變壓器直流偏磁電流監測技術應用淺析

王建波

內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司，內蒙古呼倫貝爾 021025

變壓器直流偏磁電流監測技術應用淺析

王建波

內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司，內蒙古呼倫貝爾 021025

隨著我國電力事業的不斷發展，直流輸電系統應用的范圍逐漸增大，受電磁感應電流、直流輸電系統接地極電流等因素的影響，導致電網網內的變壓器經常出現直流偏磁現象，對變壓器的安全穩定運行產生了十分不利的影響，進而對整個電力系統產生極大的危害。因此，研究變壓器直流偏磁電流監測技術具有重要的意義?；诖耍P者結合自己的工作經驗談一談變壓器直流偏磁電流監測技術的有關問題，首先分析直流偏磁出現的原因以及直流偏磁對變壓器造成的影響，其次分析直流偏磁相關的監測技術，最后嘗試設計出一種高效的監測裝置，希望可以為有關領域的研究提供一些參考和幫助，促進電網內的變壓器正常、安全、穩定運行。

變壓器；直流偏磁；電流監測技術；應用

伴隨著社會和經濟的快速發展，我國現代化建設水平的不斷提高，對電力的需求量大幅度增加，并且對電力資源的依賴性也逐漸增強，帶動了電力事業的發展，使我國的電力事業發展迅猛，取得了輝煌的成就。目前，我國電力企業對直流輸電系統的投產規模不斷擴大，這主要是因為直流輸電系統輸送的距離較遠、容量較大，并且利用直流輸電系統進行輸電還有控制靈活的特點，因此受到電力單位的歡迎，應用的范圍越來越廣，但是由于我國電力系統結構的特點，在交、直流混合運行的情況下，容易出現變壓器直流偏磁現象，對變壓器造成不利的影響，導致供電質量降低。在這種情況下，加強對變壓器直流偏磁的在線監測技術的研究至關重要，而對變壓器運行狀態進行在線監測，就需要使用有效的電流監測技術，就需要在變壓器中性線上安裝直流電流監測裝置，以實現就地和遠端在線監測和數據采集，進而為及時的解決變壓器直流偏磁問題提供重要的依據，保證變壓器正常、安全運行。因此，加強對變壓器直流偏磁電流監測技術有關問題的研究具有重要的現實意義。

1 直流偏磁對變壓器的影響作用分析

1.1 變壓器直流偏磁現象產生的原因

變壓器直流偏磁現象產生的原因：我國電網的結構比較復雜，屬于交流電和直流電混合運行的電網結構，在這種電網結構之下，交流電和直流電輸電系統兩者之間就會相互影響，并且相互影響的程度還較大，這時候當直流輸電系統處于單極大地或者雙極不平衡運行的狀態時，直流電流就可以通過接地極注入大地，而注入地中的直流電流又可以進入變壓器，當直流電流經過變壓器的繞組時，直流磁通就會產生，從而對勵磁電流產生重大的影響，導致勵磁電流的正負半周出現不對稱的情況，加劇變壓器鐵芯磁密的飽和度，從而對整個交流系統產生十分不利的影響，導致交流系統出現變壓器直流偏磁的情況[1]。

1.2 直流偏磁現象對變壓器的影響

1.2.1 變壓器出現局部過熱的情況

一旦變壓器出現直流偏磁現象，將會導致變壓器在高度飽和的狀態下持續運行，從而導致變壓器產生大量的漏磁通，而這些磁通會通過變壓器鐵芯以及鐵芯以外的鐵質材料傳導出去，如夾件、螺栓、連接片等，這些元件的磁阻較低，因此容易通過，從而形成一個通路，并且在傳導的過程中會出現渦流損耗，進而導致變壓器局部的溫度不斷升高，長時間的過熱情況，會導致變壓器損毀而無法正常工作[2]。

1.2.2 變壓器的噪聲和震動加大

變壓器出現噪聲和震動情況是直流偏磁對變壓器產生的重要影響，噪聲主要是由于變壓器內的勵磁電流增加導致，對周圍居民的正常生活和休息產生了十分不利的影響。和噪聲相比，震動對變壓器產生的損害更加嚴重，噪聲只是對周圍的居民噪聲影響，而持續的高速震動會導致變壓器本身的各種元件出現松動的情況，并且會導致各個元件之間的磨損加劇，最重要的是會導致線圈絕緣磨損嚴重，從而失去絕緣作用，進而導致變壓器出現短路等各種絕緣故障問題，大大降低了變壓器的使用性能，輕則導致變壓器損毀，重則導致大范圍的停電，從而造成巨大的損失和不良的社會影響[3]。

1.2.3 增加了無功功率的消耗

在變壓器發生直流偏磁現象時，就會導致變壓器在高度飽和的狀態下運行，從而使變壓器產生的勵磁電流增加，這樣一來，變壓器就必須要消耗更多的無功功率，從而導致系統內的無功功率補償裝置工作的負荷量加大，出現過載的情況，這不僅對補償裝置產生不利的影響，還會導致系統的電壓下降，情況嚴重的話還會導致整個電網崩潰，導致供電中斷，對人們正常的生產和生活產生嚴重不利的影響[4]。

1.2.4 產生諧波情況

在正常的情況下，變壓器內的勵磁電流正負半波是對稱的，并且只包含奇次諧波，但是在出現直流偏磁之后，變壓器內的勵磁電力正負半波失衡，導致勵磁電流出現單方向極度飽和的情況，這是其中包含的諧波就不再僅僅是奇次諧波了，還出現了偶次諧波，在這種情況下，變壓器就變成了一個諧波源，在交流系統中產生大量的諧波，導致電力系統的電壓波形出現畸形變化，進而導致濾波器工作荷載變大，繼電保護失效，使電力系統出現故障[5]。

2 直流偏磁電流監測技術有關問題分析

變壓器的質量以及使用性能決定了直流偏磁對變壓器影響程度的大小，變壓器鐵芯結構、材料以及磁通密度設計的取值情況不同，直流偏磁對變壓器造成的影響程度就有所不同。另外，出現直流偏磁問題時，變壓器遭到損害的程度還和直流偏磁電流的大小相關，同等規格的變壓器，直流偏磁產生的電流越大，對變壓器造成的損壞就越大。因此，為了更好地掌握直流偏磁電流對變壓器的影響情況，需要對直流偏磁進行電流監測，這樣還有利于掌握變壓器的分布范圍以及產生問題的原因，以便及時采取有效的措施進行處理，保證電力系統供電的可靠性和持續性[6]。

2.1 直流偏磁電流的影響因素分析

當直流輸電系統處于單極大地或者是雙極不平衡運行狀態時，電力系統中變電站原始地表電位以及電網結構和參數的情況直接決定了流經變壓器繞組的直流偏磁電流的大小，進而對變壓器產生不同層次的影響。

在直流輸電系統當中，變電站原始地表電位是直接受直流極所激發的，因此變電站原始電位和直流極的有關方面相關。

目前，我國電力系統變得更加復雜，電力系統多種運行方式并存，從而使電網接線也變得越來越龐大，因此直流偏磁電流在交流輸電系統中分布的情況很大程度上受電網結構以及相關參數的影響。

2.2 應用監測技術選取監測點時需要注意的問題分析

2.2.1 一定要注意地理環境。

地理環境主要包括兩個方面：一是變電站與直流接地極的距離，二是海洋方面的環境因素。

在直流接地極場內和直流接地極場外，地中直流電位變化的情況是不相同的，在直流接地極場外，地中直流電位是隨著距離的不斷增大而下降的，下降的速度先大后小，并隨著距離的不斷增大，電位梯度就開始變得越來越小，并最終趨于一條直線。判斷電流是否侵入變壓器，變電站和直流接地極的距離是一個重要影響因素，同時距離也決定了直流電流的大小。

和山川以及湖泊等相比，海洋的電阻率較低，因此直流偏磁電流的分布情況受海洋的影響較大，而受山川、湖泊等影響較小，所以在相同的距離下，靠近海洋的地表電位相對較低，距離海洋最短的地表電位最高，而兩點之間的地表電位就介于中間。因此，在臨海的地區，在選擇監測點時，需要重點考慮海洋的影響[7]。

2.2.2 電網因素的影響

電網影響因素也是主要包括兩個方面，即變電站和線路相互之間的位置關系以及線路情況。

變電站和線路之間相互位置關系對流經變壓器中性點的直流電流具有重要的影響，如圖1所示。圖1（a）和圖1（b）表示兩種不同變電站和線路位置關系，在圖1（a）中，有一部分電流流入B變電站，也有一部分電流從B變電站流出，這樣相互抵消之后，真正流入變壓器中性點的直流電流就相對比較下。而在圖1（b）當中，其他兩個變電站的直流電流都流入B變電站，從而導致流入B變電站中性點的直流電流較大。

路線狀況主要包括線路長度、回數以及導線的參數。在一般的情況下，線路直流電阻和通過該線路的直流電流是呈現負相關關系的，也就是說電阻越大，直流電流越小。

圖1 變電站和線路相互位置的關系

3 變壓器直流偏磁電流監測技術裝置研究

在對變壓器直流偏磁電流檢測裝置進行設計之前，我們需要了解直流偏磁監測裝置系統的主要構成情況。直流偏磁監測裝置系統主要有三個部分組成，即傳感器、信息處理以及后臺工程師，其中比較重要的一點就是傳感器，直接影響到信息采集的情況，并且由于工作環境的影響對傳感器提出了更高的要求，主要體現在以下幾個方面。

首先，使用的傳感器必須要可以適應惡劣的工作環境，并且測量的精度要高。

其次，傳感器一次側額定電流、輸出電流以及輸出內阻要符合在線監測的要求。

最后，在電力系統出現故障之后，會有大量的電力通過傳感器，而為了保證測量的精度，要保證傳感器在這種情況下可以正常工作[8]。

下面本文對監測裝置的設計就提高了對這幾個問題的重視程度，可以達到很好的測量效果。

所謂的變壓器直流偏磁電流就是一種通過變壓器中性點接地線而流經變壓器繞組的直流電流，因此，如果我們需要計算流經變壓器繞組的直流電流，則可以通過測量變壓器中性點接地線中的直流電流來實現。但是由于變電站高壓場內工作環境比較惡劣，因此需要研制一種高效的變壓器直流偏磁電流檢測裝置。本文筆者試圖設計了一種光電型的監測裝置來滿足實際工作的需要，如圖2所示。

圖2 光電型變壓器直流偏磁電流檢測裝置設計示意圖

由設計圖可以看出本文設計的直流電流檢測裝置主要分為測量部分、信號接收部分以及能量供給的部分。變壓器中性點接地線的附近就是測量部分，而信號接收部分和能量供給部分主要在變電站的控制室之內，利用光釬將兩個部分進行連接。為了提高測量的效率和質量，我們在測量部分安裝了霍爾傳感器，將收集到的電流磁場經過一系列的處理傳送到CPU處理器上，處理器會對接收到的信號進行數據轉化、濾波等處理，接著將輸出的信號通過驅動電路和光釬發送模塊發送到變電站的控制室，最終發送到控制室的信號類型為光信號，控制室的信號接收部門和能量供給部分會對接受到的信號進行有效的處理，從而得到測量的結果。這種設計方案具有很大的優越性，它實現了高壓場內設備和控制室設備的完全隔離，減少了各種不利的信號干擾，有利于提高測量的精確性和可靠性。

4 結論

總而言之，隨著我國對直流輸電系統投資規模的不斷擴大，直流輸電系統應用的范圍越來越廣，從而導致出現變壓器直流偏磁問題，對變壓器造成嚴重的損壞，影響供電的質量，從而對人們的正常生產和生活造成不利的影響。因此，為了提高變壓器運行的穩定性、可靠性和安全性，電力單位一定要提高對變壓器直流偏磁電力監測技術應用研究問題的重視程度，采取有效的措施提高電流檢測技術應用的水平，并不斷研制新型的變壓器直流偏磁電流檢測裝置，從而提高電流監測的精確度，以便對變壓器分布和損毀的情況及時進行掌握，及時采取措施進行解決，保證變壓器正常、穩定、安全運行。

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[3]魯海亮，文習山，藍磊，等.變壓器直流偏磁對無功補償電容器的影響[J].高電壓技術，2010（5）：1124-1130.

[4]王翔，郝瑞祥，王劍，等.變壓器直流偏磁對光伏并網逆變器的影響及抑制方法[J].電工技術學報，2013（12）：237-244.

[5]王振浩，佟昕，齊偉夫，等.電容隔直可控開斷橋法抑制變壓器直流偏磁[J].電工技術學報，2013（10）：120-126.

[6]董霞，劉志珍.三相變壓器直流偏磁仿真分析[J].電力自動化設備，2013（7）：121-125.

[7]張露，阮羚，潘卓洪，等.變壓器直流偏磁抑制設備的應用分析[J].電力自動化設備，2013（9）：151-156.

[8]趙小軍，張曉欣，李慧奇，等.基于諧波平衡法的變壓器直流偏磁電路-磁路頻域耦合模型[J].電工技術學報，2014（9）：211-218.

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1674-6708（2015）149-0094-03

王建波，長期從事集控運行的研究和技術管理工作