淺析500kV變壓器直流偏磁產生原因及抑制措施

摘 要：在當前直流輸電系統迅猛發展形勢下，輸電容量持續增長，輸電距離日益增加，直流偏磁變電站500主變壓器的影響也在持續惡化。文章在闡述了500kV變壓器直流偏磁產生原因和機制的基礎上，對500kV變壓器直流偏磁潛在威脅和抑制措施進行了分析。

關鍵詞：500kV變壓器；直流偏磁；影響；措施

1 概述

電力系統中直流輸電系統以輸送容量大、距離長、損耗小等優點在國內得到廣泛實施。但是，當直流輸電系統產生故障或事故時，直流輸電系統將會按照大地回流方式（包括單極大地回線方式及雙極不平衡方式）運行，甚至會有高達數千安的直流電流流過的可能，在直流輸電系統產生故障的交流電網中，就會存在直流電流從接地的中性點流入500kV變壓器后，繼續經由輸電線路輸送向遠方，給500kV變壓器本身和交流電網系統的安全穩定運行造成惡劣影響[1]。

2 500kV變壓器直流偏磁產生原因解析

500kV電力變壓器的磁動勢和磁通出現直流分量導致變壓器鐵心半周磁飽和，以及由此引起的一系列電磁效應的現象稱為“直流偏磁”。由于500kV電力變壓器的原邊等效阻抗對直流分量僅表現出電阻性質，而且很小。由此就導致了微小的直流分量就會在電力繞組中形成較大的直流激磁磁勢，并與交流磁勢一起作用于500kV電力變壓器原邊，導致500kV電力變壓器鐵心的工作磁化曲線發生明顯偏移，出現關于原點不對稱，即變壓器偏磁現象。

以下兩種原因可能會引起在線運行的500kV電力變壓器繞組內產生較大的直流原因：

2.1 太陽活動產生的地磁“風暴”

地磁場與太陽等離子風的活動相互影響產生地磁“風暴”，地球表面將由于地磁場的活動產生電位梯度，地磁風暴及地面電導率的嚴重程度決定了其大小，當中性點接地的500kV電力變壓器時受到低頻、具有一定持續時間的電場作用時，就會產生頻率在0.01～1Hz之間的地磁感應電流（可近似看成直流）。它持續時間短，但值較大。

2.2 單極運行方式

交流與直流輸電線路的并行運行和交流網絡中存在的不對稱的負載。由于可以利用大地作為導體，省去一根導線的成本，所以直流輸電系統中單極運行方式較為普遍。但是，如果換流站距離交流輸電系統變電站中的500kV電力變壓器不遠，加之地下長期有大的直流電流而在其換流站周圍一定區域中會產生地表電流，就會與其并行運行的500kV電力變壓器產生干擾，導致通過500kV電力交流變壓器的接地中性點在500kV電力交流變壓器的勵磁電流中產生直流分量。它持續時間較長，但值較小。

3 直流偏磁對變壓器產生的危害

3.1 500kV電力變壓器噪聲和振動加劇

當500kV電力變壓器發生直流偏磁時，由于變壓器磁滯伸縮，導致變壓器鐵心的伸縮，進一步造成噪聲增大，其噪聲包含的諧波分量中某一分量與變壓器構件發生共振時，噪聲將進一步加劇，就會產生變壓器內部絕緣受損和零件松動的危險，出現不同程度的鐵心柱彎曲、鐵心綁帶松脫等嚴重問題。特別是當兩臺500kV電力變壓器鐵心柱嚴重彎曲和鐵心片疊片串片時，造成繞組內部短路，就只能返廠維修。同時從環境保護角度考慮，當500kV電力變壓器噪音過大，會引起變電站周圍社區群眾抱怨、恐慌等惡劣社會影響。

3.2 電壓波形發生畸變

500kV電力變壓器鐵心發生直流偏磁嚴重時鐵心可能工作在飽和區，導致變壓器漏磁通增加，進一步造成電壓波形發生畸變。

3.3 產生諧波，引發爆炸事故

500kV電力變壓器正負半波對稱的周期性勵磁電流中應該只包含奇次諧波，但是在直流偏磁的作用的下，導致半波深度飽和的變壓器勵磁電流中出現了偶次諧波分量。此時，500kV電力變壓器成了交流系統中的諧波源，嚴重威脅電補償電容器組的安全穩定運行，同時由于諧波電流嚴重超標，還有可能造成爆炸事故[2]。

3.4 500kV電力變壓器無功損耗增加

當直流偏磁引起變壓器發生飽和現象，勵磁電流將會大幅增加，使500kV電力變壓器無功損耗明顯增加，它可造成電力系統電壓下降，嚴重時可致使整個電網崩潰。

3.5 繼電保護系統故障

500kV電力變壓器直流偏磁會導致波形嚴重畸變，畸變率較大，會造成部分或全部繼電保護裝置不能正確實時動作，其產生的3、6、9次等諧波很大程度上會造成零序電壓或零序電流啟動的繼電保護裝置誤動。

4 直流偏磁抑制措施

近年來，已經展開眾多圍繞超高壓直流輸電系統單極大地回路運行時產生的大地電流對交流電網中性點接地變壓器的影響方面的研究，其中包括500kV電力變壓器直流偏磁研究和大地電流對交流電網影響計算方法以及限制變壓器中性點直流電流方法和工程應用的研究。

與此同時在線監測變壓器直流偏磁技術及方法也取得較大進展，采用電測法原理，在不改變原設備接線的情況下，在500kV電力變壓器中性點接地引出線處選擇信號取樣點，直接測量并顯示出變壓器運行狀態下的直流電流值的大小及方向。為運行人員掌握500kV電力變壓器直流偏磁狀況及采取相應措施提供重要依據，能有效起到故障早期預報作用[3]。

目前抑制500kV電力變壓器直流偏磁的措施主要有以下三種：

4.1 中性點串電容

此方法的實現思路是在變壓器中性點串入電容、火花間隙（或大功率晶閘管）和旁路開關并聯體，實現阻隔大地直流回流的目的，但存在使其他中性點的直流電流增大的風險[3]。我們在實際施工中也發現，為消除某臺變壓器的直流偏磁而不得已斷開接地，但卻造成了其他變電站的變壓器中性點直流電流增大導致其他變壓器產生了直流偏磁。

4.2 反方向注入電流法

在變壓器中產生反方向的直流電流來抵消或減弱地中直流流入變壓器產生的偏磁。目前技術水平下，反方向注入電流法僅僅在電流超標的變電站中應用，反方向注入電流法的實際效果還有待進一步研究論證。

4.3 中性點串接小電阻方案

通過在中性點和地網之間串入一個阻值較小的電阻使得中性點流入的直流電流顯著減小，達到工程實際中可以接受的程度，通過直流電流的分布實現減小中性點電流的超標程度并達到抑制直流偏磁的目的[4]。同時產生的一個問題是，接地電阻如何選取以及本地接地電阻對其它變壓器的接地電流有何影響，此方面還有待我們進一步討論研究。

目前，以上所述三種方法都已通過工程的有效性檢驗，但是相關裝置還繼續經受電力系統運行的考驗，電網用戶通常還需要對不同方法進行反復比較，決定取舍，選擇最為合適、合理的方法。由于直流電流或者準直流電流都是在中性點接地變壓器，輸電線路和大地構成的回路中流動，因此，我們應當采取合理的手段阻止或隔絕流入500kV電力變壓器繞組中的直流電流，能夠抑制變壓器直流偏磁的影響，對保障電網安全穩定運行具有重要意義。

5 結束語

綜合文章所述，直流偏磁對500kV電力變壓器和電網的安全穩定運行具有重大影響。因此，在進行主變壓器設計生產前，設計人員應對500kV電力變壓器周圍的直流系統接地極地理位置、電氣距離等關鍵因素進行詳細研究論證，并且對直流回路路徑上大地回流的影響進一步加強研究，在500kV電力變壓器設計選取磁通時應盡量為可能發生的偏磁影響留有余地，將直流偏磁對電網安全穩定運行的威脅程度降到最低。

參考文獻

[1]李鴻志，崔翔，劉東升，等.直流偏磁對三相電力變壓器的影響[J].電工技術學報，2010（05）：88-96.

[2]劉連光.磁暴對中國電網的影響[J].電網與水力發電進展，2008，24（5）：1-6.

[3]馬為民.換流變壓器中直流偏磁電流的計算[J].高電壓技術，2004：48-49.

[4]劉連光，劉春明，張冰.500kV輸電線路的GIC對我國電網影響實例分析[A].2007年中國電機工程學會年會[C].