變壓器中性點直流電流的危害以及抑制措施的研究

胡良山

摘 要：隨著直流輸電方式的推廣使用，對于傳統電網產生了不良影響，其中包括由于直流入地電流使得附近變電站地電位升高，直流侵入中性點接地的變壓器，導致變壓器中性點直流偏磁現象，使得變壓器中性點直流電流過大，變壓器噪聲與振動加劇，甚至導致變壓器局部過熱以及絕緣加速老化等問題。

關鍵詞：中性點 直流偏磁 串接電阻 串接電容 正負電補償

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（c）-0052-02

直流輸電方式在輸送相同功率時，線路投資較少，對功率和電能的損耗較小，不會產生較大的干擾信號，線路在穩態運行時沒有電抗電壓和電容電流，不需要進行無功補償，系統運行穩定可靠。因此，在遠距離、大功率的輸電方式中，直流輸電獲得了越來越多的應用。但是直流輸電會對交流變電站的正常運行造成一定的不良影響，其中包括使得其換流站附近的中性點接地變壓器出現直流偏磁的問題，即變壓器的中性線流過的直流分量大大增加，對交流變壓器的安全運行形成威脅。該文分析了變壓器中性點直流電流過大的危害，并對變壓器中性點直流偏磁的抑制措施進行了研究。

1 變壓器中性點產生直流電流的原因

1.1 地磁感應電流

太陽離子風和宇宙的其他射線與電磁場相互作用，產生地磁磁暴，這種磁場的變化可以使得地球表面出現電位梯度，最高可以達到每公里上百伏，持續時間可以是幾分鐘甚至幾個小時。如果使用中性點接地變壓器正好處于該地區，由于地磁感應電動勢會在變壓器繞組內部產生地磁感應電流，電流頻率在0.001～2 Hz之間，可以近似看作直流，其幅值可達100 A以上。

1.2 高壓直流輸電

大電流、遠距離的高壓直流輸電系統一般采用大地返回方式，在換流站周邊的散流帶會有一定的地表電流。與換流站并行運行的交流變電站如果距離不遠，則交流變電站的中性點接地變壓器會受到干擾。在交流變壓器的接地中性線會產生直流電流流入變壓器，經過輸電線路后在另一端的變壓器中性點入地。

2 變壓器中性點直流電流的危害

2.1 變壓器噪聲和振動變大

由于中性點流入直流電流的作用，勵磁電流發生嚴重畸變，出現了較大的諧波電流，同時變壓器主磁通也成了周期性變化的不對稱磁場，產生了較大的磁通諧波量，從而引發變壓器的硅鋼片出現伸縮，引起變壓器的振動和噪聲。變壓器鐵芯硅鋼片的伸縮導致鐵芯振動，嚴重時會使得變壓器內部有關器件出現松動，從而引發局部放電甚至繞組脫落等嚴重后果，對變壓器的安全運行形成嚴重威脅。

2.2 變壓器的損耗增加

在中性點流入的直流電流作用下，變壓器勵磁電流大幅度增加，導致變壓器銅耗變大。直流電流的增加可能導致勵磁電流進入飽和區，使得變壓器的漏磁變大。變壓器的漏磁通過油箱、夾件等鐵質構件，產生渦流損耗。這部分渦流損耗隨著鐵芯磁密的增加而增加，可見變壓器繞組中的直流分量會導致變壓器的損耗增加。

2.3 增加無功功率的損耗

變壓器中的勵磁電流滯后于系統電流90°，產生無功損耗。一般這一部分損耗較小，然而當直流中性點流過直流電流時，無功功率的損耗會急劇增加，即變壓器中性點直流電流增加了系統的無功功率損耗。

3 變壓器中性點直流電流的抑制措施

3.1 串聯電阻法

根據大地回路直流電流的分布規律，可以發現通過變壓器中性點的直流電流，主要與變壓器、直流接地極的距離以及接地電阻分布等因素有關。根據這個特點，可以通過在中心線上串聯小電阻的辦法降低流過中性點直流電流，如圖1所示。

由圖1可知，流過2臺變壓器中性點的直流電流與2臺變壓器中性點之間的地電位差、線路直流電阻、變壓器繞組直流電阻以及中性點串接小電阻有關。通過在中性點串接小電阻，能在一定程度上降低直流電流的幅值，降低系統發生諧振的概率。但是采用這種方法，當系統發生短路故障時，故障電流容易將中性點串接電阻燒毀。

3.2 串接電容法

通過在變壓器中性點與系統地之間串接電容，以達到隔斷直流的目的，如圖2所示。

在中性點裝設電容后，如果主變高壓側發生接地故障，變壓器中性點產生很高的暫態電壓，當電容器兩端電壓達到限值時，通過電流旁路保護動作以限制暫態電壓幅值，降低了對中性點串接電容器的容量要求。當系統恢復正常運行后，電流旁路保護裝置自動復歸，中性點串接電容器重新投入運行。不過使用這種方式提高了中性點的電位，改變了系統結構，繼電保護裝置定值需重新整定，對絕緣的配合也有一定要求。

3.3 電位補償法

電位補償法是通過電流抵消的方式來消除直流偏磁的影響，電位補償法也就是常說的反向電流法，也就是通過電流反向的方式來消除或減弱電流的作用和影響，故分為正向電位補償和負向補償，其等效電路圖如圖3所示。

其中U0為大地電動勢，U為補償電源電動勢。如果將圖3內所有點位方向以及電流方向取反，則為負電位補償法。正負電位補償法不改變系統的參數，結構比較簡單，對直流電流的補償可以控制，在對變壓器中性點直流電流抑制的實際應用中具有較大的優勢。

4 結語

變壓器中性點流過直流電流，可能引發變壓器局部過熱、振動、絕緣老化甚至發生變壓器燒毀的嚴重事故。該文簡單介紹了變壓器中性點流過直流的機理以及對變壓器安全運行的危害，并給出了串聯電阻法、串接電容法、電位補償法等變壓器中性點直流電流抑制措施，對維護變壓器的安全運行起到參考作用。

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