變壓器直流偏磁抑制技術研究

摘 要：我國的煤炭資源三分之二都集中在內蒙古、山西，使用中這些能源進行火力發電，生產電力向沿海經濟發達地區運輸要使用遠距離傳輸技術。采用長距離傳輸的直流輸電方案，有利于提高電力傳輸的經濟性、靈活性、穩定性，系統運行過程中調度電力也比較靈活，高壓直流傳輸技術具備非常好的前景。然而，高壓直流輸電系統易出現主變直流偏磁，當系統直流用單極大地返回工作的方式，會出現主變壓器異常，噪音增大振動變大。隨著我國大力實施西部向東輸送電力的政策，中國高壓直流輸電（HVDC）技術越來越多地使用在電力網絡中，這個問題顯得更加迫切和重要。國華呼倫貝爾電廠產生的主變壓器直流偏磁現象，是由于接地網之間存在電位差引起變壓器中性點產生直流分量，在交流系統中將會產生振動、噪音等等問題，嚴重影響變壓器的運行，進而影響整個系統的穩定運行和設備安全。

關鍵詞：變壓器；直流偏磁；抑制技術

1 研究背景與意義

為了促進國家“西電東送、全國聯網”逐步實施的能源發展戰略，中國策劃了一系列高壓輸電直流線路，其中具有很多困難，具有很長的輸電線路，傳輸容量大，損耗低，自動化程度高等特點。在高壓直流輸電東北項目中，呼倫貝爾至遼寧高壓直流輸電工程建成后，打開蒙東電網至遼寧中部傳輸電力網絡的渠道，形成了第一個國網系統交直流混聯系統，電力系統的電力輸出，大大提高了傳輸跨區域電力的能力。然而，輸電線路直流輸電具有一定的故障時或者調試的時候，必然在操作單極模式，操作模式雙極傳輸系統轉換為單級傳輸的過程中，將使用土地作為電路回流到系統中，數千安培通過接地注入地面，它會導致在周圍的變電站接地極電位產生變化。進而形成一定的電位差，直流電將從輸電線路流經大地到變壓器中性點，使變壓器出現直流分量，從而產生變壓器偏磁現象。同時，交流輸電系統會產生不同程度的影響，特別是在變壓器的交流直流分量疊加，從而引發變壓器鐵芯磁通的變化，在交流系統中將會產生振動、噪音等等問題，嚴重影響電力系統的穩定運行。

因此，直流偏磁是由于外部電壓環境變化引起，而強加于中性點直接接地的變壓器，研究直流偏磁抑制技術對電力系統的正常運轉具有重要的實際意義。分析所產生的直流偏磁的原因分析，并研究適當的措施來抑制直流偏磁，使高壓輸電過程中的變壓器的安全性得以提高。

2 變壓器直流偏磁分析

2.1 變壓器的直流偏磁機理

流入變壓器繞組直流會使鐵芯磁場出現不對稱曲線，更顯著問題是直流偏磁的出現。這時系統內的主變壓器噪音會變大，而激磁電流內產生大量諧波，且變壓器的無功損耗會增加，使系統的無功補償裝置發生過載現象，或是線路的電壓降低。諧波進入電力系統中，從而導致異常的電壓波形出現，以及該濾波器將過載，保護誤動作。

使用變壓器中性點接地的方法進行高壓直流輸電，中性點接地的方法是可通過該方法將單極大電流返回大地，實現單極工作。基于該直流接地極接地，接地電阻會導致各變電站系統之間產生壓差。例如兩個分站之間具有電位差，要求系統內各變壓器必須承擔的電位差變化的影響。中性點的交流系統運行過程中，系統大型并聯變壓器因為電位差可能產生直流電流，從而形成主變壓器的直流偏磁，對變壓器帶來一定的影響。

2.2 直流偏磁產生的原因

直流偏磁產生的原因有幾種，在變壓器的正常運行時出現的此現象，通常是由以下兩個方面引起的：

（1）太陽等離子風和地球磁場互相作用進而產生的磁暴。在地球表面造成的磁場電位梯度，其高低與大地電導率以及磁暴的大小有關，在土壤高電阻的區域電位差可能達到相當高的程度。1989年3月13日太陽磁暴導致魁北克電網造成大范圍的停電。這類直流偏磁的是很大，但持續時間短，發生頻率較少。

（2）直流輸電系統和交流系統的電壓，在同一區域或系統同時運行電流，電壓電流負載曲線非對稱。超高壓和特高壓直流輸電系統有幾個運行方式，如正和負雙極運行中，一個單級一金屬回路運行等。單極大地返回運行方式是使用大地作為回路，通過一導線設置工作電流回路，能夠有效地節約建設成本，這是高壓直流輸電的重要途徑。當雙極運行回路中，如果存在雙極不對稱運行，不對稱和接地故障等有關，這時候類似于單極大地返回運行方式。在高壓直流傳輸系統的回路方式中，單級一金屬運行方式和雙極回路時，一般不會影響交流電網中的變壓器。在單極大地返回運行方式或正、負極嚴重不對稱運行時，系統中的變壓器將受到嚴重影響，導致中性點直接接地的變壓器產生直流偏磁現象。影響的程度除了與直流換流站距離有關系外，也與土壤、地貌等情況有關系，輻射范圍將呈不規則形狀。此類直流偏磁的數值相對會小，但是持續的時間長，而且周圍變電站受影響的可能性變大。

2.3 直流偏磁對變壓器的危害

當高壓直流傳輸系統接地極電流引發變壓器電位增高時，如果兩個變電所存在電位差，直流電流將流經電力系統及變壓器中性點到變壓器線圈，使得變壓器鐵心磁通量急劇飽和，從而提高磁通量泄漏，從而增加了鐵損，使變壓器鐵心和夾件過熱導致絕緣老化，危害變壓器使用壽命，對變壓器的正常運行產生很大的影響；在同一時間內，直流電流會讓勵磁電流的產生畸變，從而出現了大量的諧波，從而造成變壓器損耗增加，振動增強噪聲增加等一系列影響。而且直流偏磁還會使繼電保護誤跳設備，可能導致大電容器退出系統，系統電壓迅速下降，最終失去了大部分的負荷。

2.3.1 噪聲增大

變壓器噪聲是由硅鋼片的磁伸縮引起的，在正和負不對稱周期性變化的磁場下，硅鋼片調整它們的大小，從而引起振動和噪音。振動產生磁致伸縮也是不規則的，這就會使噪聲隨磁通密度增大而變大。當變壓器繞組中流經直流電流時，使得勵磁電流產生畸變，產生了各次諧波，同時主磁通也成了正負半軸不對稱的周期性變化磁場，噪聲也就增加了。在直流偏磁情況時，變壓器繞組中同時包括奇次和偶次諧波分量。因此，對應諧波電流，變壓器的噪聲頻譜中既含奇次諧波分量，又含偶次諧波分量。

變壓器鐵芯硅鋼片的磁致伸縮使鐵芯變壓器也使得振動變大，振動大，導致變壓器的部分松動，使松弛，引起發熱，放電等，或纏繞部件掉落，危及變壓器的安全運行。這表明，該溫度上升引起的直流偏磁的高噪聲和振動引起的嚴重問題。

2.3.2 變壓器損耗增加

變壓器的損耗包括繞組損耗（銅損）和磁芯損耗（鐵損）。變壓器的銅耗包括基本運行的銅耗和額外損失。在直流偏磁的影響下，變壓器的勵磁電流可顯著增加，導致變壓器銅損的急劇上升。然而，由于主磁通保持正弦波和磁通密度的變化比較小，所以通過相對小的進氣的銅產生的附加銅損的電流直流偏磁的影響主要是基礎銅耗。變壓器鐵損包括鐵芯損耗和附加鐵損。基本鐵損成正比的磁通密度的平方成正比。對于接線方式為Y/Δ和Δ/Y的變壓器，勵磁電流中包含著諧波分量，因為主磁通仍然是正弦波，以使直流電流變壓器繞組不會在產生鐵心損耗太大的影響。但是，勵磁電流流經磁曲線的飽和部分，所以造成變壓器漏磁通增大。而這些漏磁通將擴散到夾板、外殼等部件，使其產生額外的渦流損失，即額外的鐵損。這部分鐵耗將隨著磁通增大而增大。這就說明變壓器線圈中直流電流的增大，其鐵損就會隨之增大。

直流偏磁將導致變壓器的勵磁電流增大，其產生多個諧波渦流損耗和鐵損大幅增加，由于導線的集膚效應造成銅損耗增加。有了穩定的，持續增長漏磁變壓器直流偏磁，使得鐵實際損失變大，其他結構的溫度上升，造成油局部溫度和溫度上升，影響的絕緣和變壓器組件，甚至造成變壓器損壞。

2.3.3 變壓器振動加劇

變壓器的振動主要為鐵芯硅鋼片磁滯伸縮引起的，振動頻率作為周期性勵磁電流。在直流電流流經變壓器線圈時，磁通出現偏移故而變壓器的勵磁電流畸變，造成鐵心磁滯伸縮增大，并且漏磁通的增大造成了變壓器線圈電動了的增大，對變壓器振動加劇有一定的影響。

2.3.4 導致系統電壓波形畸變

當變壓器發生直流偏磁時，直流偏磁能使變壓器變成交流電源系統的諧波源，該系統將引起電壓波形畸變，有可能引起的問題有：繼電保護誤動作，濾波器過載，操作過電壓等等。直流偏磁對輸電系統也會引起負面影響，如流過變壓器的直流電流導致電流的增加，增加了變壓器無功功率損耗，因此，可能導致系統的電壓降低。

3 變壓器直流偏磁抑制技術

變壓器直流偏壓抑制系統的原理是，流過交流變壓器的中性點，減少或消除了使用交流變壓器的直流電流的反向流動的電流的直流電流的實時檢測的大小。設置一個裝置，以自動檢測并調整為在交流變壓器和直流電流現金注入變電站接地網絡在相反方向，以減少或消除在交流變壓器中流動的直流電流。設置反向直流電流產生意味著同時設置直流電流回路，接地直接聯通，目前的網絡建設發展外地輔助關在距變電站的安全距離，裝置的直流電流發電機的輸出電流，以提供一個返回通道。直流輸出電流，器件電流產生，其中網絡內地變電站注入的一部分，其余部分通過交流變壓器流入中性點，在網絡上的流通之后，從一個地面中性變電站返回在合并的注入電流網絡的前接地變壓器大陸，然后流入到通過產生直流返回輔助電極線路的接地裝置，以形成一個回路。

3.1 反向電流法

變壓器中性點內串入一直流的電壓源，按測得直流電數值對此電壓源的設置進行動態化調整，實時供給反向的直流電。此電壓源在確保絕緣要求符合標準前提下輸出幾百伏電壓。應用此裝置較為靈活，且能動態選取注入的差異反向的電流。可此裝置十分復雜，且價格昂貴，可行性仍需要進行檢驗。

故反向電流法在實際操作中是比較困難。

3.2 串聯電容法

此種方法是在變壓器的中性點串接入一電容，隔離系統與大地之間的直流電流，為確保此串聯電容系統的可靠性，還應配置并聯的開關等各類裝置。在實際應用中，為了保護變壓器的性能，采用裝設電流旁路的方法，這樣串聯電容對于繼電保護的作用不是很明顯，因此不會對保護產生誤動的影響。

3.3 串聯電阻法

使用串聯的電阻降低中性點的直流電流其原理是在變壓器中性點和地網中串聯一個小電阻，由于輸電線路的電阻較小，故電阻能明顯減小流入中性點的直流電流。但通過變壓器其直流電流受下列因素制約：變壓器中性點的電位差，和變電站的接地電阻值，還有變壓器各相繞組的直流電阻和接連變壓器各相線路的直流電阻數值。同時對繼電保護影響較大。

3.4 直流電位補償法

此法能一定程度抵消直流偏磁，在保證變壓器可靠接地的基礎上，還能減少中性點電流影響，且現場操作相對簡單。這種方法在實際應用中，對于變電站、接地網、避雷器的分流作用顯而易見。但是需要適當的增加補償容量，且補償容量時容易導致直流單極工作，出現更為嚴重的直流偏磁現象。這種運行方式能夠比串聯接地電阻的方式對繼電保護的影響低一些，但也同樣存在一定的影響。

4 幾種抑制技術的比較

4.1 反向電流法

其原理也比較簡單，這意味著更好的可操作性，但須額外設置補償的接地極點。經常來說流經主變中性點的直流分量是通過接地網與輸電系統的電導作比例配置，所以對于相同的直流接地電極的距離更遠和接地部位更好，直流電流流經到大地的廠，特別是對靠近海邊的發電廠，其補償的電流效率會降低，直流發生器的功率將加倍增大，較大電流注入接地網將使其達到飽和，使其接地極腐蝕速度更快，此方法的成本會很高，同時保障系統安全可靠性方面將需要做進一步的測試。

4.2 串聯電容法

該方法能夠完全消除中性點的直流電流，也可以增加其他中性點的直流電流，致使為了消除變壓器的直流偏磁而不得不將其接地點斷開，但這樣造成的后果就是可能會導致其他變電站的變壓器的中性點電流增加，從而引發直流偏磁現象。這種方法對于電網的短路故障判別性能差一些，而且對變壓器的中性點的絕緣等級要求要更嚴格一些。在實際應用中，為了保護變壓器的性能，采用裝設電流旁路的方法，而電流旁路可采取火花間隙并聯的方法，這樣串聯電容對于繼電保護的作用不是很明顯，因此不會對保護產生誤動的影響。在交流系統發生故障時，中性點電容器雙端電壓值高于繼電保護動作的定值時，電流旁路自動切換至電容旁路，從而降低電容器的容量，躲過中性點絕緣不良的影響。當系統故障消除以后，保護裝置又會自動切換至電容旁路，電容器自動充電，消除流經中性點的電流值，這種保護裝置內部控制相對比較復雜，而且價格也偏高。

4.3 串聯電阻法

這種方式的概念十分明確，而且相對的價格比較實惠，容易實現，這種裝置操作簡單，且性能比較穩定，雖然不能完全消除中性點流過的直流電流，但如果使用阻值比較高的電阻串聯，會導致主變中性點絕緣強度的降低。變壓器的中性點在串入電阻時，變壓器的中性點的零序電流方向改變會江都過電流同線路側的過流保護的靈敏度。當發生高阻接地故障的時候，把有可能改變零序功率方向的元器件關閉，當正向保護的近端電阻發生故障時，縮短保護的范圍。線路零序過流保護、接地距離保護的定值需要內審外審等多方式進行重新核算。通過變壓器銘牌參數和接地電阻的配置方案，優化接地電阻的同阻值的靈敏度，接地支路的最高阻值和全部接地電阻的中性點電流均小于它，最終進行數據迭代的時候選取最優數值，來降低其對繼電保護應用的不良因素。

4.4 直流電位的補償法

此法不僅能一定程度抵消直流偏磁，而且在原理上更能站住腳，在保證變壓器可靠接地的基礎上，還能減少中性點電流影響，且現場操作相對簡單。這種方法在實際應用中，對于變電站、接地網、避雷器的分流作用顯而易見，因此需要適當的增加補償容量，但補償容量時容易導致直流單極工作，出現更為嚴重的直流偏磁現象。這種運行方式能夠比串聯接地電阻的方式低一些，但也同樣對繼電保護和電位差存在一定的影響。補償電流分為正負極，正電位的利用率要大于負電位，正電位會導致接地網腐蝕等問題，而負電位又可保護接地網，減緩腐蝕的速度，因此在條件允許的前提下適當補償負電位也未嘗不可。

可靠的直流電流源是作為直流點位補償的有源裝置，相對于中性點反向電流的方法而言，這樣方法不需要輔助接地網和接地極，不會受到周圍環境影響的制約，對電流源容量的要求也比中性點注進反向電流的電源容量的要求要低。

5 結束語

結合變壓器直流偏磁抑制原理，分別對直流電流法、串聯電容法、串聯電阻法和直流電位補償法四種抑制直流偏磁方法進行分析和比較，研究其中的優缺點和可實施性，最終對串聯電容法和串聯電阻法重點進行應用仿真研究，得出結論變壓器中性點串入電阻以后可能受到影響的保護為：線路距離保護，變壓器中性點零序過流保護，以及線路零序保護等等，而變壓器中性點串聯電容對繼電保護的影響微乎其微，可以達到在不影響變壓器保護的前提下保障機組安全、可靠運行。

參考文獻

[1]劉曲，李立 ，鄭健超.考慮海洋影響的直流輸電單極大地運行時變壓器中性點直流電流研究[J].電網技術，2007，31（2）：57-60.

[2]中國電力科學研究院.抑制流過嶺澳和大亞灣核電站主變中性點直流電流措施的研究[R].北京：中國電力科學研究院，2004.

[3]A. E.Emanule-SM et al，Direct Current Generation in Single-Phase Residential Systems，IEEE Trans[J].on Power Apparatus and Systems，1984，103（8）：2051-2057.

[4]肖華.特高壓直流輸電引起的變壓器直流偏磁問題的研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[5]劉連光，劉宗歧，張建華.地磁感應電流對我國電網影響的初步分析[J].中國電力，2004，37（11）：10-13.

[6]朱藝穎，蔣衛平，曾昭華.抑制變壓器中性點直流電流的措施研究[J].中國電機工程學報，2005，25（13）：1-7.

作者簡介：邵帥（1985，10-），男，漢族，籍貫：河北廊坊，學歷：本科，職稱：工程師，畢業于沈陽化工學院，就職于神華國華九江發電有限責任公司，研究方向：高電壓與絕緣技術。