變壓器中性點直流電流影響及抑制措施

陳賢

摘 要：高壓直流輸電單極大地回路運行產生的地電流流過變壓器中性點，會導致變壓器直流偏磁，引起變壓器局部過熱、振動加劇、噪聲增大等不良反應。本文主要針對變壓器中性點中直流電流的影響作出研究與分析，并介紹了幾種抑制措施。

關鍵詞：變壓器；中性點；直流電流；影響；措施

隨著我國電力行業的迅速發展，大容量、長距離的高壓直流輸電成為解決現代電力需求矛盾的主要辦法。在直流電雙極不平衡方式或者單級大地回路方式運行時，在大地中經常會出現電流過大的現象，這種現象會對系統造成嚴重影響，尤其是會出現變壓器直流偏磁，這會大大增加變壓器的功率消耗，對變壓器正常運行也有著巨大的影響，從而導致保護措施誤判現象，這時候會出現諧波升高，會導致電氣設備出現一些運行不正常現象。從而直接影響到變電站、發電廠的安全運行[1]。因此，由直流電流引起的變壓器直流偏磁成為電力系統急需研究解決的問題。

1 變壓器中性點直流電流的形成與影響

在我國高壓直流輸電的幾乎都是雙極中性點單端接地方式的系統。雖然正常運行時兩極電流相等，地回路中的電流為零，但是只要是運行過程中兩極的電流不相等（采用單極運行、雙極電壓對稱電流不對稱或者雙極電流電壓均不對稱方式運行），接地極都會有電流流過，在直流輸電線路和大地間形成回路。在我國，110kV及以上電壓等級系統中性點采取直接接地。如果出于不同地點的變電站的中性點電位被不同程度的抬高，則直流電流將通過大地和交流線路，由一個變壓器中性點流入，在另一個變壓器中性點流出[2]。其中流經兩臺中性點接地的變壓器的直流電流分量，這主要在于變壓器所在的電位，還電站的電阻等多種因素，當直流電流不斷增大，流過了變壓器達到一定程度的時候，就會出現鐵芯磁飽和的現象，這會對電流流動的時候出現畸變，這是導致變壓器發生偏磁原因之一。大陸有很多直流輸電接地極額定電流超過3KA，這會影響周邊附近一些變壓器的正常工作。

變壓器中性點流入直流電流時，這會產生如圖1所示情況，直流偏磁的勵磁特性曲線具體情況。圖1（a）的曲線主要是鐵芯磁通曲線，圖1（b）為變壓器磁化曲線，圖1（c）為勵磁電流曲線。從圖中可以看出，直流分量是繞道而行的，并不是直接通過電阻進行的，勵磁電流波形將會發生嚴重畸變，且畸變程度會隨著鐵芯飽和程度的加深而愈發嚴重[3，4]。

2 變壓器中性點直流電流的解決措施

國內外都做了很多關于抑制變壓器中性點電流的研究。為了抑制地中電流從變壓器中性點流入而對壓器造成危害，提出了在變壓器中性點與地網之間增加防范措施，其思路大致有三種：一是在變壓器中性點串入電容，利用電容的隔直特性使得直流無法流入；二是在變壓器中經常會出現反方向的一些直流電流，這種電流會對弱地中的一些電腦變壓器產生一定的偏磁現象，三是能夠在變壓器中串聯一些阻值比較小的電阻，把中性點流入的直流限制到工程上可以接受的程度。目前國內外電力系統中有些變電站的變壓器中性點上已裝上了反方向注入電流裝置和電容隔直裝置。

2.1 主變壓器中性點裝設電容隔直裝置

電容隔直裝置的組成結構如圖2所示。本裝置主要由電容器、機械旁路開關和快速旁路回路三者并聯組成，接于變壓器中性點和地之間。在沒有直流電流流經變壓器中性點時，機械旁路開關為合上位置。當檢測到流經變壓器中性點的直流電流超過限值時，機械旁路開關自動斷開，將電容器串入變壓器中性點與地網之間，利用電容“隔直通交”的特點，有效隔斷流過變壓器中性線的直流電流。一旦檢測到流經變壓器中性點的交流電流超過限值或者電容器組兩端電壓超限時，裝置控制器即判斷為交流電網發生不對稱短路故障，晶閘管立即觸發導通，同時機械旁路開關轉為合上位置，保證變壓器中性點可靠接地。電容隔直裝置的優點是為無源方式，安全性較高，隔直效率高，對系統繼電保護的影響很小，與直流注入法比較，運行維護方便。

2.2 反方向注入電流法

反方向注入電流法是指在變壓器中產生反方向的直流電流，以抵消或削弱地中直流流入變壓器產生的偏磁，反向直流電源一般放置在變電站里的主要接地網和遠方接地極內，主要檢測流經變壓器中性點的電流值及方向，從而得出具體數據與資料，控制直流電源的輸出和和它相像的反向直流電，使流經電壓器中性點的電流值得到減小。反向直流電源中限制流電抗器的主要作用是讓交流電網側的差異與不對稱的短路電流流經該裝置時下降，主要以遠方地極提供裝置輸出的直流電作為返回的方式。反向直流電源還有很強的監控功能，安裝過程和運轉非常方便簡單。但在使用反向直流電源的裝置時還要考慮到一系列問題，比如說交流電壓對直流電源的影響以及直流電源需要使用什么補償效率等等問題。反向直流電源裝置示意如圖3所示[6]。

2.3 中性點串聯電阻

中性點串聯電阻即在變壓器中性點和地之間串入一定阻值的電阻，這可以讓一些中性點處的電流減小，最后減小到工程項目中可以完全接受的程度，如圖4所示[7]。在串聯電阻當中我們可以將直流電腦的分布進行合理改變，這樣改變是可以將電流的超標程度進行減小，最終的目的就是達到偏磁的目的。電阻串入的同時，變壓器中性點對地電位也隨之升高。因此，串聯電阻值是很低的，但是具備很大容量的特點，一般來說也就具有幾個簡單的歐姆。另外，變壓器中的絕緣能力也經過一些工作人員進行了核算。中性點串聯電阻最大的好處就是有效改變了系統的阻抗能力，所以，自動化裝置需要保護，也需要重新核算。

3 結語

高壓直流輸電單極大地回路運行產生的地電流會導致變壓器直流偏磁，干擾變壓器的安全穩定運行。目前抑制流入變壓器中性點的直流量相關措施的研究主要有3種，即串接電容、注入電流法、串接電阻。電力企業在選擇接地極址時，應論證直流接地極電流是否對交流電力變壓器產生磁飽和影響，并應根據系統的運行方式采取適當的抑制措施，限制變壓器中性點的直流水平。本文對電力企業的發展具有指導性意義，增強了電力企業解決實際問題的能力，讓企業得到更快、更好的發展。

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