變壓器直流偏磁現象研究綜述

陳英慧 商淼 高紅艷

摘 要：太陽風暴引起的地磁電流和高壓直流輸電對變壓器產生了“直流入侵”，使得變壓器產生了直流偏磁現象。直流偏磁現象對變壓器和電網的運行有諸多不利的影響。本文總結和歸納了直流偏磁的研究方法、研究思路和抑制措施，集中的展示了現有的研究方法，提出了研究中的不足和未來需要努力的方向，為直流偏磁的研究奠定了一定的基礎。

關鍵詞：變壓器；直流偏磁；抑制；研究方法；綜述

1 概述

變壓器直流偏磁現象是直流輸電的直流或者太陽風暴產生的地磁感應電流（GIC）通過變壓器的中性點進入變壓器。變壓器受到直流或者準直流的“入侵”，其勵磁電流在半個周期內過于飽和，而在另外半個周期內嚴重不飽和，出現了上下半波嚴重不對稱的情況。近年來隨著高壓直流輸電（HVDC）的建設，單極大地運行方式的直流輸電系統會對周圍的變電站的變壓器造成影響，從而使得變壓器的直流偏磁現象顯著增多。

直流偏磁會對變壓器運行造成一系列不利的影響。直流偏磁會使變壓器勵磁電流畸變，相關諧波增加，無功損耗增大。會造成變壓器的渦流損耗增大，溫度升高，造成變壓器局部過熱。由于直流偏磁造成變壓器的漏磁通的增大，使得變壓器繞組的電動力變大，進而導致變壓器振動增大。振動的增大也會導致變壓器噪聲的增加。變壓器的直流偏磁現象會導致電力系統的繼電保護設備誤動作，甚至會造成大面積停電事故，對電網的安全運行產生極其不利的影響。[1-3]

本文對直流偏磁現象的研究方法給出了全面的闡述，引述了直流偏磁分析的主流的分析方法，并對上述分析方法進行了說明和比較。同時，對現有的變壓器直流偏磁現象抑制方法給出了較為完整的介紹和歸類，對今后直流偏磁現象的研究具有一定的指導意義，為直流偏磁現象的研究和抑制奠定了基礎。

2 研究現狀

直流偏磁的研究主要方向有：①變壓器勵磁電流及其諧波的計算；②溫升、噪聲、振動的計算；③直流偏磁的抑制方法和措施。

2.1 直流偏磁勵磁電流及其諧波的計算

直流偏磁勵磁電流及其諧波的計算的研究方法主要分為以下幾類：①有限元方法；②電路-磁路耦合方法；③電路-磁場耦合方法。

2.1.1 有限元分析[4，5]：電路-磁場耦合的分析方法是以端口電壓作為已知變量，以磁矢量和勵磁電流同時作為待求得變量，將電路方程和磁場方程聯立進行求解的一種方法。[4]文[4]使用諧波平衡有限元的方法，同時對勵磁電流和變壓器中的磁場進行求解。諧波平衡有限元法，計算精度較高，但原理復雜，占用資源較多。文[5]基于棱邊有限元的方法計算了變壓器內部的磁場分布，并計算了直流電流從變壓器不同側注入的勵磁電流。

2.1.2 電路-磁路耦合分析，該方法是將變壓器等效成相對應的電路和磁路模型，通過聯立電路磁路方程，求解變壓器的勵磁電流，進而分析勵磁電流中的諧波成分。這種方法相對于磁場的研究方法更為簡單，但是受限于B-H曲線的擬合，對于勵磁電流的計算有一些誤差。文[6]在電路-磁路耦合分析方法的基礎上改進了磁路中的磁阻，考慮了渦流效應，同時也建立了氣隙的磁路模型。文[7]考慮了變壓器漏磁場和磁滯效應，改進了電路-磁路耦合分析方法，更好地體現了變壓器勵磁電流的畸變。文[8]建立了三相三柱式變壓器的電路磁路耦合模型，通過J-A理論擬合變壓器的磁滯回線，研究了變壓器的勵磁電流及其諧波的特征，提高了電路-磁路耦合模型的計算精度。

2.1.3 上述電路-磁路耦合分析方法和電路-磁場耦合分析方法受制于變壓器磁滯回線擬合，以及變壓器磁滯回線本身極易受到的直流的影響，如何能更準確的描述磁滯回線成為了關鍵。文[9]使用人工魚群和蛙跳的算法來擬合磁滯回線的參數取得了較好的效果。文[10]從能量平衡的角度出發，同時考慮了變壓器的渦流損耗和其它的異常損耗建立的變壓器的磁滯的動態損耗模型。該模型能夠很好的反映直流偏磁下的變壓器的磁滯損耗。

2.2 溫升、噪聲、振動的計算

變壓器受直流偏磁影響，半個周期內工作在過于飽和狀態，此時漏磁場比正常工作狀態大很多，漏磁場在金屬構件中形成渦流損耗，造成變壓器局部過熱。直流偏磁情況下，變壓器磁滯伸縮過大，變壓器漏磁場造成變壓器鐵心的電動力過大使得變壓器溫升和噪聲增大。文[11]計算了不同直流偏磁情況下的漏磁場的分布和雜散損耗。文[12]通過測量不同磁通密度情況下的磁滯曲線族，應用平均磁滯曲線來研究變壓器的磁致伸縮特性，并且將其應用到變壓器的振動有限元的計算上。文[13]利用能量守恒的原理，分析了變壓器直流偏磁情況下的磁滯變化情況和振動特性。

2.3 直流偏磁現象的抑制

變壓器直流偏磁的抑制方法，主要有反向注入電流法，施加反向電壓，中性點串聯電阻，中性點串聯電容的方法。同時，優化電網的連接方式也是抑制變壓器直流偏磁現象的一種很好的方法。

文[14]通過變壓器噪聲的限值確定了變壓器直流通過的限值，通過研究提出了兩臺變壓器同時接地時抑制直流偏磁的一個非常有效的辦法。文[15]通過補償直流偏磁，在存在電位差的兩地通過提高或者降低某地的地網電位，進而降低兩地的電位差達到抑制直流偏磁的目的，并且通過實驗驗證了電位補償法對于直流偏磁抑制有很好的效果。文[16]研究了復雜工況下的直流偏磁的抑制方法，通過比較不同的直流偏磁的抑制方法，提出了使用反向注入電流的方法來抵消直流偏磁的磁勢，達到了很好的抑制直流偏磁的效果。文[17]通過使用電容和電阻組成直流抑制的設備，通過分析220kV下的故障電流，提出了采用降低阻容來抑制工頻的交流阻抗，達到抑制直流偏磁的目的。

3 結論

變壓器直流偏磁現象的研究不足：①大型變壓器的直流偏磁的研究和抑制方法不足。②對變壓器直流偏磁的溫升、噪聲、振動的理論性研究不足，還沒有文獻給出一個理論上研究溫升、噪聲、振動的方法。③行業當中缺少一個變壓器耐受直流偏磁和相關試驗的一個標準，缺乏相關的實驗和數據，并且基于溫度、振動的研究，給出一個變壓器耐受直流偏磁能力的分析的相關研究很少。對注入的直流的限值、抑制的方法還未達成相關的共識。

變壓器直流偏磁現象研究取得的成就：①變壓器的直流偏磁現象會對變壓器本身和附近的電網帶來一定的危害，關于變壓器的直流偏磁現象已經引起了變壓器制造公司、電網等相關單位的高度重視。

②變壓器直流偏磁現象的研究，研究方法集中在有限元的分析和實驗的研究，變壓器直流偏磁現象屬于一個渦旋場的問題，同時還涉及到鐵心的磁滯損耗，對于直流偏磁現象的上述的情況有越來越多的機構和單位注意到了相關的問題，并提出了相關的計算模型。

③變壓器的直流偏磁現象可以通過不同的方法進行抑制，同時也可以改變電力系統的運行方式來降低直流偏磁對變壓器的影響。

參考文獻：

[1]姚纓英.大型電力變壓器直流偏磁現象的研究[D].沈陽工業大學電力系，2000.

[2]馬玉龍.高壓直流輸電系統穩定性分析[D].華北電力大學電力系，2006.

[3]王倩.直流輸電及磁暴引起的變壓器直流問題的分析[M].華北電力大學電力系，2006.

[4]趙小軍，李琳，等.應用諧波平衡有限元法的變壓器直流偏磁現象的分析[J].中國電機工程學報，2010，30（21）：103-108.

[5]潘超，王澤忠，等.基于瞬態場路耦合模型的變壓器直流偏磁計算[J].電工技術學報，2013，28（5）：174-181.

[6]李泓志，崔翔，等.大型電力變壓器直流偏磁分析的磁路建模與應用[J].高電壓技術，2010，36（4）：1068-1076.

[7]胡洋，李慧奇.基于實驗的變壓器直流偏磁特性分析[J].電氣技術，2014，34（11）：58-61.

[8]張龍偉，吳廣寧.基于Jiles-Atherton 磁滯理論三相三柱變壓器直流偏磁的電磁混合模型[J].華東電力，2013，41（4）：741-743.

[9]耿超，王豐華，等.基于人工魚群與蛙跳混合算法的變壓器Jiles-Atherton模型參數識別[J].中國電機工程學報，2015，35（18）：4799-4807.

[10]曹林，何金良，張波.直流偏磁狀態下電力變壓器鐵芯動態磁滯損耗模型及驗證[J].中國電機工程學報，2008，28（24）：141-146.

[11]趙志剛，程志光，等.基于漏磁通補償的導磁鋼板直流偏磁雜散損耗特性模擬[J].電工技術學報，2015，30（8）：38-44.

[12]王佳音，白保東，等.直流偏磁對變壓器振動噪聲的影響[J].電工技術學報，2015，30（8）：56-61.

[13]高沛，王豐華，等.直流偏磁下電力變壓器的振動特性[J].電網技術，2014，38（6）：1536-1541.

[14]劉鵬，郭倩雯，等.抗直流偏磁的變壓器中性點接地方式探討[J].高電壓技術，2015，41（3），794-799.

[15]杜忠東，董曉輝，等.直流電位補償法抑制變壓器直流偏磁的研究[J].高電壓技術，2006，32（8）：69-72.

[16]全江濤，童歆，等.復雜運行工況下變壓器直流偏磁的抑制[J].高電壓技術，2015，41（7）：2464-2472.

[17]梅桂華，梁文進，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.

基金項目：

中央高校基本科研業務費專項資金（2014MS158）。