蒙東地區變壓器直流偏磁現象檢測與抑制方法

葉立剛++喻明華++賀建軍

摘 要：直流偏磁是影響變壓器正常工作運行的一種典型現象。在分析變壓器直流偏磁產生機理的基礎上，認為直流輸電系統入地電流是產生直流偏磁的主要影響因子。采用開發的直流偏磁帶電測試儀和直流偏磁在線監測系統對蒙東地區的變壓器中性點直流分量進行了測試。結果表明，蒙東地區變壓器中性點直流分量已影響變壓器的正常運行。

關鍵詞：變壓器 直流偏磁 中性點電流 帶電檢測 在線監測 蒙東地區 影響

中圖分類號：TM727 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0063-04

為進一步提高“西電東送”的輸電能力，促進“南北互聯、全國聯網”，我國規劃建設了一系列高壓直流輸電工程，其中包括多條±800 kV的特高壓直流輸電工程[1-2]。但隨著直流輸電工程覆蓋面積的增大，其對現有交流輸電系統的不利影響也漸漸顯著起來。其中，交流輸電系統中的變壓器受直流輸電影響產生的直流偏磁現象已愈發普遍，造成的危害亦愈發明顯?，F亟需研究變壓器直流偏磁的產生機理并采取抑制其危害的措施與方法。

隨著呼倫貝爾——遼寧±500 kV直流工程的建設與投運，蒙東地區的變壓器已經受到直流線路入地直流電流的影響，變壓器的故障率也在升高。本文以蒙東地區電網為研究對象，針對直流輸電單極大地方式運行和雙極金屬回線方式運行的兩種情況，使用變壓器直流偏磁檢測儀分別對蒙東地區的500 kV和220 kV變壓器中性線上的直流電流和變壓器本體振動進行了檢測，得到了蒙東地區變壓器直流偏磁現象的相關規律和特點。

1 變壓器直流偏磁的產生及危害

1.1 變壓器的直流偏磁現象及危害

變壓器的直流偏磁是指在變壓器勵磁電流中出現了直流分量，產生直流磁通，導致變壓器鐵心磁化曲線不對稱（半周磁飽和），以及由此引起的一系列電磁效應。變壓器直流偏磁時，對變壓器本身將使其鐵芯磁通深度飽和、勵磁電流高度畸變、諧波大量產生、噪聲明顯增大、金屬構件損耗增大、無功損耗增加，嚴重時可能會引發局部過熱破壞絕緣，導致變壓器損壞[4-5]。對于電網將引起系統電壓下降、繼電保護誤動作、遠程監測報警等。

1.2 直流輸電系統單極運行產生直流偏磁

利用大地作為回流電路是直流輸電的重要特點之一，且單極大地回路已成為直流輸電系統的一種不可避免的運行方式[3]。當直流輸電系統采用單極大地運行時，直流輸電系統中的直流電流流過接地極并流入大地，會在流經的路徑上產生直流電位差。此電位差驅動直流電流通過由一個變壓器中性點、交流輸電線路及另一臺變壓器中性點構成的回路，使直流電流與交流電流相互疊加共同磁化鐵心，進而使勵磁電流發生畸變，正負半周的磁通明顯不對稱，工作點發生偏移，加劇鐵心飽和。于是，變壓器的直流偏磁產生。

1.3 地磁暴引發直流偏磁

當地磁場與太陽風相互影響時，將產生地磁暴，并在地球表面產生電位梯度，引起電磁感應電流[6-7]。此電流頻率極低，可近似看作直流。與直流單極運行類似，變壓器的直流偏磁產生。

然而，地磁場的劇烈變化情況較少，且地磁變化所產生的感應電流與變壓器和地磁暴的相對地理位置、地磁暴的強度等有關，產生的時間也短。因此，變壓器的直流偏磁問題主要由直流輸電系統采用單級運行時的大電流入地產生。

1.4 直流偏磁引發變壓器振動與噪聲

變壓器所產生的振動與噪聲主要是由于變壓器在非正常工作條件下，勵磁電流產生的磁場使磁致伸縮，造成鐵心硅鋼片反復震動。直流偏磁會使勵磁電流畸變，磁致伸縮效應明顯，鐵心硅鋼片震動幅度增大，變壓器噪聲增加。而長期不正常運行又會加快硅鋼片的老化和損壞，形成惡性循環。

1.5 變壓器直流偏磁的判斷

電力系統針對于變壓器（電抗器）本體狀態量的評價標準[8]中指出，變壓器中性點直流電流須小于3 A。當檢測到的中性點直流電流超過3 A，則可認為該變壓器受到了直流偏磁影響。

2 變壓器直流偏磁的檢測

直流偏磁的檢測可采用帶電檢測或在線監測中性點直流電流的方法，以判斷其內部絕緣的劣化，起到故障早期預報的作用。具體采用電測法，即在不改變原設備接線的情況下，將信號取樣點選擇在變壓器中性點接地引出線處，直接測量，顯示變壓器運行狀態下的直流電流值。

2.1 直流偏磁的帶電檢測

筆者開發出直流偏磁帶電測試儀對運行變壓器中性點直流電流值進行測量。該測試儀由主機、測量用卡鉗、測試及通訊線及電源適配器組成；測量范圍為1～30 A、精度1級；可采用鋰電池備用電源或220 VAC/50 Hz進行供電。研究所用直流偏磁帶電測試儀的硬、軟件系統界面如圖1所示。

儀器配置包括儀器主機一臺；電壓信號測試線一套（引出線長4 m）；電流信號測試線一套（引出線長4 m）；電源適配器一套；通訊線一根；銼刀及絕緣手套等工具一套。

測試前，先將兩只鱷魚夾短接，進行初始化采集板及傳感器校零操作。測量時，儀器所帶兩根電壓信號測試線終端鱷魚夾按表1尺寸分別夾緊中性點接地引出線，測試線另一端連接到儀器面板電壓信號+和電壓信號-航插。測量中需要注意的是，為了消除接觸電阻，在測量時應處理好被測點接觸面。

該儀器每秒鐘采集兩個通道的數據，可連續完成30 min采集操作。采用移動筆記本電腦安裝研制開發的對應數據軟件，如圖1（b）所示。軟件收集測試得到的模擬信號并進行A/D轉換，最終通過軟件進行數據處理，并以Excel表或圖形方式顯示。

2.2 直流偏磁的在線監測

筆者開發出一套直流偏磁在線監測系統。該系統用于變壓器運行中，實時監測中性點的直流分量。系統采用霍爾傳感器，包括采集傳感器、就地屏柜（里面放置各個IED，交換機，電源燈）、后臺裝置。主要采集變壓器的中性點直流分量、振動、噪聲及環境溫濕度等。系統結構如圖2所示。endprint

選用的霍爾傳感器在其測量范圍內（DC-30A～DC30A）的輸出直流電流與輸入電流具有較好的線性關系，且完全不受交流電流的影響。這就保證了監測到的電流為偏磁直流而非零序電流。

根據現場變壓器中性點接地引出線安裝方式，信號取樣有兩種方式，即在接地排上取一段長度的排作為信號取樣電阻，取樣電阻上流過直流電流產生的壓降直接連接到信號采集單元；或采用零磁通電流傳感器完成信號變換，傳感器輸出電流信號連接到信號采集單元。

監測終端中的設計考量，為完成小信號直流電壓或直流電流信號采集，信號調理電路采用差分輸入，A/D轉換電路采用了4位半雙積分方式的轉換芯片，轉換精度可達到十萬分之五，其對工頻干擾有很強的抑制力；為減小溫度對有源放大電路的影響，電路配置有自動校零功能，可完全消除環境因素對測量數據的干擾；為保證系統可靠工作，采集板在輸入通道配置有過壓及靜電防護電路，并且信號采集回路與遠傳的通訊回路完全隔離，絕緣強度可滿足1500 V；為實現數據遠傳及測量控制功能采集板提供標準的RS-485接口。

現場安裝調試如圖3所示。

3 蒙東地區直流偏磁的檢測實例

3.1 蒙東地區的電網分布概況

2009年6月29日，國家電網蒙東電力公司正式掛牌成立。蒙東電網位于內蒙古自治區的東部，與東北三省相鄰，分為呼倫貝爾電網、興安電網、通遼電網和赤峰電網，主線路拓撲結構參見圖4。

目前，蒙東電網尚未形成統一的電網。赤峰電網和通遼電網聯入遼寧和吉林電網，呼倫貝爾電網通過友好——伊敏——伊敏電廠——馮屯線路實現與東北主網聯網運行；興安盟電網分兩部分，一部分由呼倫貝爾電網供電，另一部分由通遼電網供電。具體為蒙東電網經2回伊敏電廠——馮屯變500千伏線路與黑龍江省電網相連，經3回220千伏線路（寶龍山——長嶺，通遼廠——雙遼，通遼——巨豐）與吉林省電網相接，經4回500千伏和1回220千伏線路（2回科爾沁——沙嶺，2回青山——燕南，1回寧城——建平）與遼寧電網相連。

目前蒙東電網直流輸電線路有±500千伏呼倫貝爾——遼寧線、至2015年將建成±800千伏巴彥托?！綎|直流輸電工程。

3.2 蒙東地區檢測方案和結果

選擇在蒙東地區進行直流偏磁帶電測試與在線監測系統試運行，對赤峰、通遼、呼倫貝爾和興安地區的500 kV和220 kV變壓器中性點的直流電流、噪聲以及電網諧波進行了普測。因篇幅所限，擇典型者列出。

檢測變壓器中性點的直流電流（直流單極），以海拉爾地區所轄變壓器為例，于2010年5月24日至27日對寶日希勒、海東、友好等線路變壓器進行檢測，測得的直流分量如表2所示，分布如圖5所示。

檢測變壓器的振動與噪聲（直流雙極），以通遼地區所轄變壓器為例，分布如圖6所示。

從檢測效果上看，所用儀器設備能檢測出明顯的中性點直流分量。從檢測數值上看，所檢測得到的中性點直流分量跟蒙東地區直流線路接地極入地電流的大小相關。直流雙極運行時的數據在0.2 A以下，對變壓器的影響不大。直流單極運行時檢測得到的數據一般不超過10 A，變壓器已相應出現勵磁電流和工作電流的波形出現不對稱現象，從而造成變壓器出現了較嚴重的噪聲和振動，同時，由于金屬構件中的渦流密度增大，變壓器還出現了局部過熱，繞組溫度過高的現象。

4 結語

（1）隨著直流輸電系統的輻射范圍增加，變壓器直流偏磁的危害呈加劇的趨勢，應引起足夠的重視。

（2）采用開發的直流偏磁帶電測試儀及直流偏磁在線監測系統可完成變壓器的直流偏磁檢測工作。實測數據與觀測現象支持了變壓器直流偏磁機理的研究成果。

（3）在直流偏磁狀態下，蒙東地區變壓器的勵磁電流波形發生改變，出現了變壓器的損耗增加、金屬結構件局部過熱，振動引起的噪聲增大等現象。

參考文獻

[1] 劉振亞.智能電網技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

Liu Zhenya，Smart Grid Technology[M].Beijing：China Electric Power Press，2010.

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[3] 梅桂華，梁文進，劉艷村，等.變壓器直流偏磁電流阻容抑制裝置的開發應用[J].高電壓技術，2009，35（10）：2581-2585.

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Jiang Wei，Huang Zhen，Hu Can，Zhu Kang，etc.Optimized network configuration of small resistances to limit DC bias current of transformers[J]. Proceedings of the CSEE，2009， 29（16）：89-94

[6] A.P.Sakis，Meliopoulos，Elias N.Glytsis.Comparison of SS-GIC and MHD-EMP-GIC effects on power systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery， 1994，9（1）：194-207.

[7] Ramsis S.Girgis，Chung-Duck Ko.Calculation techniques and results of effects of GIC currents as applied to two large power transformers[J].IEEE Trans.on Power Delivery，1992，7（2）：699-705.

[8] 浙江省電力公司.油浸試變壓器（電抗器）狀態評價導則[S].Q/GDW-11-106-2010，2010.

ZheJiang Electric Power Company.State evaluation guidelines on oil-immersed transformer （or reactor）[S].Q/GDW-11-106-2010，2010.endprint

選用的霍爾傳感器在其測量范圍內（DC-30A～DC30A）的輸出直流電流與輸入電流具有較好的線性關系，且完全不受交流電流的影響。這就保證了監測到的電流為偏磁直流而非零序電流。

根據現場變壓器中性點接地引出線安裝方式，信號取樣有兩種方式，即在接地排上取一段長度的排作為信號取樣電阻，取樣電阻上流過直流電流產生的壓降直接連接到信號采集單元；或采用零磁通電流傳感器完成信號變換，傳感器輸出電流信號連接到信號采集單元。

監測終端中的設計考量，為完成小信號直流電壓或直流電流信號采集，信號調理電路采用差分輸入，A/D轉換電路采用了4位半雙積分方式的轉換芯片，轉換精度可達到十萬分之五，其對工頻干擾有很強的抑制力；為減小溫度對有源放大電路的影響，電路配置有自動校零功能，可完全消除環境因素對測量數據的干擾；為保證系統可靠工作，采集板在輸入通道配置有過壓及靜電防護電路，并且信號采集回路與遠傳的通訊回路完全隔離，絕緣強度可滿足1500 V；為實現數據遠傳及測量控制功能采集板提供標準的RS-485接口。

現場安裝調試如圖3所示。

3 蒙東地區直流偏磁的檢測實例

3.1 蒙東地區的電網分布概況

2009年6月29日，國家電網蒙東電力公司正式掛牌成立。蒙東電網位于內蒙古自治區的東部，與東北三省相鄰，分為呼倫貝爾電網、興安電網、通遼電網和赤峰電網，主線路拓撲結構參見圖4。

目前，蒙東電網尚未形成統一的電網。赤峰電網和通遼電網聯入遼寧和吉林電網，呼倫貝爾電網通過友好——伊敏——伊敏電廠——馮屯線路實現與東北主網聯網運行；興安盟電網分兩部分，一部分由呼倫貝爾電網供電，另一部分由通遼電網供電。具體為蒙東電網經2回伊敏電廠——馮屯變500千伏線路與黑龍江省電網相連，經3回220千伏線路（寶龍山——長嶺，通遼廠——雙遼，通遼——巨豐）與吉林省電網相接，經4回500千伏和1回220千伏線路（2回科爾沁——沙嶺，2回青山——燕南，1回寧城——建平）與遼寧電網相連。

目前蒙東電網直流輸電線路有±500千伏呼倫貝爾——遼寧線、至2015年將建成±800千伏巴彥托海——山東直流輸電工程。

3.2 蒙東地區檢測方案和結果

選擇在蒙東地區進行直流偏磁帶電測試與在線監測系統試運行，對赤峰、通遼、呼倫貝爾和興安地區的500 kV和220 kV變壓器中性點的直流電流、噪聲以及電網諧波進行了普測。因篇幅所限，擇典型者列出。

檢測變壓器中性點的直流電流（直流單極），以海拉爾地區所轄變壓器為例，于2010年5月24日至27日對寶日希勒、海東、友好等線路變壓器進行檢測，測得的直流分量如表2所示，分布如圖5所示。

檢測變壓器的振動與噪聲（直流雙極），以通遼地區所轄變壓器為例，分布如圖6所示。

從檢測效果上看，所用儀器設備能檢測出明顯的中性點直流分量。從檢測數值上看，所檢測得到的中性點直流分量跟蒙東地區直流線路接地極入地電流的大小相關。直流雙極運行時的數據在0.2 A以下，對變壓器的影響不大。直流單極運行時檢測得到的數據一般不超過10 A，變壓器已相應出現勵磁電流和工作電流的波形出現不對稱現象，從而造成變壓器出現了較嚴重的噪聲和振動，同時，由于金屬構件中的渦流密度增大，變壓器還出現了局部過熱，繞組溫度過高的現象。

4 結語

（1）隨著直流輸電系統的輻射范圍增加，變壓器直流偏磁的危害呈加劇的趨勢，應引起足夠的重視。

（2）采用開發的直流偏磁帶電測試儀及直流偏磁在線監測系統可完成變壓器的直流偏磁檢測工作。實測數據與觀測現象支持了變壓器直流偏磁機理的研究成果。

（3）在直流偏磁狀態下，蒙東地區變壓器的勵磁電流波形發生改變，出現了變壓器的損耗增加、金屬結構件局部過熱，振動引起的噪聲增大等現象。

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ZheJiang Electric Power Company.State evaluation guidelines on oil-immersed transformer （or reactor）[S].Q/GDW-11-106-2010，2010.endprint

選用的霍爾傳感器在其測量范圍內（DC-30A～DC30A）的輸出直流電流與輸入電流具有較好的線性關系，且完全不受交流電流的影響。這就保證了監測到的電流為偏磁直流而非零序電流。

根據現場變壓器中性點接地引出線安裝方式，信號取樣有兩種方式，即在接地排上取一段長度的排作為信號取樣電阻，取樣電阻上流過直流電流產生的壓降直接連接到信號采集單元；或采用零磁通電流傳感器完成信號變換，傳感器輸出電流信號連接到信號采集單元。

監測終端中的設計考量，為完成小信號直流電壓或直流電流信號采集，信號調理電路采用差分輸入，A/D轉換電路采用了4位半雙積分方式的轉換芯片，轉換精度可達到十萬分之五，其對工頻干擾有很強的抑制力；為減小溫度對有源放大電路的影響，電路配置有自動校零功能，可完全消除環境因素對測量數據的干擾；為保證系統可靠工作，采集板在輸入通道配置有過壓及靜電防護電路，并且信號采集回路與遠傳的通訊回路完全隔離，絕緣強度可滿足1500 V；為實現數據遠傳及測量控制功能采集板提供標準的RS-485接口。

現場安裝調試如圖3所示。

3 蒙東地區直流偏磁的檢測實例

3.1 蒙東地區的電網分布概況

2009年6月29日，國家電網蒙東電力公司正式掛牌成立。蒙東電網位于內蒙古自治區的東部，與東北三省相鄰，分為呼倫貝爾電網、興安電網、通遼電網和赤峰電網，主線路拓撲結構參見圖4。

目前，蒙東電網尚未形成統一的電網。赤峰電網和通遼電網聯入遼寧和吉林電網，呼倫貝爾電網通過友好——伊敏——伊敏電廠——馮屯線路實現與東北主網聯網運行；興安盟電網分兩部分，一部分由呼倫貝爾電網供電，另一部分由通遼電網供電。具體為蒙東電網經2回伊敏電廠——馮屯變500千伏線路與黑龍江省電網相連，經3回220千伏線路（寶龍山——長嶺，通遼廠——雙遼，通遼——巨豐）與吉林省電網相接，經4回500千伏和1回220千伏線路（2回科爾沁——沙嶺，2回青山——燕南，1回寧城——建平）與遼寧電網相連。

目前蒙東電網直流輸電線路有±500千伏呼倫貝爾——遼寧線、至2015年將建成±800千伏巴彥托?！綎|直流輸電工程。

3.2 蒙東地區檢測方案和結果

選擇在蒙東地區進行直流偏磁帶電測試與在線監測系統試運行，對赤峰、通遼、呼倫貝爾和興安地區的500 kV和220 kV變壓器中性點的直流電流、噪聲以及電網諧波進行了普測。因篇幅所限，擇典型者列出。

檢測變壓器中性點的直流電流（直流單極），以海拉爾地區所轄變壓器為例，于2010年5月24日至27日對寶日希勒、海東、友好等線路變壓器進行檢測，測得的直流分量如表2所示，分布如圖5所示。

檢測變壓器的振動與噪聲（直流雙極），以通遼地區所轄變壓器為例，分布如圖6所示。

從檢測效果上看，所用儀器設備能檢測出明顯的中性點直流分量。從檢測數值上看，所檢測得到的中性點直流分量跟蒙東地區直流線路接地極入地電流的大小相關。直流雙極運行時的數據在0.2 A以下，對變壓器的影響不大。直流單極運行時檢測得到的數據一般不超過10 A，變壓器已相應出現勵磁電流和工作電流的波形出現不對稱現象，從而造成變壓器出現了較嚴重的噪聲和振動，同時，由于金屬構件中的渦流密度增大，變壓器還出現了局部過熱，繞組溫度過高的現象。

4 結語

（1）隨著直流輸電系統的輻射范圍增加，變壓器直流偏磁的危害呈加劇的趨勢，應引起足夠的重視。

（2）采用開發的直流偏磁帶電測試儀及直流偏磁在線監測系統可完成變壓器的直流偏磁檢測工作。實測數據與觀測現象支持了變壓器直流偏磁機理的研究成果。

（3）在直流偏磁狀態下，蒙東地區變壓器的勵磁電流波形發生改變，出現了變壓器的損耗增加、金屬結構件局部過熱，振動引起的噪聲增大等現象。

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Jiang Wei，Huang Zhen，Hu Can，Zhu Kang，etc.Optimized network configuration of small resistances to limit DC bias current of transformers[J]. Proceedings of the CSEE，2009， 29（16）：89-94

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ZheJiang Electric Power Company.State evaluation guidelines on oil-immersed transformer （or reactor）[S].Q/GDW-11-106-2010，2010.endprint