王茂军，刘 齐
(1.营口理工学院，辽宁 营口 115014；
2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)
呼伦贝尔至辽宁±500 kV直流输电工程起点位于内蒙古伊敏换流站，终点位于辽宁穆家换流站，线路全长908 km，额定输送容量300万kW，是我国首个采用直流输电技术的煤电基地电力外送工程。该输电工程作为东北电网“十一五”主网架的重要组成部分，在东北电网中具有十分重要的地位和作用。呼辽直流系统采用双极运行方式，但在调试或者故障情况下，不可避免要从双极运行方式切换到单极运行方式，此时将会有高达几百甚至几千安培的电流从直流接地极注入大地，造成辽宁电网部分变电站的中性点接地变压器出现直流偏磁问题，导致相关变压器出现损耗和温升增加，噪声增大，振动加剧；
并可能造成系统电压降低，继电保护误动作等情况，严重危害变压器和电网的安全稳定运行[1-3]。
目前，辽宁电网变电站运维人员监测变压器直流偏磁的方法主要是使用钳形电流表对变压器中性点接地引出线的电流进行定期巡检测量，通过测量结果来判断变压器是否存在直流偏磁问题。但在现场强电磁环境干扰下，钳型电流表检测结果的准确性和重复性都存在问题，而且当呼辽直流系统单极运行时，可能会导致该系统两侧换流站接地极附近及线路沿线的多个变电站中性点接地变压器出现直流偏磁现象。此时，运维人员需要分别到受影响的多个变电站进行测量，这种方法不仅费时费力，而且无法及时有效地掌握受直流偏磁影响变压器的分布范围及受影响程度[4]。因此为提高电网直流偏磁的监测技术和预警水平，本文研制开发一种变压器直流偏磁在线监测系统，以满足智能运检建设和现场实际需求。
在线监测系统由霍尔电流传感器、监测主机、变电站后台屏柜和设备运检部门的监控中心组成[5-6]，如图1所示。高精度可拆卸的霍尔电流传感器用于测量流经变压器中性点接地引线处的直流电流；
监测主机通过对电流传感器二次侧转换输出的模拟电流信号进行提取，数字化处理来实现监测功能，监测主机不仅可以显示和存储监测信息，还可通过RS-485总线将监测信息传送到变电站后台进行详细分析和展示；
变电站后台通过电力调度数据网将监测信息上送至远方的设备运检部门的监控中心；
监控中心对监测装置的测量周期、通信参数、报警阈值和时钟等工作参数进行远程设置，实现对变电站内变压器直流偏磁现象的远程实时监控[7]。
图1 变压器直流偏磁在线监测系统结构
a.霍尔电流传感器
采用HNC40HKC系列霍尔电流传感器，该传感器额定量程为直流-40～40 A，经转换后二次侧输出直流为4～20 mA。4 mA代表传感器能够保证精度的最小测量范围为-40 A；
12 mA代表传感器原边直流电流为0；
20 mA代表传感器能够保证精度的最大测量范围为40 A。
b.监测主机
监测主机主要由数据采集模块、控制器模块、显示屏、时钟模块、存储模块及通信模块等组成[8-9]，如图2所示。
图2 监测主机组成
由于传感器数据经过监测主机信号转换和调理、数据计算处理等环节存在累积误差，为验证监测装置整体测量精度，装置在辽宁省计量科学院进行第三方性能测试。实验室测试数据如表1所示。
表1 实验室测试数据 单位：A
由表1可知，监测装置量程为直流-40～40 A，测量精度满足设计和现场实际要求。考虑到监测装置工作在电磁环境恶劣的500 kV变电站，通信电缆RS-485会受到现场操作、雷电过电压和复杂电磁干扰的影响，为保证通信的可靠性，对RS-485通信端口设计了必要的硬件防护措施，其保护电路如图3所示。
图3 RS-485通信端口保护电路设计方案
保护方案说明如下：①通信接口采用二级保护电路，每级都采用差模、共模保护，具有高性能、高可靠性；
②第1级保护采用陶瓷气体放电管用于浪涌电流释放；
③第2级保护采用瞬态抑制二极管TVS，能将过电压降到被保护器件承受的电压范围；
④第1级保护和第2级保护的协调和电流保护通过自恢复保险丝完成。
c.变电站后台屏柜
目前辽宁电网大部分220 kV以上电压等级的变电站机房内均安装状态接入控制器作为在线监测系统的统一后台，该后台能以标准方式对变电站内各类综合监测单元或状态监测装置进行状态监测信息的获取、转发及控制，可用于就地采集与转发变电站内与状态监测相关的其他数据。直流偏磁监测数据按照要求接入状态控制器，通过该控制器实现数据的就地监视、存储和远传等功能[10]。
在线监测系统已经在国网辽宁徐家500 kV变电站得到应用，主要监测变电站内2台主变压器中性点直流分量的大小和方向，以此来判断变压器是否存在直流偏磁现象。
徐家变电站有2组三相分体主变压器，每组主变压器的中性点均通过电抗器接地，为了防止中性点电流分流，霍尔电流传感器安装在电抗器接地铜排上，用于测量流入主变压器中性点的直流分量，同时为了防止变压器中性点过电压时击穿传感器，在传感器与变压器接地铜排间进行绝缘处理，使其能承受短时过电压脉冲，如图4所示；
监测主机安装在电抗器的金属支架上，与传感器相连接，如图5所示；
状态接入控制器安装在变电站内机房，主要负责各路监测数据的集中处理和对各监测装置进行配置和管理等工作，如图6所示。
图7为徐家500 kV变电站1号主变压器某时间段的中性点直流分量现场监测数据，监测装置按照默认设置的采样间隔，每1 h采集1次数据，按照规程要求，监测装置预设置了“注意值1 A”和“报警值3 A”。由图7可知，该时段变压器中性点直流电流均在注意值以下，最大值为200 mA，未引起直流偏磁现象。
图4 霍尔电流传感器安装现场
图5 监测主机安装现场
图6 状态接入控制器
图7 徐家变电站直流偏磁在线监测数据
目前，变压器直流偏磁在线监测系统已经在500 kV徐家变电站现场运行近3年，现场应用情况表明，本装置设计合理、长期运行可靠性高，解决了该站2组变压器(3×250 MVA及3×334 MVA的变压器各1组)直流偏磁现象无法进行有效实时监测的问题，充分满足了现场实际需求。此外，装置还陆续在辽宁500 kV王石变电站、220 kV牛庄变电站、220 kV刘二堡变电站等试点变电站得到推广应用，为辽宁电网变压器偏磁抑制方案的研究奠定了坚实的基础。
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