電力變壓器直流偏磁現象綜述

王善磊+趙玉瑤+彭嘉杰+王嘉禾+江春鑫

摘要：隨著特高壓直流輸電工程的實施，由直流極單極大地回線運行引起的直流偏磁現象對電網安全運行造成了嚴重威脅。本文首先從兩個方面對變壓器直流偏磁成因進行了機理分析，并結合直流偏磁下變壓器的勵磁特性總結出直流偏磁對電力變壓器的的危害，最后，綜合評價了三種主流的抑制直流偏磁的措施。

關鍵詞：變壓器；直流偏磁；形成機理；危害；直流輸電

1、引言：

直流偏磁現象屬于變壓器的一種不正常工作狀態，即在變壓器勵磁電流中出現了直流分量，且同時發生半波飽和[1]，直流偏磁會使得勵磁電流的諧波分量增加，而且出現大量偶次諧波。這將導致變壓器溫升增加，噪聲加劇，同時使得繞組電磁力增大，振動明顯。此外，直流偏磁對繼保設備、電容器組、電流互感器等設備的正常運行也有不同程度的影響[2]。

高壓直流輸電是導致直流偏磁產生的主要原因。因為其具有輸送容量大、損便于異步聯網、損耗耗小、輸送距離長等優點近年來被廣泛使用。文獻[3]指出由于蘇州500kV木瀆變電站距離±800kV同里換流站接地極較近，在實際生產生活中發現其受直流偏磁影響嚴重。另外，直流輸電在運行點調試或突發故障情況下亦有可能有大量直流電流通過接地極流入大地，從而導致交流電網內變壓器直流分量增加，給電網安全穩定運行帶來危害[4]。

國內外近年來對電力變壓器直流偏磁現象的研究也取得了實質性的進展。文獻[5]指出同純正弦交流勵磁時的磁滯回線相比，直流偏磁條件下鐵心磁滯回線發生了明顯變化。并說明在鐵磁材料磁化特性的眾多模型中，Jiles-Atherton（J-A）模型比較符合磁滯現象的物理本質，且模型參數較少、實現方便。在此基礎上，文獻[6]利用J-A模型，成功建立了直流偏磁時的變壓器模型，并且設計出計及渦流損耗和異常損耗的鐵心動態磁滯損耗模型。

2、直流偏磁形成機理分析

2.1從變壓器運行工作點及勵磁特性分析

如圖1為變壓器直流偏磁下的工作點分析，可以看到，當正常運行時，變壓器工作于磁化曲線OA段。考慮到變壓器的穩定性，正常運行時，變壓器的主磁通位于A點，當通入直流分量后，由直流電流產生的直流磁通和交流電流產生的磁通，因此交流磁通在與直流磁通方向一致的半個周波內，磁通密度大大增加，同時，另外半個周波由于二者的方向相反，總磁通密度減小，致使勵磁電流出現正負半周不對稱的尖頂波。

2.2 從高壓直流輸電系統分析：

高壓直流輸電工程引起直流偏磁原理如圖2所示。

從圖2可見，高壓直流輸電工程常常采用單極大地回線的方式運行，因而會使得巨大的直流電流經接地極流入大地，導致很大范圍內的大地電位發生畸變，構成中性點接地變壓器、輸電線路和大地回路，進而使產生的直流電流經變壓器中性點入侵變壓器繞組，引起變壓器直流偏磁。

3、直流偏磁的危害

3.1導致變壓器損耗增加、溫升增加進而引發局部過熱

直流偏磁會引起變壓器正半波勵磁電流大幅增加，使得鐵心飽和程度增加，進而帶來繞組、鐵芯、油箱的渦流損耗增加，引起變壓器頂層油溫溫度上升，導致變壓器局部過熱。文獻[8]通過ANSYSMaxwell建立變壓器3D模型，通過Maxwell三維瞬態求解器對直流偏磁下變壓器的鐵心損耗，磁滯損耗以及渦流損耗進行了計算，經計算發現：直流偏磁下變壓器整體損耗增加，并且隨著偏磁直流的增大，變壓器的損耗進一步增大。

3.2繞組電磁力增加，導致振動加劇，噪聲大大增加

變壓器直流偏磁下諧波電流增加，并且出現大量偶諧波分量，根據繞組電動力計算公式：

將式中的i（t）寫成傅立葉級數展開形式：

變壓器發生直流偏磁時，會有較大的直流分量通過繞組，即中的直流分量大大增。另外，直流偏磁是其他頻率的諧波成分也大大增加，因此的表達式為：

n為諧波電流的次數。當無直流偏磁時，n為1、3、5等奇次諧波，且當n>1時，數值較小，所以繞組振動對稱，相對平穩。。但是，當直流電流流過時，n除了奇次諧波還含有大量偶次諧波，且同等情況下諧波電流大大增大，導致增大，繼而根據公式，得出直流偏磁下變壓器繞組的電磁力增大，繞組振動加劇。

4、抑制直流偏磁的措施：

4.1中性點串聯電阻法：

該方法概念明確，其優點是工程上容易實現而且價格便宜，性能相對來說較為穩定，操作實施簡單。但是，由于串聯電阻的原因，不可避免的會導致功率損耗增加；此外，如果串聯的阻值選的過小，則會使得直流電流不能完全得到抑制，難以達到抑制的目的。但如果串聯的電阻過大，線路的零序電流保護的范圍將被縮小，其閾值設定又需要重新設定。

4.2中性點串聯電容法：

這種方法是利用電容器對于直流電流的隔離作用，在變壓器中性點串聯接入以電容，用以隔斷大地與系統間的直流電流。但是，中性點串聯電容的方法對于容易引起過電壓，從而容易使得保護裝置誤動作。因此，工程上常常配置并聯的開關來保證其可靠性。另外，考慮到對變壓器的保護，常常會設置電流旁路，將其對繼電保護裝置的影響降到最低。

總結

筆者首先從變壓器本身的勵磁特性以及運行特點對變壓器直流偏磁形成原因進行了細致的分析，接著又論述了高壓直流輸電系統入地電流導致的直流偏磁形成原因。最后，筆者結合現有的研究成果，從損耗、繞組振動、以及繼電保護這三個方面對變壓器直流偏磁帶來的危害進行了綜述。

參考文獻：

[1]薛向黨，郭暉， 鄭云翔， 等. 地磁感應電流對電力變壓器危害的研究[J]. 電力系統及其自動化學報， 1999，11（2）： 13-19.

[2]鄭濤 ，陳佩璐，劉連光，等 .計及直流偏磁的電流互感器傳變特性對差動保護的影響 [J]. 電力系統自動化，2012 ， 36（20）：89-93.

[3]李貞，李慶民，李長云，等. J-A 磁化建模理論的質疑與修正方法研究[J]. 中國電機工程學報，2011，31（3）： 124-131.

[4]李曉萍，文習山，陳慈萱 . 單相變壓器直流偏磁勵磁電流仿真分析[ J ] . 高電壓技術，2005，31（9）：8-10

作者簡介：

王善磊 （1996-） 性別：男民族：漢籍貫：江蘇連云港學歷：本科在讀研究方向：電氣工程及其自動化