0 引言

目前，国家电网公司建设了大量的特高压直流输电工程，其中内蒙古境内有呼伦贝尔到辽宁、扎鲁特—山东青州、上海庙—山东临沂、锡林郭勒盟—江苏泰州等多条直流输电工程。然而，在大量直流输电工程取得良好应用效果的同时，调试或故障工况下直流输电入地电流造成了诸多严重的电磁兼容问题，如对电力变压器的直流偏磁危害和对大型管道工程的影响等。实际运行情况表明，宁夏宁东—山东、哈密—郑州、宁夏宁东—浙江绍兴和溪落渡—浙江等直流输电工程在调试和运行期间均对直流接地及附近的交流系统造成了明显的直流偏磁危害。

内蒙古电网在直流输电对设备造成的影响等方面研究较少。内蒙古电力科学研究院分别在2017年和2018年对锡林郭勒盟—江苏泰州和上海庙—山东临沂两项直流输电工程进行了投运前的周边变电站主变压器中性点入地电流、变压器噪声等试验，证实了直流输电工程会使内蒙古电网周边变电站运行的主变压器中性点流入电流加大。鉴于此，急需一种对内蒙古电网直流分布情况作出预判和评估，有效指导直流偏磁的防范和应对措施的仿真方法^[1-2]。

本文结合鄂托克前旗伊克昭—沂南直流工程，对特高压直流输电工程对内蒙古电网产生的影响进行研究，旨在在内蒙古特有的地质结构下，以深层大地电阻率的现场测量与反演算法为例，基于深层大地电阻率参数，对特定变电站进行直流偏磁分析。

1 大地电阻率综合测量与反演方法简介

基于文献[3]研究结果，利用四极法与大地电磁法对土壤电阻率进行现场测量，运用嵌入局部共轭梯度搜索的人工蜂群全局优化反演方法进行大地电阻率综合反演^[3-8]。

1.1 四极法测量原理

四极法是一种运用电流回流形成的导体空间电位差推测大地深层电阻率分布的方法，四极法测量点位示意图见图 1，其测量步骤如下。

(1) 对测量区域进行现场勘测，选取测量中心点，施加电流I，读取电压U。

(2) 以步骤1中的测量中心点为起始点，向南北两个方向选取P₁、P₃两点进行等极距四极法测量，极距为d_i，测得阻抗为Z_P1和Z_P3。

(3) 以步骤1中的测量中心点为起始点，向东西两个方向选取P₂、P₄两点进行等极距四极法测量，测得阻抗为Z_P2和Z_P4。观察两个方向的视在电阻率差异性。

(4) 进行m₁组的极距布置与测量，运用均方根误差公式进行大地模型的一维反演，见公式(4):

(1)

式中：F₁为反演的均方差；ρ_a、ρ_M分别为四极法视在电阻率的正演值和测量值。

1.2 大地电磁法测量原理

大地电磁法(Magnetotelluric Method，MT)在矿产勘测领域广泛运用，同时也适用于直流偏磁问题的深层大地电阻率测量。MT的基本原理是：在导体中，不同频率的电磁波具有不同的趋肤深度，首先在地表进行高频至低频的地球电磁响应序列测量，再经过数据处理与数据分析得到大地由浅层到深层的电性结构。进行MT计算时，大地模型为水平的多层结构^[6]，如图 2所示。

MT测得的不同深度的视在电阻率参数是通过地层不同，频率也不同获得的，将地质参数通过计算机进行反演之后，可得到大地电性参数模型。MT优秀的交变电磁场耦合作用，可以穿透四极法计算中难以穿透的高阻层，在频段选择合理的情况下，可以探测地下数百公里深度范围内的电性变化。

1.3 大地电阻率反演方法

将大地电磁法和四极法相结合，利用混合优化算法的目标函数，对地表至深层大地电阻率的分布进行反演：

(2)

式中：F为综合反演的目标函数；ω₁和ω₂分别为四极法和MT目标函数的权重；F₁和F₂分别为四极法和MT电阻率反演的均方差，二者数据非常接近，四极法和MT的反转深度范围基本是相互独立的，因此两个权重均为1。

F₁和F₂在大地参数转化方面使用的模型不同，因此这两种反演理论方法不能跨方法运用。通常的计算中，使用局部搜索方案(共轭梯度法)和全局搜索方案(人工蜂群算法)进行综合反演^[7-8]。为了提高综合反演的计算精度与性能，本文运用嵌入局部共轭梯度搜索的人工蜂群全局优化反演方法进行综合反演计算^[9]。

2 电网直流分布模型构建 2.1 软件简介

为了构建鄂托克前旗电网直流分布模型，开发了一款用于仿真计算的仿真软件，该软件包含勘探反演、地表电位计算、空间电场计算、电网直流电流分布等若干功能。仿真软件的GASP反演模块，可以对四极法和MT法测量数据进行反演计算，还可以选择多种优化算法及混合优化算法，对水平层状土壤进行高精度反演，其反演精度可满足工程计算的需求。在建立四极法与MT反演时，运用仿真软件GASP反演模块进行计算，反演结果见图 3、图 4。

2.2 建模过程

对直流输电入地电流而言，现代交流电网是一个庞大的直流网络，对此提出一混合优化算法，该算法需要对线路、变电站及其他电网部分建立相应的仿真模型，过程如下。

(1) 针对每条输电线路回线，确定电压等级、起点母线和终点母线、电阻率、长度和横截面积。

(2) 确定变压器绕组类型、绕组直流电阻、变压器母线。

(3) 确定杆塔—避雷线系统模块档距、杆塔接地等效半径、避雷线等效截面积和避雷线电阻系数等参数。

(4) 对交流电网直流分布计算仿真时，根据交流电网中的变电站、母线和独立中性点数量，采用节点电压法等方法建立网络节点电压向量、电导向量和节点注入电流向量；根据接地理论以及对变压器中性点的“戴维南等效”可以得到变电站接地网络的直流电流，最后由交流电网中的各个绕组串并联关系得到鄂托克前旗地区整个交流电网的直流电流分布情况。

2.3 电网直流分布模型

基于2.1节得出的反演结果，建立鄂托克前旗电网络主接线图，对内蒙古鄂托克前旗电网内所有220 kV和110 kV的网架进行建模计算。模型共有变电站53个，其中220 kV变电站13个。由于只进行了7个变电站的现场测试，因此只列举这7个变电站的信息。内蒙古鄂托克前旗电网重点变电站、中性点接地方式及接地点数量见表 1。利用仿真软件建立电网模型地理信息图，其极址附近变电站和线路分布情况见图 5。

3 仿真计算与实测 3.1 直流偏磁中心点电流现场测试 3.1.1 测试前准备

当直流单极大地回线运行电流稳定时，进行变压器中性点电流的测试^[9-13]。变压器直流偏磁水平检测系统一般使用霍尔效应传感器，并经校验合格。检测前复核测试仪时间，测试直流电流时须分清正负方向，正方向统一设置为由大地流向变压器。在换流站做单级大地回路运行前，所有测试人员须将测试传感器接至变压器中性点的相应位置，并连接好测试仪和网络通讯设备。仪器在测试前如有零漂现象，需进行校零，一切就绪后开始测试和记录，测试原理如图 6所示。

3.1.2 检测装置及测试过程

检测装置为KLMM型便携式变压器中性点直流偏磁电流监测仪，由开合式电流传感器、USB数据采集盒、笔记本电脑三部分组成，还包括相应线缆和安装在笔记本电脑上的数据采集记录软件。测试时，将监测仪置于主变压器附近，和后台监控通过串口进行数据传输，后台监控终端与监测仪器放在一起。

测试时首先找到主变压器中性点回路中合适的位置安装开合式电流传感器，如主变压器接地隔离刀闸下端引出排位置。然后按照图 7所示进行监测仪的连接，打开笔记本电脑测试软件，运行软件即可。测试结束后，查看测试结果。

3.2 标准判据

根据内蒙古电力科学研究院《内蒙古鄂托克前旗直流偏磁影响仿真评估报告》，换流站接地极附近变压器直流偏磁按表 2限值标准二治理。

根据变压器厂家设计要求，本次测试以表 2限值标准二作为试验终止条件。为保障电网和设备的安全，试验中建立内蒙古电力(集团)有限责任公司与国家电网相关部门预警机制，测试过程中，如出现偏磁电流达到终止条件或变压器运行异常的情况，应及时停止测试工作。

3.3 测试结果与仿真结果对比分析

运用经过四极法和MT反演的大地电阻率数据与内蒙古鄂托克前旗地区仿真模型，可计算正常工况下直流换流站接地极入地电流3125 A、6250 A下内蒙古鄂托克前旗附近变电站直流偏磁结果，分别见表 3、表 4。

仿真计算结果表明，向接地极注入3150 A和6250 A电流，在默认工况下极址附近变电站中，直流偏磁电流(三相和)最大值为-0.344 A，远低于允许值(表 2)。该计算结果与现场实测结果变化趋势相符，现场实测结果包含于仿真计算结果的计算集合之内，表明现场实测值小于仿真计算值，可供直流偏磁电流计算参考；同时由于直流偏磁电流远低于允许值，说明伊克昭—沂南直流工程在该极址下，内蒙古电网的直流偏磁问题较小，影响不明显。

4 结语

基于四极法与大地电磁法搭建了仿真模型，对鄂托克前旗电网220 kV和110 kV变电站的中性点入地电流和直流偏磁电流等进行仿真计算，并与伊克昭—沂南直流工程直流偏磁实测值进行对比，计算结果与现场实测结果变化趋势相符，仿真方法可供同类工程计算借鉴。