交流電網整流變引起的直流偏磁機理與實驗分析

劉明軍 程 臣 趙克江 張作鵬 陳正宇

（國網重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039）

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交流電網整流變引起的直流偏磁機理與實驗分析

劉明軍 程 臣 趙克江 張作鵬 陳正宇

（國網重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039）

電力變壓器中出現直流偏磁現象不容忽視，根據沒有直流輸電線路的重慶電網出現直流偏磁現象的情況，結合重慶地區供電格局、負載情況，針對該直流偏磁引起的原因進行了研究。分析了整流變壓器在工作過程中因換流閥觸發不平衡，交流側正序二次諧波等原因產生直流并流入電網，對電網中其他變電站造成直流偏磁的影響。采用相應措施，針對變壓器的直流偏磁進行實測，論證了整流變壓器對交流電網產生直流偏磁影響的現象，并獲得其主要特征。

整流變壓器；直流偏磁；觸發角；中性點

變壓器的直流偏磁指變壓器繞組中出現了直流分量，使鐵心中出現直流磁勢和直流磁通，使變壓器損耗增加，震動噪聲加劇，產生大量諧波危害電網。

重慶電網多臺變壓器出現了直流偏磁現象，并且在負荷較小的情況下變壓器噪聲異常嚴重。重慶地區沒有直流輸電接地極，且直流接地極僅在直流線路檢修期間才產生直流入地的情況，其引起的主變中性點直流分量是較為穩定的電流，可排除直流輸電線路接地極引起的變壓器直流偏磁；同時地磁暴引發直流偏磁現象具有偶然性，而檢測數據顯示直流分量持續產生，因此地磁影響也可以排除。

再考慮重慶軌道交通雜散電流的影響。重慶軌道交通是通過鐵軌構成直流回路，鐵軌對地有絕緣，且有一套監測絕緣狀況以及雜散電流的保護裝置，因此也可排除軌道交通直流雜散電流對變壓器的影響[1-9]。

經調查，重慶公司220kV電網系統中有九個變電站對220kV牽引站和鋁廠供電，這些企業均有整流設備，當整流設備工作時，將產生較大直流電流，其中一部分直流電流注入 220kV電網系統，由于220kV電網系統中輸電線路直流電阻、主變容量大小和土壤電阻率等差異，使得系統中各220kV主變中性點接地直流分量也存在差異。所以產生高九路變電站直流偏磁的情況[2]。

1　整流變壓器交流側直流產生機理

1.1整流變壓器

整流變壓器在電化學處理過程（如電解和電鍍）及大功率直流牽引等領域得到了廣泛應用。電解行業的整流系統主要由整流變壓器、整流柜、濾波器等裝置組成。目前在各種整流電路中，應用最廣泛的是三相橋式整流電路。城市軌道交通中一般采用十二脈波或二十四脈波整流[3]。輸出為 750V 或1500V。然而，由于整流系統的強非線性和時變性，系統在工作過程中會在交流側產生大量高次諧波和較強的直流分量。對電網會造成諧波污染和直流偏磁現象[4]。在此針對實際情況，對電解工業整流變壓器和直流牽引電機的牽引變壓器進行分析。研究其結構、工作方式，進而得出兩種整流變壓器產生直流的原因。

1.2觸發角不平衡產生直流

以現在軌道交通和電解工業使用最廣泛的三相整流變壓器為分析對象，分析其產生直流的機理。三相橋式整流電路由網側繞組、閥側繞組、整流橋構成。圖1是其電路工作原理，正常工作情況下，每個晶閘管的觸發角為60°。電流波形如圖2所示。

圖1　三相橋式整流電路

圖2　三相橋式整流電路電流波形圖

理想情況下，同一閥橋中的所有閥應具有相同的觸發角。此時，換流變壓器單相繞組中的電流波形見圖 3（a），從圖中可以看到，正、負半周電流幅值相等，導通時問相同，電流一時間面積相等[6]。但在實際工程中，這種絕對的一致很難被長久保持，多種原因會導致同一閥橋中各閥的觸發角彼此不平衡。此時，換流變壓器單相繞組中的電流可能會出現圖3（b）所示的波形從圖中可以看出，此時，正、負半周電流導通時間長度不再相等。雖然電流的幅值相等，但正、負半周電流一時間面積已不相等，對稱軸相對于原來的位置發生了偏移，出現了一個等效直流電流分量。若工作電流幅值原來是I，正負半周對稱，現假設整流橋觸發角偏差0.1°，由此產生的等效直流為工作電流的0.3‰，一般情況下工作電流為幾千到幾百千安，因此網側最大能產生幾十安的直流分量。即變電站也有幾乎相等大小的直流流過變壓器繞組。根據相關標準一般認為Indc小于交流額定有效值相電流的0.7%時可接受。ABB公司作為三峽直流輸電工程的系統總包單位認為，Indc可取額定電流1%。而高壓變壓器中流過的交流量也在數十安培，所以由以上原因產生的直流量級別遠遠超出允許范圍，會給變壓器造成非常嚴重的直流偏磁影響[5]。

圖3　不平衡觸發角產生的等效直流電流

1.3交流側母線正序二次諧波電壓

直流輸電系統經常是與交流輸電系統通過換流站聯合在一起運行的（同址共建），而交、直流輸電系統之間的相互作用也會在換流變壓器中引入直流電流分量、如換流站直流側的基頻電流會在交流側產生直流電流，換流站交流側的正序二次諧波電壓經過直流側的反饋，最終也會在交流側產生一個直流電流[7]。

換流閥的循環導通與關斷不僅會影響電流的波形，還會影響電壓的波形。在換流閥這一特性的作用下，換流站交流母線中的正序二次諧波電壓會在換流變壓器網側繞組產生直流電流分量[8]。正序二次諧波電壓產生的直流電流流程如圖4所示。

交流母線中的正序二次諧波電壓經過換流閥的開關動作后，以基頻電壓的形式出現在直流側。此基頻電壓作用在直流側的基頻阻抗上，產生基頻電壓。由于換流閥是循環導通的，而諧波電流是連續的，結果導致直流側的諧波電流會以其他的頻率形式在換流變壓器各相網側繞組中出現[10]。其中有兩類頻率的諧波電流分量較強，即網側基頻及直流側諧波頻率的和與差。經過換流閥的開關動作后，直流側的這一基頻電流會以一個正序二次諧波電流和一個直流電流的形式出現在換流變壓器的網側繞組中。

圖4　正序二次諧波電壓產生的直流電流流程圖

2　直流電流在電網中的傳播

當直流電流從整流變壓器流入電網，經過輸電線路，流入變電站變壓器繞組線圈，使變壓器產生直流偏磁現象。按照等效定律，可將輸電網絡看成純電阻的直流通路，從而可以，按照線路參數獲得電網等效電阻模型，計算直流在電網中各變壓器的中性接地線的大小[11]。

另外一方面，該直流分量也可以通過高壓側和低壓側公共接地網絡從一側中性點流入另一側中性點，引發更嚴重的直流偏磁危害。

具體的電阻網絡波形和電路的傳播在此不做詳細的分析。

3　直流測量實驗

為了驗證之前的理論推導，證實這種直流偏磁現象的存在，進行了實驗測量，分別采用電流表和傳感器+示波器等測量方法進行實地測量。

3.1直流分量的離散測量

對高九路變電站220kV側中性點直流分量的測量使用測試儀器FLUKE318交直流測試鉗表，測量結果去掉耦合的交流分量。每隔一分鐘記錄一次讀數，共記錄3h內的180個讀數點，繪制高壓側中性點直流分量圖。

如圖 5所示，220kV（高壓側）中性點直流分量測試期間幅值不斷變化，最大值10.6A且電流方向交替變換，反方向最大值6.4A，交流電流1.9A。測試期間該主變噪聲也隨直流分量幅值變化呈高低起伏狀。進一步分析主變壓器220kV側中性點直流分量的特點，可以看出，該直流分量大小不斷變化且長時間存在，其頻率較低，可以推測這種現象可能是由于負載變化的工作狀態使整流變壓器產生變化的直流，從而影響高九路變電站主變壓器[12]。

圖5　主變高壓側中性點接地電流錄波

3.2電流連續波形測量

對主變中性點電流波形的測量：使用測量儀器為泰克TDS3012C示波器，配套的電流探頭型號為TCPA300+TCP303。將示波器探頭置于主變壓器中性接地線，設置示波器橫坐標 10ms/div，縱坐標100mv/div。測量結果如下。

高九路#1主變110kV側中性點接地電流含有大量諧波（圖6、圖7），不存在直流分量，47次、49次諧波含量較大，其次是 150～600Hz頻率區間的諧波含量較多，中性點直流分量為 0，交流電流0.22A，在噪聲上升時（圖7），2500Hz頻率內的諧波整體上升，且12次諧波上升最為明顯。

圖6　高九路#1主變110kV側中性點接地電流波形圖（噪聲下降時）

圖7　高九路#1主變110kV側中性點接地電流波形圖（噪聲上升時）

高九路#1主變220kV側中性點接地電流含有大量諧波（圖8、圖9），且存在直流分量，噪聲降低時諧波含量集中在650Hz頻率范圍內（圖8），噪聲上升時諧波含量集中在2500Hz頻率范圍內（圖9），且諧波含量整體升高，其中650Hz頻率范圍內諧波上升最為明顯。分析其直流分量，直流分量波動范圍較大，正向最大16A，反向最大30A左右。波動無規律，頻率較低大致在0.05HZ到0.2Hz。220kV側直流分量產生的影響嚴重。

圖8　高九路#1主變220kV側中性點接地電流波形圖（噪聲降低時）

圖9　高九路#1主變220kV側中性點接地電流波形圖（噪聲上升時）

圖10　高九路#1主變220kV側中性點接地電流直流分量

3.3噪聲測試

經過測試發現：高九路1#主變（中性點接地）周圍噪聲異常。在噪聲異常的1#主變周圍一周選取了13個點進行測試，每個點分別測試了噪聲的最大值和最小值（即每個測點進行2次測試）[13]。測得1#主變周圍噪聲較大時的單個測點最大等效聲級為91.4dB，噪聲較小時的單個測點最小等效聲級為67.9dB，最大值和最小值相差達20dB以上。2#主變（中性點未接地）周圍噪聲沒有出現忽大忽小的異常現象，每個測點只進行一次測試。測得2#主變周圍單個測點最大等效聲級為71.1dB：單個測點最小等效聲級為62.8dB，最大值和最小值相差10dB以內。可以得出，隨著直流分量的較大波動，噪聲和震動出現基本同步的變化規律，中性點直流小的噪聲較小，且最大值和最小值相差小，直流分量大的，噪聲變化也大。

由以上測試結果分析可得整流變壓器產生的直流偏磁有以下特點[14-15]。

（1）頻率很低：由測試可以看出，直流分量的的頻率大概在 0.002Hz到 0.05Hz，變化頻率相比50Hz工頻來說較低，可以看成直流。實際情況中整流變壓器所供給的負載情況不斷變化，如牽引機車的各種運行狀態，電解工業根據不同需求調節電解電壓電流等。

（2）極性不定：整流變壓器產生直流過程中不確定因素較大，如觸發不平衡過程中同一橋臂上的整流閥的觸發角受很多因素影響。

（3）電流幅度不定：電流在較大的時候可能為30A，小的時候才1～2A。

4　結論

由以上檢測結果可以看出高九路變電站受到直流電流影響產生嚴重的直流偏磁，從本文分析可以得出該直流來源為電網中220kV牽引站和鋁廠的整流變壓器。從實際檢測情況看，由整流變壓器產生的直流偏磁現象不容小視。隨著全國軌道交通和電解工業的發展，這種現象對變壓器的影響可能會越來越嚴重，所以研究這一現象具有深遠價值，為將來電網規劃提供有益的參考。

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The Mechansim and Experiment Analysis of DC Magnetic Bias Caused by Rectifier Transformer of AC Grid

Liu Mingjun Cheng Chen Zhao Kejiang Zhang Zuopeng Cheng Zhengyu
(State Grid Chongqing Electric Power Co. Maintenance Branch Company, Chongqing 400039)

In power transformer, DC magnetic bias cannot be ignored. According to the situation of DC magnetic bias in Chongqing electric power network, the reason of DC magnetic bias is studied. Analysis of the rectifier transformer in working process due to commutation valve trigger the unbalance, AC side of the second harmonic voltage of positive sequence and produces a DC and flow into the power grid, to power in the substation caused by the influence of DC biasing. Using the corresponding measures, the DC magnetic bias of the transformer is measured and the effect of the rectifier transformer on the DC magnetic bias is demonstrated.

rectifier transformer; DC magnetic biasing; grid distribution; neutral point

劉明軍（1979-），男，高級工程師，主要從事電力設備絕緣在線監測及故障診斷研究。