交直流混聯電網中變壓器直流偏磁特性分析

袁海燕 劉 民 莊燕飛 王慶玉 張青青

（1.山東電力集團公司電力科學研究院，濟南 250002；2.山東電力集團公司檢修公司，濟南 250021）

寧東-山東±660kV直流輸電已于 2010年開始運行，預計±800kV直流線路也將落點山東，在山東省內形成多饋入交直流混聯電網。銀東直流輸電單極大地回路運行方式導致山東省交流電網內部分變壓器振動加劇，噪聲增大，受影響的變壓器有的在換流站直流接地極附近，有的卻遠離接地極。而單極大地被很多國家認為是直流輸電運行方式之一，所以研究大地直流對交流系統的干擾，并在此基礎上提出消減大地直流對交流設備安全影響的工程方案已經刻不容緩。

目前直流偏磁的研究已開展得較為廣泛，如勵磁電流的計算、變壓器的飽和特性研究、直流偏磁引起變壓器振動和噪聲的研究、直流偏磁的解算方法以及直流偏磁的抑制等[1-6]。1993年，日本東京電力、東芝、日立和三菱公司進行了聯合的試驗研究[7]，他們提出芯式變壓器的鐵心拉板和殼式變壓器鐵心的支撐板分別為直流偏磁下關鍵的過熱部位，并給出這些部件的溫升與其磁場強度的關系。加拿大魁北克電力公司于1996年在735kV實際電網中進行直流偏磁的試驗研究，得出芯式變壓器允許直流電流的結論[8]。此外，ABB公司對500kV換流變壓器允許15A的直流偏磁也給予了闡述。

本文應用 PSCAD對直流偏磁對變壓器勵磁電流的影響進行了仿真分析，說明直流單極大地電流與變壓器直流偏磁的關聯性?，F場實測了±660kV直流輸電線路單極運行時變壓器中性點電流，并對直流偏磁引起的變壓器振動、噪聲等進行分析研究，在此基礎上給出了限制直流偏磁的措施。

1 直流偏磁理論分析

1.1 直流偏磁原理

直流偏磁是地磁暴或直流輸電單極運行使得變壓器中性點電流中出現直流分量引起鐵芯磁通工作點改變而產生的一種現象。當直流輸電系統由雙極運行狀態轉為單極大地回線運行方式或雙極不平衡運行方式時，大地作為直流輸電回路，直流輸電系統的運行電流經接地極注入大地，在換流站周圍一定區域內的土壤中形成一個恒定的直流電流場。在這個區域內的交流變電站間就會產生電位差。此時，恒定的直流電流場所形成的直流電流就會由一交流變壓器的中性點流入，經過輸電線路從另一交流變壓器的中性點流出，如圖1所示。

圖1 直流輸電對交流變壓器影響示意圖

變壓器內有直流電流流過時，其鐵心內部產生恒定的直流磁通，該直流磁通與交流磁通共同作用，形成偏磁時的總磁通。由于變壓器設計時，為使主磁路內得到較大的磁通量而又不過分增大勵磁磁動勢，通常把鐵心內的工作磁通密度選擇在勵磁特性曲線的膝點附近，所以即使僅有較小的直流磁通分量，與直流偏磁方向一致的半個周期，鐵心的飽和程度大大增加，另半周期飽和程度削弱，勵磁電流高度畸變，呈現正負半波不對稱的形狀，產生大量諧波。如圖2所示，圖中idc是中性點直流電流，ip是直流偏磁勵磁電流。

圖2 直流偏磁下變壓器勵磁電流

直流偏磁的影響主要分為兩部分，一是直流偏磁對交流電網的影響，一是直流偏磁對變壓器本身的影響。

直流偏磁對交流電網的影響主要表現在：使變壓器產生大量諧波，引起系統電壓波形畸變、濾波器過載、合空載長線時產生持續過電壓、單相重合閘過程中潛供電流增加、斷路器恢復電壓增高等。變壓器無功損耗增加，成了交流系統中的諧波源，進而導致電力系統電壓暫降、電容器組過載、繼電器誤動作，繼電保護系統故障，嚴重時可能導致整個電網崩潰。

直流偏磁對變壓器本身的影響主要表現在：勵磁電流正負半周不對稱，波形發生畸變，嚴重的時候會形成尖頂波。變壓器鐵心出現半周飽和，引起繞組、鐵心、絕緣油、油箱和夾件等部件的損耗增加、溫升增大；同時如果長時間有直流流過，會使變壓器局部過熱，影響變壓器運行，降低變壓器的使用壽命。直流偏磁條件下變壓器會出現不同程度的噪聲以及振動，隨著直流電流的增加，發出的噪聲和產生的振動也會越來越明顯，嚴重時會使變壓器器件松動，嚴重影響變壓器的正常運行。

1.2 仿真模型搭建

由于當直流電流流過時，變壓器鐵心飽和，此時變壓器鐵心的勵磁曲線呈現非線性特點。為了準確模擬變壓器勵磁曲線的非線性，選取 PSCAD/EMTDC軟件中自帶的 UMEC變壓器模型進行仿真，它能準確模擬變壓器的非線性激磁特性，并依據變壓器的不同結構，充分考慮變壓器飽和狀態下飽和磁通在相內、相間的耦合。

直流電流在變壓器的一次側中性點流入還是二次側中性點流入對變壓器的影響不同。可以將其分為耦合直流電流（直流電流在原邊繞組流通對原邊電流有影響）以及非耦合直流電流（直流電流在副邊繞組中流通只通過直流磁通影響勵磁電流）?？紤]到在電網的實際運行當中，110kV及以上電壓等級的變壓器都采用中性點直接接地的接線方式，所以在仿真過程當中，對變壓器采用一次側星形連接，二次側三角形連接，直流電流從一次側中性點直接流入，具體接線圖如圖3所示。

圖3 仿真模型架構

模型的具體參數如下：

1）變壓器額定容量為 180MVA，額定電壓為220/35kV，Y/△連接，三相五柱式結構，空載損耗為110kW，短路損耗為135.65kW。

2）電源容量為200MVA，電源內阻不為零，為純電阻形式，設定為10Ω。

3）負荷為3相負載，設定額定負載為90MW。

1.3 勵磁電流分析

當中性點分別注入 0A、5%和 10%高壓側額定電流時，分析勵磁電流波形，具體波形如圖4到圖6所示。由波形我們可以看出，當變壓器原邊中性點注入直流電流為0時，勵磁電流正負半波對稱，波形不發生畸變，為基本的正弦波形；當注入直流電流為額定電流的5%時，勵磁電流正負半周波不對稱，波形發生畸變；當注入直流電流為額定電流的10%時，勵磁電流正負半波不對稱情況加劇，波形畸變嚴重。

圖4 中性點注入直流電流為0時勵磁電流波形

圖5 中性點注入直流電流為5%額定電流時勵磁電流波形

圖6 中性點注入直流電流為10%額定電流時的勵磁電流波形

由仿真情況我們可以得出，隨著中性點注入直流電流的增加，變壓器鐵心開始飽和，勵磁電流正負半波不對稱，波形發生畸變；當注入直流電流達到高壓側額定電流的10%時，勵磁電流畸變已經比較嚴重，并且隨著注入直流電流的增加進一步加劇。

2 現場實測

對膠東換流站附近的 500kV大澤變電站進行了主變壓器中性點直流電流測試、500kV母線諧波測試、主變壓器本體振動和噪聲測試。測試方法為 3秒平均值，95%概率最大值法。諧波測試儀器采用安徽振興公司生產的PS-8型電能質量分析儀。主變中性點直流電流測試儀器采用FLUKE 345直流鉗形電流表。主變振動測試儀器采用RION公司RIOVIBRO VM-63型振動測試儀。噪聲測試采用2250-H-003型噪聲分析儀。大澤站主變運行工況見表1。

表1 主變運行參數

從表1中數據看出，變壓器在額定電壓以內運行，屬于正常運行狀態。由雙極運行變為單極運行時，變壓器的運行電壓、電流、有功功率和無功功率都增大。

2.1 主變中性點直流電流測試

膠東換流站雙極運行時，2號主變中性點直流電流0.31A；單極運行時，2號主變中性點直流電流9.69A。換流站從雙極運行變為單極運行時，變壓器中性點電流發生了很大的變化，從穩態數值上來看，單極運行時中性點電流已經超過額定電流的5%，可能引起波形畸變，影響正常運行。

2.2 母線諧波測試

表2為大澤站500kV母線諧波電壓含有率和總畸變率，由表中數據分析得出：變壓器由雙極運行變為單極運行時，七次以下諧波含量均增加，二次諧波A相增加了4倍，B、C相增加了10倍；三次諧波A、C相增加了近2倍，B相變化不大；四次諧波A相增加了9倍，B相增加了10倍多，C相增加了27倍多；五次諧波A、B、C相均增加了約2倍，七次諧波A、B、C相均增加了2到3倍，11、13次諧波變化不明顯。所以偶次諧波增加顯著，奇次諧波增加不明顯。

表2 500kV母線諧波電壓含有率和總畸變率/%

總的來說，二、四次諧波增加較快，五次以上諧波增加較慢，而三以及三的倍數次諧波由于變壓器副邊繞組采用三角形連接，所以電壓中含有量較少。

2.3 主變振動測試

表3和表4分別為換流站雙極運行和單極運行時大澤站的2號主變振動測試數據。換流站從雙極運行變為單極運行后，從加速度看，高壓側增加了3～9倍，中壓側增加了 3～5倍，低壓側增加了 9倍多；從速度看，高壓側增加了4～6倍，中壓側增加了1.5～5倍，低壓側增加了8倍多；從位移看，高壓側和中壓側變化不明顯，但低壓側位移發生了較大的變化。

表3 雙極運行時主變振動測試數據

表4 單極運行時主變振動測試數據

從相別看，A相加速度增加了5倍，B相加速度增加了3倍，C相加速度增加了9倍；A相速度增加了5倍，B相速度增加了4倍，C相速度增加了6倍。

因此，換流站從雙極運行變為單極運行后，加速度和速度都顯著增大，說明換流站單極運行時變壓器承受著巨大的沖擊力，很容易造成變壓器損壞。

2.4 噪聲

變壓器的噪聲，主要來自鐵心的磁致伸縮。在周期性變化的磁場作用下，硅鋼片將引起振動和噪聲。磁致伸縮產生的振動是非正弦波的，噪聲的頻譜含有多種諧波分量，且噪聲隨磁通密度的增大而增大。大澤站2號主變在換流站單極運行時的噪聲測試值如表5所示。

表5 單極運行時主變噪聲測試數據

雙極運行時 A、B、C三相的平均噪聲分別為66.2dB、66.5dB、66.6dB。變壓器在直流偏磁時的噪聲值以高壓側最高，為81dB。與雙極運行時相比，單極運行時A、B、C三相的噪聲分別增長了16.5%、16.6%、17.2%。

3 直流偏磁抑制措施

目前抑制直流偏磁的方法主要有電阻限流法、電容隔直法、反向電流注入法和改變系統運行方式的方法。電容隔直法是在變壓器中性點裝設電容器，利用電容隔直通交特性阻斷直流偏磁電流的通路，原理簡單、阻斷直流徹底，經分析，中性點裝設電容器是抑制直流偏磁的最優方法。

4 結論

1）通過對變壓器中性點注入不同直流電流的仿真分析，得出：隨著中性點注入直流電流的增加，變壓器鐵心開始飽和，勵磁電流正負半波不對稱，波形發生畸變；當注入直流電流達到高壓側額定電流5%的時候，勵磁電流畸變已經比較嚴重，并且隨著注入直流電流的增加進一步加劇。

2）當換流站由雙極運行變為單極運行時，變壓器中性點電流已經超過高壓側額定電流的5%，變壓器一次側以及二次側諧波含量明顯增加，奇次諧波以及偶次諧波含量均有增加，其中以偶次諧波增加最為顯著，二次諧波最高增加值達10倍。

3）單極運行時高壓側和低壓側的振動最明顯，加速度和速度都顯著增大，是雙極運行時的 8～9倍，說明在雙極運行變為單極運行的過程中變壓器承受著巨大的沖擊力，很容易造成變壓器損壞。

4）換流站單極運行時，變壓器的噪聲比雙極運行時增長了大約17%。

5）直流偏磁的抑制宜采用中性點串聯電容器的方法。

[1] 李慧奇,崔翔,候永亮,李琳,盧鐵兵.直流偏磁下變壓器勵磁電流的實驗研究及計算[J].華北電力大學學報,2007, 34(4): 1-6.

[2] 李曉萍,文習山,陳慈萱.單相變壓器直流偏磁勵磁電流仿真分析[J].高電壓技術, 2005, 31(9): 8-10.

[3] 蔣躍強,李紅雷,周行星,黃華。變壓器直流偏磁的振動特性研究[J].華東電力, 2009, 37(1): 132-135.

[4] 謝志平,姜益民,魏本剛.大型電力變壓器直流偏磁試驗研究[J].變壓器, 2011, 48(11): 23-26.

[5] 蒯狄正,劉成民,萬達.直流偏磁對變壓器影響的研究[J].江蘇電機工程, 2004, 23(3): 1-5.

[6] 蔣偉,吳廣寧,劉愈倬.變壓器直流偏磁抑制措施的研究進展[J].四川電力技術, 2011, 34(3): 9-13.

[7] TAKASU N, OSHI T, MIYAWAKI F, et al.An experimental analysis of DC excitation of transformers by geomagnetically induced currents [J].IEEE Transactions on Power Delivery, 1994, 9(2): 1173-1182.

[8] PICHER P, BOLDUC L, DUTIL A, et al.Study of the acceptable DC current limit in core-form power transformers[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1997, 12(1): 257-265.