進(jìn)行估計(jì)，包括：
[0024] 根據(jù)變壓器容量、鐵心參數(shù)、鐵心材料性能、鐵心疊片縫隙及負(fù)載程度，在變壓器 材料的B-I曲線查取變壓器正常工頻工作點(diǎn)的磁通及勵(lì)磁電流、飽和點(diǎn)的磁通及勵(lì)磁電流， 得出所述變壓器的所述最大直流偏磁量鱗
[0025] 優(yōu)選的，所述步驟2-1中的所述參考因素包括：
[0026] 繞組和鐵心的發(fā)熱限制、結(jié)構(gòu)件局部過熱限制、振動(dòng)及噪聲的運(yùn)行和環(huán)境要求、電 網(wǎng)總電壓電流的畸變標(biāo)準(zhǔn)、直流偏磁引起的無功要求不超過相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及直流偏磁引 起的電壓電流變化不影響保護(hù)動(dòng)作。
[0027]優(yōu)選的，所述步驟2-2包括：
[0028] a.根據(jù)安培環(huán)路定律得到磁動(dòng)勢(shì)平衡方程，經(jīng)傅氏變換得到變壓器中性點(diǎn)允許的 入侵直流電流Id。：
(1)
[0030]式（1)中，Id。為中性點(diǎn)入侵直流電流；1為鐵心中磁路的平均長度;x，y為與鐵心材 料磁化曲線有關(guān)的參數(shù);A為鐵心的等效截面積;他為直流電流的等效繞組匝數(shù);K為漏磁系 數(shù);ao(m)為系數(shù)，且ao(m)的計(jì)算方程為：
(2)
[0032] 式(2)中，％?為交流磁通；
[0033] b.計(jì)算所述入侵直流電流Id。作用下的變壓器磁場(chǎng)、變壓器直流響應(yīng)時(shí)間、繞組損 耗和結(jié)構(gòu)件中的附加損耗的變壓器油溫升及油面溫升情況，判斷在直流量Id。下變壓器是否 正常工作，并對(duì)入侵直流電流Idc做出修正，得到所述變壓器最大直流入侵電流。
[0034] 優(yōu)選的，所述步驟3包括：
[0035] 3-1.根據(jù)所述最大直流入侵電流值及各變電站設(shè)計(jì)的接地電阻值，結(jié)合交流電網(wǎng) 線路運(yùn)行參數(shù)，構(gòu)建交流系統(tǒng)直流分布的電路模型；
[0036] 3-2.根據(jù)所述交流系統(tǒng)直流分布的電路模型，計(jì)算得到各所述變電站的接地體電 位。
[0037]優(yōu)選的，所述步驟4包括：
[0038] 4-1.根據(jù)收集的所述環(huán)境數(shù)據(jù)中的土壤結(jié)構(gòu)和土壤電阻率測(cè)量參數(shù)，建立所述土 壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型；
[0039] 4-2.根據(jù)所述土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算在各所述變電站的所述接地體電位升高 時(shí)，需注入所述地極處的電流值。
[0040] 優(yōu)選的，所述步驟4-1包括：
[0041]根據(jù)收集的所述環(huán)境數(shù)據(jù)中的土壤結(jié)構(gòu)和土壤電阻率測(cè)量參數(shù)，建立所述土壤電 阻網(wǎng)絡(luò)模型，并得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣。
[0042]優(yōu)選的，所述4-2包括：
[0043 ] c.計(jì)算各所述變電站接地體所允許電位升高的極限值：
[0044] Vd = I[E+GR]G-1 (3)
[0045] 式(3)中，Vd為直流極的入地電流在相應(yīng)變電站產(chǎn)生的地電位；I為流過變電站的 直流電流;G為nXn的矩陣;其元素 Gij可以由各段線路的電阻求得;R為變電站的接地電阻 矩陣;E為單位陣;上角標(biāo)-1表示求逆陣；
[0046] d.根據(jù)所述土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型及接地極的設(shè)計(jì)情況列電阻網(wǎng)絡(luò)方程，計(jì)算在各所 述變電站的所述接地體允許的電位升高時(shí)，需注入接地極處的電流值；
[0047]即將所述節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的電阻網(wǎng)絡(luò)方程YU = J進(jìn)行分塊處理，分為電極極點(diǎn)和非 電極極點(diǎn)，計(jì)算得到由所述需注入接地極處的電流值作為元素組成的電極節(jié)點(diǎn)的注入電流 矩陣Jm: _ ￡ ⑷
[0049] 式(4)中，Yn和Y22分別為電極節(jié)點(diǎn)和非電極節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)納矩陣;Y12和Y21分別為電 極節(jié)點(diǎn)與非電極節(jié)點(diǎn)之間的互導(dǎo)納矩陣;山和1] 2分別為電極節(jié)點(diǎn)和非電極節(jié)點(diǎn)的電壓矩陣； 非電極節(jié)點(diǎn)注入電流為〇;
[0050] e.根據(jù)各變電站的地電位升高情況和直流電流的分布情況，得到各電極節(jié)點(diǎn)的電 壓山和非電極節(jié)點(diǎn)的電壓U2,并將結(jié)果代入所述節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，計(jì)算得到電極節(jié)點(diǎn)的注入電 流矩陣九；
[0051] f.將注入電流矩陣九各元素之和相加，得到在不改變當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行方式的情況下 的接地極最大允許注入電流。
[0052] 從上述的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供了一種直流輸電系統(tǒng)中接地極處最大注 入電流的獲取方法，收集用于計(jì)算接地極處的最大注入電流的數(shù)據(jù)資料;獲取變壓器的最 大直流入侵電流值;建立交流系統(tǒng)直流分布的電路模型，并計(jì)算各變電站的接地體電位;建 立土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算在各變電站的接地體電位升高時(shí)，需注入接地極處的電流值;得 到直流輸電系統(tǒng)中接地極處的最大注入電流值。本發(fā)明提出的方法實(shí)現(xiàn)了在不改變交流系 統(tǒng)運(yùn)行方式的情況下保證系統(tǒng)整體的安全穩(wěn)定運(yùn)行;此外，本方法還在交直流混聯(lián)電網(wǎng)的 設(shè)計(jì)規(guī)劃、運(yùn)行方式確定以及接地極設(shè)計(jì)方式等方面提供設(shè)計(jì)依據(jù)，為直流偏磁治理設(shè)備 的配置、治理效果的評(píng)估以及高壓直流輸電控制策略的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。
[0053] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果：
[0054] 1、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案中，為交直流混聯(lián)系統(tǒng)在單極大地運(yùn)行方式下接地極 的設(shè)計(jì)、直流運(yùn)行方式調(diào)整等提供了定量參考依據(jù)，為直流系統(tǒng)的控制策略設(shè)計(jì)提供了數(shù) 據(jù)支撐；同時(shí)為直流偏磁的治理規(guī)模預(yù)測(cè)、治理方式選擇以及治理水平評(píng)估提供了一種新 的思路，提高了直流輸電接地系統(tǒng)的可靠性。
[0055] 2、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，利用交流系統(tǒng)變壓器自身的運(yùn)行裕度來最大限度的 容納消解直流入地電流對(duì)交流系統(tǒng)的影響，提高設(shè)備資源的利用率，降低了直流偏磁治理 的投入，同時(shí)保證了交直流混聯(lián)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
[0056] 3、本發(fā)明提供的技術(shù)方案，應(yīng)用廣泛，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說明】
[0057]圖1是本發(fā)明的一種直流輸電系統(tǒng)中接地極處最大注入電流的獲取方法的流程 圖；
[0058]圖2是本發(fā)明的方法中步驟2的流程示意圖；
[0059] 圖3是本發(fā)明的方法中步驟3的流程示意圖；
[0060] 圖4是本發(fā)明的方法中步驟4的流程示意圖；
[0061] 圖5是本發(fā)明的具體應(yīng)用中的基本流程示意圖；
[0062] 圖6是本發(fā)明的具體應(yīng)用中的當(dāng)交直流磁通同時(shí)作用時(shí)鐵心的磁通密度位于磁化 曲線的未飽和區(qū)時(shí)的直流偏磁時(shí)的磁化曲線；
[0063] 圖7是本發(fā)明的具體應(yīng)用中的當(dāng)磁通密度位于磁化曲線的飽和區(qū)時(shí)的直流偏磁時(shí) 的磁化曲線；
[0064] 圖8是本發(fā)明的具體應(yīng)用中的交流系統(tǒng)直流分布的電路模型。
【具體實(shí)施方式】
[0065] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本 發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0066] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種直流輸電系統(tǒng)中接地極處最大注入電流的獲取方法， 方法基于變壓器運(yùn)行方式，獲取直流輸電系統(tǒng)處于單極運(yùn)行方式下的接地極處的最大注入 電流；
[0067] 包括如下步驟：
[0068] 步驟1.收集用于計(jì)算接地極處的最大注入電流的數(shù)據(jù)資料；
[0069] 步驟2.獲取變壓器的最大直流入侵電流值；
[0070] 步驟3.根據(jù)最大直流入侵電流值建立交流系統(tǒng)直流分布的電路模型，并計(jì)算各變 電站的接地體電位；
[0071] 步驟4.建立土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算在各變電站的所述接地體電位升高時(shí)，需注 入接地極處的電流值；
[0072] 步驟5.對(duì)各注入接地極處的電流值求和，得到直流輸電系統(tǒng)中接地極處的最大注 入電流值。
[0073] 其中，步驟1包括：
[0074] 收集用于計(jì)算接地極處的最大注入電流的數(shù)據(jù)資料；
[0075] 數(shù)據(jù)資料包括交流電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)、變電站接地設(shè)備數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)及接地極設(shè)計(jì) 資料；
[0076]其中，交流電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括:交流電力系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及線路運(yùn)行參數(shù)，且線路 運(yùn)行參數(shù)中包括線路能夠承受的最大諧波含量；
[0077]變電站接地設(shè)備數(shù)據(jù)包括:指定范圍內(nèi)變電站中全部存在接地可能的電力設(shè)備參 數(shù)及設(shè)備布點(diǎn)情況資料，且電力設(shè)備參數(shù)中包括:變電站位置參數(shù)、接地電阻及變壓器銘牌 參數(shù)；
[0078]環(huán)境數(shù)據(jù)包括:指定范圍內(nèi)的土壤結(jié)構(gòu)、土壤電阻率及土壤熱容率的測(cè)量數(shù)值； [0079]接地極設(shè)計(jì)資料包括:接地極位置、類型、尺寸、填埋深度及采用材料。
[0080] 如圖2所示，步驟2包括：
[0081] 2-1.根據(jù)數(shù)據(jù)資料及磁化曲線，結(jié)合變壓器在電網(wǎng)中的運(yùn)行狀態(tài)及參考因素，對(duì) 各變電站內(nèi)中性點(diǎn)接地變壓器的最大直流偏磁量進(jìn)行估計(jì)；
[0082] 其中，磁化曲線為中性點(diǎn)流入變壓器的直流電流與原有交流勵(lì)磁電流共同作用于 變壓器磁通時(shí)的磁化曲線；
[0083] 2-2.根據(jù)最大直流偏磁量，得到變壓器最大直流入侵電流。
[0084] 其中，步驟2-1中的對(duì)各變電站內(nèi)中性點(diǎn)接地變壓器的最大直流偏磁量進(jìn)行估計(jì)， 包括：
[0085] 根據(jù)變壓器容量、鐵心參數(shù)、鐵心材料性能、鐵心疊片縫隙及負(fù)載程度，在變壓器 材料的B-I曲線查取變壓器正常工頻工作點(diǎn)的磁通及勵(lì)磁電流、飽和點(diǎn)的磁通及勵(lì)磁電流， 得出變壓器的最大直流偏磁量攀&
[0086] 其中，步驟2-2中的參考因素包括：
[0087]繞組和鐵心的發(fā)熱限制、結(jié)構(gòu)件局部過熱限制、振動(dòng)及噪聲的運(yùn)行和環(huán)境要求、電 網(wǎng)總電壓電流的畸變標(biāo)準(zhǔn)、直流偏磁引起的無功要求不超過相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及直流偏磁引 起的電壓電流變化不影響保護(hù)動(dòng)作。
[0088] 其中，步驟2-2包括：
[0089] a.根據(jù)安培環(huán)路定律得到磁動(dòng)勢(shì)平衡方程，經(jīng)傅氏變換得到變壓器中性點(diǎn)允許的 入侵直流電流Id。：
(1)
[0091]式（1)中，Id。為中性點(diǎn)入侵直流電流；1為鐵心中磁路的平均長度;x，y為與鐵心材 料磁化曲線有關(guān)的參數(shù);A為鐵心的等效截面積;他為直流電流的等效繞組匝數(shù);K為漏磁系 數(shù);ao(m)為系數(shù)，且ao(m)的計(jì)算方程為： (2)
[0093] 式(2)中，爭(zhēng)m為交流磁通；《為頻率;t為時(shí)間；
[0094] b.計(jì)算入侵直流電流Id。作用下的變壓器磁場(chǎng)、變壓器直流響應(yīng)時(shí)間、繞組損耗和 結(jié)構(gòu)件中的附加損耗的變壓器油溫升及油面溫升情況，判斷在直流量Id。下變壓器是否正常 工作，并對(duì)入侵直流電流I dc做出修正，得到變壓器最大直流入侵電流。
[0095] 如圖3所示，步驟3包括：
[0096] 3-1.根據(jù)最大直流入侵電流值及各變電站設(shè)計(jì)的接地電阻值，結(jié)合交流電網(wǎng)線路 運(yùn)行參數(shù)，構(gòu)建交流系統(tǒng)直流分布的電路模型；
[0097] 3-2.根據(jù)交流系統(tǒng)直流分布的電路模型，計(jì)算得到各變電站的接地體電位。
[0098] 如圖4所示，步驟4包括：
[0099] 4-1.根據(jù)收集的環(huán)境數(shù)據(jù)中的土壤結(jié)構(gòu)和土壤電阻率測(cè)量參數(shù)，建立土壤電阻網(wǎng) 絡(luò)豐吳型；
[0100] 4-2.根據(jù)土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算在各所述變電站的所述接地體電位升高時(shí)，需 注入接地極處的電流值。
[0101] 其中，步驟4-1包括：
[0102] 根據(jù)收集的環(huán)境數(shù)據(jù)中的土壤結(jié)構(gòu)和土壤電阻率測(cè)量參數(shù)，建立土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模 型，并得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣。
[0103] 其中，4-2包括：
[0104] c.計(jì)算各變電站接地體所允許電位升高的極限值：
[0105] Vd = I[E+GR]G-1 (3)
[0106] 式(3)中，Vd為直流極的入地電流在相應(yīng)變電站產(chǎn)生的地電位；I為流過變電站的 直流電流;G為nXn的矩陣;其元素 Gij可以由各段線路的電阻求得;R為變電站的接地電阻 矩陣;E為單位陣;上角標(biāo)-1表示求逆陣；
[0107] d.根據(jù)土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型及接地極的設(shè)計(jì)情況，計(jì)算在各變電站的接地體允許的 電位升高時(shí)，需注入接地極處的電流值；
[0108]即將節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的電阻網(wǎng)絡(luò)方程YU = J進(jìn)行分塊處理，分為電極極點(diǎn)和非電極 極點(diǎn)，得到需注入接地極處的電流值作為元素組成的注入電流矩陣Jm;
[0109] fc ⑷
[0110]式(4)中，Yn和Y22分別為電極節(jié)點(diǎn)和非電極節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)納矩陣;Y12和Y 21分別為電 極節(jié)點(diǎn)與非電極節(jié)點(diǎn)之間的互導(dǎo)納矩陣;山和1]2分別為電極節(jié)點(diǎn)和非電極節(jié)點(diǎn)的電壓矩陣； 心為電極節(jié)點(diǎn)的注入電流矩陣;非電極節(jié)點(diǎn)注入電流為〇; e.根據(jù)各變電站的地電位升高情況和直流電流的分布情況，得到各電極節(jié)點(diǎn)的電 壓山和非電極節(jié)點(diǎn)的電壓U2,并將結(jié)果代入節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，計(jì)算得到電極節(jié)點(diǎn)的注入電流矩 陣Jm;
[0112] f.將注入電流矩陣九各元素之和相加，得到在不改變當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行方式的情況下 的接地極最大允許注入電流。
[0113] 如圖5所示，本發(fā)明提供一種直流輸電系統(tǒng)中接地極處最大注入電流的獲取方法 的具體應(yīng)用例，如下：
[0114] 1.相關(guān)資料收集，收集包括以下幾個(gè)方面的資料：
[0115] i.對(duì)交流電力系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、線路運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行收集，尤其是線路所能夠承受 的最大諧波含量；
[0116] ii.對(duì)指定范圍內(nèi)變電站所有有接地可能的電力設(shè)備參數(shù)及設(shè)備布點(diǎn)情況資料進(jìn) 行收集，尤其是與變電站位置參數(shù)、接地電阻以及變壓器銘牌參數(shù)等資料進(jìn)行收集；
[0117] iii.對(duì)指定范圍內(nèi)的土壤結(jié)構(gòu)、土壤電阻率以及土壤熱容率的測(cè)量數(shù)值進(jìn)行收 集；
[0118] iv.接地極設(shè)計(jì)資料收集:收集接地極位置、類型、尺寸及其他相關(guān)設(shè)計(jì)資料；
[0119] 2.確定各變電站內(nèi)中性點(diǎn)接地變壓器所能允許的最大直流偏磁量，如圖6及7所 示。由中性點(diǎn)流入變壓器的直流電流將與原有交流勵(lì)磁電流共同作用于變壓器磁通。
[0120] 3.如圖6圖所示，當(dāng)交直流磁通同時(shí)作用時(shí)鐵心的磁通密度位于磁化曲線的未飽 和區(qū)時(shí)，勵(lì)磁電流不會(huì)發(fā)生畸變；
[0121] 4.否則，如圖7所示，當(dāng)磁通密度位于磁化曲線的飽和區(qū)時(shí)，勵(lì)磁電流發(fā)生嚴(yán)重畸 變，影響交流電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
[0122] 變電站內(nèi)中性點(diǎn)接地變壓器所能允許的最大直流偏磁量的確定需要考慮以下幾 方面內(nèi)容：
[0123] i.繞組和鐵心的發(fā)熱限制
[0124] ii.結(jié)構(gòu)件局部過熱限制
[0125] i i i .振動(dòng)及噪聲需滿足運(yùn)行和環(huán)境要求
[0126] iv.電網(wǎng)總電壓電流的畸變標(biāo)準(zhǔn)
[0127] v.直流偏磁引起的無功要求應(yīng)不超過相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
[0128] vi.直流偏磁引起的電壓電流變化不影響保護(hù)動(dòng)作
[0129] 考慮上述因素，結(jié)合變壓器在電網(wǎng)中的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)變壓器允許直流偏磁量進(jìn)行 估算，得出變壓器能夠承受的最大直流入侵電流。
[0130] 5.根據(jù)變壓器能夠承受的最大直流入侵電流估算值和各變電站設(shè)計(jì)的接地電阻 值，結(jié)合交流電網(wǎng)線路運(yùn)行參數(shù)，構(gòu)建交流系統(tǒng)直流分布的電路模型，如圖8所示，計(jì)算出各 變電站接地體所允許電位升高的極限值；
[0131] 6.根據(jù)所收集的土壤結(jié)構(gòu)和土壤電阻率測(cè)量參數(shù)構(gòu)造土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型，并按接 地極的設(shè)計(jì)情況，通過對(duì)接地極電流場(chǎng)的反演計(jì)算，計(jì)算各變電站接地體所允許電位升高 在接地極處所需的接地極入地電流分布情況；
[0132] 通過接地極入地電流分布情況，按接地極設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算直流輸電單極運(yùn)行接地極 最大允許注入電流。
[0133] 為實(shí)現(xiàn)本專利，變壓器允許直流偏磁量受變壓器容量、鐵心參數(shù)、鐵心材料性能、 鐵心疊片縫隙以及負(fù)載程度等因素影響，對(duì)變壓器允許直流偏磁量的估計(jì)需計(jì)及以上條 件。對(duì)變壓器允許直流偏磁量的估算可分為兩步進(jìn)行:首先通過變壓器材料的B-I曲線查取 變壓器正常工頻工作點(diǎn)的磁通與勵(lì)磁電流以及飽和點(diǎn)的磁通與勵(lì)磁電流，得出變壓器所能 承受的最大直流磁通鐵5。由安培環(huán)路定律可得磁動(dòng)勢(shì)平衡方程，經(jīng)過傅氏變換展開后經(jīng)分 析可由式1得出變壓器中性點(diǎn)允許的入侵直流電流：
⑴
[0135]其中：Id。為中性點(diǎn)入侵直流電流，1為鐵心中磁路的平均長度，x，y為與鐵心材料磁 化曲線有關(guān)的參數(shù)，A為鐵心的等效截面積，犯為直流電流的等效繞組匝數(shù)，K為漏磁系數(shù)，ao (m)為系數(shù)，其值可由2式計(jì)算得出，其中%為交流磁通。
(2)
[0137] 在得出變壓器中性點(diǎn)允許的入侵直流電流Idc后，計(jì)算該直流量作用下的變壓器磁 場(chǎng)、變壓器直流響應(yīng)時(shí)間以及計(jì)及繞組損耗和結(jié)構(gòu)件中的附加損耗的變壓器油溫升以及油 面溫升情況，判斷在直流量Id。下變壓器能否正常工作，對(duì)入侵直流電流Id。做出修正。
[0138] 在收集相關(guān)資料后應(yīng)先獲得交直流混聯(lián)系統(tǒng)中的交直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖以及運(yùn) 行參數(shù)，之后各變電站接地體所允許電位升高的極限值的計(jì)算可如圖8所示，按照以下步驟 進(jìn)行:第一步:評(píng)估線路上所能夠承受的最大直流電流值，按照線路上所能承受的最大波形 畸變率來衡量;第二步:按照式3計(jì)算各變電站接地體所允許電位升高的極限值：
[0139] Vd = I[E+GR]G-1 (3)
[0140] 其中：Vd為直流極的入地電流在相應(yīng)變電站產(chǎn)生的地電位，I為流過變電站的直流 電流，G為nXn的矩陣，其元素可以由各段線路的電阻求得，R為變電站的接地電阻矩陣，E 為單位陣，上角標(biāo)-1表示求逆陣。
[0141] 求得直流極的入地電流在相應(yīng)變電站產(chǎn)生的地電位后，按照土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型并 結(jié)合接地極的設(shè)計(jì)情況，計(jì)算出接地極入地電流的分布情況。土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型可按水平 三層均勻土壤建立電阻網(wǎng)絡(luò)模型，得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣?？稍O(shè)土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型 的電阻率數(shù)據(jù)如表1所示：
[0142] 表1三層土壤電阻率數(shù)據(jù)
[0144]可將電阻網(wǎng)絡(luò)方程YU = J進(jìn)行分塊處理，分為電極極點(diǎn)和非電極極點(diǎn)，如式4所示： 陶UH七] ⑷
[0146] 式中，Yn和Y22分別為電極節(jié)點(diǎn)和非電極節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)納矩陣;Y12和Y21分別為電極節(jié) 點(diǎn)與非電極節(jié)點(diǎn)之間的互導(dǎo)納矩陣和1] 2分別為電極節(jié)點(diǎn)和非電極節(jié)點(diǎn)的電壓矩陣;心為 電極節(jié)點(diǎn)的注入電流矩陣;非電極節(jié)點(diǎn)注入電流為〇。根據(jù)各變電站的地電位升高情況和直 流電流的分布情況，不難推出各電極節(jié)點(diǎn)的電壓山和非電極節(jié)點(diǎn)的電壓U 2,將結(jié)果代入矩陣 則可計(jì)算出電極節(jié)點(diǎn)的注入電流矩陣九，將注入電流矩陣心各元素之和相加，即得到在不改 變當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行方式的情況下的接地極最大允許注入電流。
[0147] 以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn) 行修改或者等同替換，而這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均在 申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種直流輸電系統(tǒng)中接地極處最大注入電流的獲取方法，其特征在于，所述方法基 于變壓器運(yùn)行方式，獲取直流輸電系統(tǒng)處于單極運(yùn)行方式下的接地極處的最大注入電流， 所述方法包括如下步驟： 步驟1.收集用于計(jì)算所述接地極處的最大注入電流的數(shù)據(jù)資料； 步驟2.獲取變壓器的最大直流入侵電流值； 步驟3.根據(jù)所述最大直流入侵電流值建立交流系統(tǒng)直流分布的電路模型，并計(jì)算各所 述變電站的接地體電位； 步驟4.建立±壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算在各所述變電站的所述接地體電位升高時(shí)，需注 入接地極處的電流值； 步驟5.對(duì)各所述注入接地極處的電流值求和，得到所述直流輸電系統(tǒng)中接地極處的最 大注入電流值。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1包括： 收集用于計(jì)算所述接地極處的最大注入電流的數(shù)據(jù)資料； 所述數(shù)據(jù)資料包括交流電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)、變電站接地設(shè)備數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)及接地極設(shè)計(jì) 資料； 其中，所述交流電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括:交流電力系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及線路運(yùn)行參數(shù)，且所述 線路運(yùn)行參數(shù)中包括線路能夠承受的最大諧波含量； 所述變電站接地設(shè)備數(shù)據(jù)包括:指定范圍內(nèi)變電站中全部存在接地可能的電力設(shè)備參 數(shù)及設(shè)備布點(diǎn)情況資料，且所述電力設(shè)備參數(shù)中包括:變電站位置參數(shù)、接地電阻及變壓器 銘牌參數(shù)； 所述環(huán)境數(shù)據(jù)包括:指定范圍內(nèi)的±壤結(jié)構(gòu)、±壤電阻率及±壤熱容率的測(cè)量數(shù)值； 所述接地極設(shè)計(jì)資料包括:接地極位置、類型、尺寸、填埋深度及采用材料。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2包括： 2-1.根據(jù)所述數(shù)據(jù)資料及磁化曲線，結(jié)合變壓器在電網(wǎng)中的運(yùn)行狀態(tài)及參考因素，對(duì) 各變電站內(nèi)中性點(diǎn)接地變壓器的最大直流偏磁量進(jìn)行估計(jì)； 其中，所述磁化曲線為中性點(diǎn)流入變壓器的直流電流與原有交流勵(lì)磁電流共同作用于 變壓器磁通時(shí)的磁化曲線； 2-2.根據(jù)所述最大直流偏磁量，得到所述變壓器最大直流入侵電流。4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟2-1中的所述對(duì)各變電站內(nèi)中性點(diǎn) 接地變壓器的最大直流偏磁量進(jìn)行估計(jì)，包括： 根據(jù)變壓器容量、鐵屯、參數(shù)、鐵屯、材料性能、鐵屯、疊片縫隙及負(fù)載程度，在變壓器材料 的B-I曲線查取變壓器正常工頻工作點(diǎn)的磁通及勵(lì)磁電流、飽和點(diǎn)的磁通及勵(lì)磁電流，得出 所述變壓器的所述最大直流偏磁量觀。5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟2-1中的所述參考因素包括： 繞組和鐵屯、的發(fā)熱限制、結(jié)構(gòu)件局部過熱限制、振動(dòng)及噪聲的運(yùn)行和環(huán)境要求、電網(wǎng)總 電壓電流的崎變標(biāo)準(zhǔn)、直流偏磁引起的無功要求不超過相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及直流偏磁引起的 電壓電流變化不影響保護(hù)動(dòng)作。6. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟2-2包括： a.根據(jù)安培環(huán)路定律得到磁動(dòng)勢(shì)平衡方程，經(jīng)傅氏變換得到變壓器中性點(diǎn)允許的入侵 (1) 直流電流Idc : 式（1)中，Idc為中性點(diǎn)入侵直流電流；1為鐵屯、中磁路的平均長度;X，y為與鐵屯、材料磁 化曲線有關(guān)的參數(shù);A為鐵屯、的等效截面積;化為直流電流的等效繞組應(yīng)數(shù);K為漏磁系數(shù);ao (m)為系數(shù)，n ' 山(2) 式(2)中，黎為交流磁通； b.計(jì)算所述入侵直流電流Id。作用下的變壓器磁場(chǎng)、變壓器直流響應(yīng)時(shí)間、繞組損耗和 結(jié)構(gòu)件中的附加損耗的變壓器油溫升及油面溫升情況，判斷在直流量Id。下變壓器是否正常 工作，并對(duì)入侵直流電流Id。做出修正，得到所述變壓器最大直流入侵電流。7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3包括： 3-1.根據(jù)所述最大直流入侵電流值及各變電站設(shè)計(jì)的接地電阻值，結(jié)合交流電網(wǎng)線路 運(yùn)行參數(shù)，構(gòu)建交流系統(tǒng)直流分布的電路模型； 3- 2.根據(jù)所述交流系統(tǒng)直流分布的電路模型，計(jì)算得到各所述變電站的接地體電位。8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4包括： 4- 1.根據(jù)收集的所述環(huán)境數(shù)據(jù)中的±壤結(jié)構(gòu)和±壤電阻率測(cè)量參數(shù)，建立所述±壤電 阻網(wǎng)絡(luò)模型； 4-2 .根據(jù)所述±壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算在各所述變電站的所述接地體電位升高時(shí)，需 注入所述地極處的電流值。9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述步驟4-1包括： 根據(jù)收集的所述環(huán)境數(shù)據(jù)中的±壤結(jié)構(gòu)和±壤電阻率測(cè)量參數(shù)，建立所述±壤電阻網(wǎng) 絡(luò)模型，并得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣。10. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述4-2包括： C.計(jì)算各所述變電站接地體所允許電位升高的極限值： Vd = I[E+GR]G_i (3) 式(3)中，Vd為直流極的入地電流在相應(yīng)變電站產(chǎn)生的地電位;I為流過變電站的直流電 流;G為nXn的矩陣；其元素 Gij可W由各段線路的電阻求得;R為變電站的接地電阻矩陣;E 為單位陣;上角標(biāo)-1表示求逆陣； d.根據(jù)所述±壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型及接地極的設(shè)計(jì)情況列電阻網(wǎng)絡(luò)方程，計(jì)算在各所述變 電站的所述接地體允許的電位升高時(shí)，需注入接地極處的電流值； 即將所述節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的電阻網(wǎng)絡(luò)方程YU = J進(jìn)行分塊處理，分為電極極點(diǎn)和非電極 極點(diǎn)，計(jì)算得到由所述需注入接地極處的電流值作為元素組成的電極節(jié)點(diǎn)的注入電流矩陣Jm: (4) 式(4)中，Yll和Y22分別為電極節(jié)點(diǎn)和非電極節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)納矩陣;Yi2和Y21分別為電極節(jié) 點(diǎn)與非電極節(jié)點(diǎn)之間的互導(dǎo)納矩陣;Ui和化分別為電極節(jié)點(diǎn)和非電極節(jié)點(diǎn)的電壓矩陣;非電 極節(jié)點(diǎn)注入電流為0; e. 根據(jù)各變電站的地電位升高情況和直流電流的分布情況，得到各電極節(jié)點(diǎn)的電壓化 和非電極節(jié)點(diǎn)的電壓化，并將結(jié)果代入所述節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，計(jì)算得到電極節(jié)點(diǎn)的注入電流 矩陣Jm; f. 將注入電流矩陣Jm各元素之和相加，得到在不改變當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行方式的情況下的接 地極最大允許注入電流。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105912774SQ201610219270
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月11日
【發(fā)明人】曹楠, 王天正, 王冬青, 王康寧, 俞華, 李冰, 王述仲, 陳翔宇, 郭文明, 馬曉光, 侯鵬
【申請(qǐng)人】國家電網(wǎng)公司, 南京南瑞集團(tuán)公司, 國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院