变压器直流偏磁抑制技术研究

摘 要：我国的煤炭资源三分之二都集中在内蒙古、山西，使用中这些能源进行火力发电，生产电力向沿海经济发达地区运输要使用远距离传输技术。采用长距离传输的直流输电方案，有利于提高电力传输的经济性、灵活性、稳定性，系统运行过程中调度电力也比较灵活，高压直流传输技术具备非常好的前景。然而，高压直流输电系统易出现主变直流偏磁，当系统直流用单极大地返回工作的方式，会出现主变压器异常，噪音增大振动变大。随着我国大力实施西部向东输送电力的政策，中国高压直流输电（HVDC）技术越来越多地使用在电力网络中，这个问题显得更加迫切和重要。国华呼伦贝尔电厂产生的主变压器直流偏磁现象，是由于接地网之间存在电位差引起变压器中性点产生直流分量，在交流系统中将会产生振动、噪音等等问题，严重影响变压器的运行，进而影响整个系统的稳定运行和设备安全。

关键词：变压器；直流偏磁；抑制技术

1 研究背景与意义

为了促进国家“西电东送、全国联网”逐步实施的能源发展战略，中国策划了一系列高压输电直流线路，其中具有很多困难，具有很长的输电线路，传输容量大，损耗低，自动化程度高等特点。在高压直流输电东北项目中，呼伦贝尔至辽宁高压直流输电工程建成后，打开蒙东电网至辽宁中部传输电力网络的渠道，形成了第一个国网系统交直流混联系统，电力系统的电力输出，大大提高了传输跨区域电力的能力。然而，输电线路直流输电具有一定的故障r或者调试的时候，必然在操作单极模式，操作模式双极传输系统转换为单级传输的过程中，将使用土地作为电路回流到系统中，数千安培通过接地注入地面，它会导致在周围的变电站接地极电位产生变化。进而形成一定的电位差，直流电将从输电线路流经大地到变压器中性点，使变压器出现直流分量，从而产生变压器偏磁现象。同时，交流输电系统会产生不同程度的影响，特别是在变压器的交流直流分量叠加，从而引发变压器铁芯磁通的变化，在交流系统中将会产生振动、噪音等等问题，严重影响电力系统的稳定运行。

因此，直流偏磁是由于外部电压环境变化引起，而强加于中性点直接接地的变压器，研究直流偏磁抑制技术对电力系统的正常运转具有重要的实际意义。分析所产生的直流偏磁的原因分析，并研究适当的措施来抑制直流偏磁，使高压输电过程中的变压器的安全性得以提高。

2 变压器直流偏磁分析

2.1 变压器的直流偏磁机理

流入变压器绕组直流会使铁芯磁场出现不对称曲线，更显著问题是直流偏磁的出现。这时系统内的主变压器噪音会变大，而激磁电流内产生大量谐波，且变压器的无功损耗会增加，使系统的无功补偿装置发生过载现象，或是线路的电压降低。谐波进入电力系统中，从而导致异常的电压波形出现，以及该滤波器将过载，保护误动作。

使用变压器中性点接地的方法进行高压直流输电，中性点接地的方法是可通过该方法将单极大电流返回大地，实现单极工作。基于该直流接地极接地，接地电阻会导致各变电站系统之间产生压差。例如两个分站之间具有电位差，要求系统内各变压器必须承担的电位差变化的影响。中性点的交流系统运行过程中，系统大型并联变压器因为电位差可能产生直流电流，从而形成主变压器的直流偏磁，对变压器带来一定的影响。

2.2 直流偏磁产生的原因

直流偏磁产生的原因有几种，在变压器的正常运行时出现的此现象，通常是由以下两个方面引起的：

（1）太阳等离子风和地球磁场互相作用进而产生的磁暴。在地球表面造成的磁场电位梯度，其高低与大地电导率以及磁暴的大小有关，在土壤高电阻的区域电位差可能达到相当高的程度。1989年3月13日太阳磁暴导致魁北克电网造成大范围的停电。这类直流偏磁的是很大，但持续时间短，发生频率较少。

（2）直流输电系统和交流系统的电压，在同一区域或系统同时运行电流，电压电流负载曲线非对称。超高压和特高压直流输电系统有几个运行方式，如正和负双极运行中，一个单级一金属回路运行等。单极大地返回运行方式是使用大地作为回路，通过一导线设置工作电流回路，能够有效地节约建设成本，这是高压直流输电的重要途径。当双极运行回路中，如果存在双极不对称运行，不对称和接地故障等有关，这时候类似于单极大地返回运行方式。在高压直流传输系统的回路方式中，单级一金属运行方式和双极回路时，一般不会影响交流电网中的变压器。在单极大地返回运行方式或正、负极严重不对称运行时，系统中的变压器将受到严重影响，导致中性点直接接地的变压器产生直流偏磁现象。影响的程度除了与直流换流站距离有关系外，也与土壤、地貌等情况有关系，辐射范围将呈不规则形状。此类直流偏磁的数值相对会小，但是持续的时间长，而且周围变电站受影响的可能性变大。

2.3 直流偏磁对变压器的危害

当高压直流传输系统接地极电流引发变压器电位增高时，如果两个变电所存在电位差，直流电流将流经电力系统及变压器中性点到变压器线圈，使得变压器铁心磁通量急剧饱和，从而提高磁通量泄漏，从而增加了铁损，使变压器铁心和夹件过热导致绝缘老化，危害变压器使用寿命，对变压器的正常运行产生很大的影响；在同一时间内，直流电流会让励磁电流的产生畸变，从而出现了大量的谐波，从而造成变压器损耗增加，振动增强噪声增加等一系列影响。而且直流偏磁还会使继电保护误跳设备，可能导致大电容器退出系统，系统电压迅速下降，最终失去了大部分的负荷。

2.3.1 噪声增大

变压器噪声是由硅钢片的磁伸缩引起的，在正和负不对称周期性变化的磁场下，硅钢片调整它们的大小，从而引起振动和噪音。振动产生磁致伸缩也是不规则的，这就会使噪声随磁通密度增大而变大。当变压器绕组中流经直流电流时，使得励磁电流产生畸变，产生了各次谐波，同时主磁通也成了正负半轴不对称的周期性变化磁场，噪声也就增加了。在直流偏磁情况时，变压器绕组中同时包括奇次和偶次谐波分量。因此，对应谐波电流，变压器的噪声频谱中既含奇次谐波分量，又含偶次谐波分量。

变压器铁芯硅钢片的磁致伸缩使铁芯变压器也使得振动变大，振动大，导致变压器的部分松动，使松弛，引起发热，放电等，或缠绕部件掉落，危及变压器的安全运行。这表明，该温度上升引起的直流偏磁的高噪声和振动引起的严重问题。

2.3.2 变压器损耗增加

变压器的损耗包括绕组损耗（铜损）和磁芯损耗（铁损）。变压器的铜耗包括基本运行的铜耗和额外损失。在直流偏磁的影响下，变压器的励磁电流可显著增加，导致变压器铜损的急剧上升。然而，由于主磁通保持正弦波和磁通密度的变化比较小，所以通过相对小的进气的铜产生的附加铜损的电流直流偏磁的影响主要是基础铜耗。变压器铁损包括铁芯损耗和附加铁损。基本铁损成正比的磁通密度的平方成正比。对于接线方式为Y/Δ和Δ/Y的变压器，励磁电流中包含着谐波分量，因为主磁通仍然是正弦波，以使直流电流变压器绕组不会在产生铁心损耗太大的影响。但是，励磁电流流经磁曲线的饱和部分，所以造成变压器漏磁通增大。而这些漏磁通将扩散到夹板、外壳等部件，使其产生额外的涡流损失，即额外的铁损。这部分铁耗将随着磁通增大而增大。这就说明变压器线圈中直流电流的增大，其铁损就会随之增大。

直流偏磁将导致变压器的励磁电流增大，其产生多个谐波涡流损耗和铁损大幅增加，由于导线的集肤效应造成铜损耗增加。有了稳定的，持续增长漏磁变压器直流偏磁，使得铁实际损失变大，其他结构的温度上升，造成油局部温度和温度上升，影响的绝缘和变压器组件，甚至造成变压器损坏。

2.3.3 变压器振动加

变压器的振动主要为铁芯硅钢片磁滞伸缩引起的，振动频率作为周期性励磁电流。在直流电流流经变压器线圈时，磁通出现偏移故而变压器的励磁电流畸变，造成铁心磁滞伸缩增大，并且漏磁通的增大造成了变压器线圈电动了的增大，对变压器振动加剧有一定的影响。

2.3.4 导致系统电压波形畸变

当变压器发生直流偏磁时，直流偏磁能使变压器变成交流电源系统的谐波源，该系统将引起电压波形畸变，有可能引起的问题有：继电保护误动作，滤波器过载，操作过电压等等。直流偏磁对输电系统也会引起负面影响，如流过变压器的直流电流导致电流的增加，增加了变压器无功功率损耗，因此，可能导致系统的电压降低。

3 变压器直流偏磁抑制技术

变压器直流偏压抑制系统的原理是，流过交流变压器的中性点，减少或消除了使用交流变压器的直流电流的反向流动的电流的直流电流的实时检测的大小。设置一个装置，以自动检测并调整为在交流变压器和直流电流现金注入变电站接地网络在相反方向，以减少或消除在交流变压器中流动的直流电流。设置反向直流电流产生意味着同时设置直流电流回路，接地直接联通，目前的网络建设发展外地辅助关在距变电站的安全距离，装置的直流电流发电机的输出电流，以提供一个返回通道。直流输出电流，器件电流产生，其中网络内地变电站注入的一部分，其余部分通过交流变压器流入中性点，在网络上的流通之后，从一个地面中性变电站返回在合并的注入电流网络的前接地变压器大陆，然后流入到通过产生直流返回辅助电极线路的接地装置，以形成一个回路。

3.1 反向电流法

变压器中性点内串入一直流的电压源，按测得直流电数值对此电压源的设置进行动态化调整，实时供给反向的直流电。此电压源在确保绝缘要求符合标准前提下输出几百伏电压。应用此装置较为灵活，且能动态选取注入的差异反向的电流。可此装置十分复杂，且价格昂贵，可行性仍需要进行检验。

故反向电流法在实际操作中是比较困难。

3.2 串联电容法

此种方法是在变压器的中性点串接入一电容，隔离系统与大地之间的直流电流，为确保此串联电容系统的可靠性，还应配置并联的开关等各类装置。在实际应用中，为了保护变压器的性能，采用装设电流旁路的方法，这样串联电容对于继电保护的作用不是很明显，因此不会对保护产生误动的影响。

3.3 串联电阻法

使用串联的电阻降低中性点的直流电流其原理是在变压器中性点和地网中串联一个小电阻，由于输电线路的电阻较小，故电阻能明显减小流入中性点的直流电流。但通过变压器其直流电流受下列因素制约：变压器中性点的电位差，和变电站的接地电阻值，还有变压器各相绕组的直流电阻和接连变压器各相线路的直流电阻数值。同时对继电保护影响较大。

3.4 直流电位补偿法

此法能一定程度抵消直流偏磁，在保证变压器可靠接地的基础上，还能减少中性点电流影响，且现场操作相对简单。这种方法在实际应用中，对于变电站、接地网、避雷器的分流作用显而易见。但是需要适当的增加补偿容量，且补偿容量时容易导致直流单极工作，出现更为严重的直流偏磁现象。这种运行方式能够比串联接地电阻的方式对继电保护的影响低一些，但也同样存在一定的影响。

4 几种抑制技术的比较

4.1 反向电流法

其原理也比较简单，这意味着更好的可操作性，但须额外设置补偿的接地极点。经常来说流经主变中性点的直流分量是通过接地网与输电系统的电导作比例配置，所以对于相同的直流接地电极的距离更远和接地部位更好，直流电流流经到大地的厂，特别是对靠近海边的发电厂，其补偿的电流效率会降低，直流发生器的功率将加倍增大，较大电流注入接地网将使其达到饱和，使其接地极腐蚀速度更快，此方法的成本会很高，同时保障系统安全可靠性方面将需要做进一步的测试。

4.2 串联电容法

该方法能够完全消除中性点的直流电流，也可以增加其他中性点的直流电流，致使为了消除变压器的直流偏磁而不得不将其接地点断开，但这样造成的后果就是可能会导致其他变电站的变压器的中性点电流增加，从而引发直流偏磁现象。这种方法对于电网的短路故障判别性能差一些，而且对变压器的中性点的绝缘等级要求要更严格一些。在实际应用中，为了保护变压器的性能，采用装设电流旁路的方法，而电流旁路可采取火花间隙并联的方法，这样串联电容对于继电保护的作用不是很明显，因此不会对保护产生误动的影响。在交流系统发生故障时，中性点电容器双端电压值高于继电保护动作的定值时，电流旁路自动切换至电容旁路，从而降低电容器的容量，躲过中性点绝缘不良的影响。当系统故障消除以后，保护装置又会自动切换至电容旁路，电容器自动充电，消除流经中性点的电流值，这种保护装置内部控制相对比较复杂，而且价格也偏高。

4.3 串联电阻法

这种方式的概念十分明确，而且相对的价格比较实惠，容易实现，这种装置操作简单，且性能比较稳定，虽然不能完全消除中性c流过的直流电流，但如果使用阻值比较高的电阻串联，会导致主变中性点绝缘强度的降低。变压器的中性点在串入电阻时，变压器的中性点的零序电流方向改变会江都过电流同线路侧的过流保护的灵敏度。当发生高阻接地故障的时候，把有可能改变零序功率方向的元器件关闭，当正向保护的近端电阻发生故障时，缩短保护的范围。线路零序过流保护、接地距离保护的定值需要内审外审等多方式进行重新核算。通过变压器铭牌参数和接地电阻的配置方案，优化接地电阻的同阻值的灵敏度，接地支路的最高阻值和全部接地电阻的中性点电流均小于它，最终进行数据迭代的时候选取最优数值，来降低其对继电保护应用的不良因素。

4.4 直流电位的补偿法

此法不仅能一定程度抵消直流偏磁，而且在原理上更能站住脚，在保证变压器可靠接地的基础上，还能减少中性点电流影响，且现场操作相对简单。这种方法在实际应用中，对于变电站、接地网、避雷器的分流作用显而易见，因此需要适当的增加补偿容量，但补偿容量时容易导致直流单极工作，出现更为严重的直流偏磁现象。这种运行方式能够比串联接地电阻的方式低一些，但也同样对继电保护和电位差存在一定的影响。补偿电流分为正负极，正电位的利用率要大于负电位，正电位会导致接地网腐蚀等问题，而负电位又可保护接地网，减缓腐蚀的速度，因此在条件允许的前提下适当补偿负电位也未尝不可。

可靠的直流电流源是作为直流点位补偿的有源装置，相对于中性点反向电流的方法而言，这样方法不需要辅助接地网和接地极，不会受到周围环境影响的制约，对电流源容量的要求也比中性点注进反向电流的电源容量的要求要低。

5 结束语

结合变压器直流偏磁抑制原理，分别对直流电流法、串联电容法、串联电阻法和直流电位补偿法四种抑制直流偏磁方法进行分析和比较，研究其中的优缺点和可实施性，最终对串联电容法和串联电阻法重点进行应用仿真研究，得出结论变压器中性点串入电阻以后可能受到影响的保护为：线路距离保护，变压器中性点零序过流保护，以及线路零序保护等等，而变压器中性点串联电容对继电保护的影响微乎其微，可以达到在不影响变压器保护的前提下保障机组安全、可靠运行。

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作者简介：邵帅（1985，10-），男，汉族，籍贯：河北廊坊，学历：本科，职称：工程师，毕业于沈阳化工学院，就职于神华国华九江发电有限责任公司，研究方向：高电压与绝缘技术。