500kV變壓器直流偏磁產(chǎn)生原因及抑制措施

趙倞宇

摘要：在當(dāng)前直流輸電系統(tǒng)迅猛發(fā)展形勢下，輸電容量持續(xù)增長，輸電距離日益增加，直流偏磁變電站500主變壓器的影響也在持續(xù)惡化。文章在闡述了500kV變壓器直流偏磁產(chǎn)生原因和機(jī)制的基礎(chǔ)上，對500kV變壓器直流偏磁潛在威脅和抑制措施進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：500kV變壓器;直流偏磁;影響;措施

1概述

電力系統(tǒng)中直流輸電系統(tǒng)以輸送容量大、距離長、損耗小等優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)得到廣泛實(shí)施。但是，當(dāng)直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生故障或事故時(shí)，直流輸電系統(tǒng)將會按照大地回流方式（包括單極大地回線方式及雙極不平衡方式）運(yùn)行，甚至?xí)懈哌_(dá)數(shù)千安的直流電流流過的可能，在直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生故障的交流電網(wǎng)中，就會存在直流電流從接地的中性點(diǎn)流入500kV變壓器后，繼續(xù)經(jīng)由輸電線路輸送向遠(yuǎn)方，給500kV變壓器本身和交流電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成惡劣影響[1]。

2 500kV變壓器直流偏磁產(chǎn)生原因解析

500kV電力變壓器的磁動(dòng)勢和磁通出現(xiàn)直流分量導(dǎo)致變壓器鐵心半周磁飽和，以及由此引起的一系列電磁效應(yīng)的現(xiàn)象稱為“直流偏磁”。由于500kV電力變壓器的原邊等效阻抗對直流分量僅表現(xiàn)出電阻性質(zhì)，而且很小。由此就導(dǎo)致了微小的直流分量就會在電力繞組中形成較大的直流激磁磁勢，并與交流磁勢一起作用于500kV電力變壓器原邊，導(dǎo)致500kV電力變壓器鐵心的工作磁化曲線發(fā)生明顯偏移，出現(xiàn)關(guān)于原點(diǎn)不對稱，即變壓器偏磁現(xiàn)象。以下兩種原因可能會引起在線運(yùn)行的500kV電力變壓器繞組內(nèi)產(chǎn)生較大的直流原因：

2.1太陽活動(dòng)產(chǎn)生的地磁“風(fēng)暴”

地磁場與太陽等離子風(fēng)的活動(dòng)相互影響產(chǎn)生地磁“風(fēng)暴”，地球表面將由于地磁場的活動(dòng)產(chǎn)生電位梯度，地磁風(fēng)暴及地面電導(dǎo)率的嚴(yán)重程度決定了其大小，當(dāng)中性點(diǎn)接地的500kV電力變壓器時(shí)受到低頻、具有一定持續(xù)時(shí)間的電場作用時(shí)，就會產(chǎn)生頻率在0.01～1Hz之間的地磁感應(yīng)電流（可近似看成直流）。它持續(xù)時(shí)間短，但值較大。

2.2單極運(yùn)行方式

交流與直流輸電線路的并行運(yùn)行和交流網(wǎng)絡(luò)中存在的不對稱的負(fù)載。由于可以利用大地作為導(dǎo)體，省去一根導(dǎo)線的成本，所以直流輸電系統(tǒng)中單極運(yùn)行方式較為普遍。但是，如果換流站距離交流輸電系統(tǒng)變電站中的500kV電力變壓器不遠(yuǎn)，加之地下長期有大的直流電流而在其換流站周圍一定區(qū)域中會產(chǎn)生地表電流，就會與其并行運(yùn)行的500kV電力變壓器產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致通過500kV電力交流變壓器的接地中性點(diǎn)在500kV電力交流變壓器的勵(lì)磁電流中產(chǎn)生直流分量。它持續(xù)時(shí)間較長，但值較小。

3直流偏磁對變壓器產(chǎn)生的危害

3.1500kV電力變壓器噪聲和振動(dòng)加劇

當(dāng)500kV電力變壓器發(fā)生直流偏磁時(shí)，由于變壓器磁滯伸縮，導(dǎo)致變壓器鐵心的伸縮，進(jìn)一步造成噪聲增大，其噪聲包含的諧波分量中某一分量與變壓器構(gòu)件發(fā)生共振時(shí)，噪聲將進(jìn)一步加劇，就會產(chǎn)生變壓器內(nèi)部絕緣受損和零件松動(dòng)的危險(xiǎn)，出現(xiàn)不同程度的鐵心柱彎曲、鐵心綁帶松脫等嚴(yán)重問題。特別是當(dāng)兩臺500kV電力變壓器鐵心柱嚴(yán)重彎曲和鐵心片疊片串片時(shí)，造成繞組內(nèi)部短路，就只能返廠維修。同時(shí)從環(huán)境保護(hù)角度考慮，當(dāng)500kV電力變壓器噪音過大，會引起變電站周圍社區(qū)群眾抱怨、恐慌等惡劣社會影響。

3.2電壓波形發(fā)生畸變

500kV電力變壓器鐵心發(fā)生直流偏磁嚴(yán)重時(shí)鐵心可能工作在飽和區(qū)，導(dǎo)致變壓器漏磁通增加，進(jìn)一步造成電壓波形發(fā)生畸變。

3.3產(chǎn)生諧波，引發(fā)爆炸事故

500kV電力變壓器正負(fù)半波對稱的周期性勵(lì)磁電流中應(yīng)該只包含奇次諧波，但是在直流偏磁的作用的下，導(dǎo)致半波深度飽和的變壓器勵(lì)磁電流中出現(xiàn)了偶次諧波分量。此時(shí)，500kV電力變壓器成了交流系統(tǒng)中的諧波源，嚴(yán)重威脅電補(bǔ)償電容器組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)由于諧波電流嚴(yán)重超標(biāo)，還有可能造成爆炸事故。

3.4500kV電力變壓器無功損耗增加

當(dāng)直流偏磁引起變壓器發(fā)生飽和現(xiàn)象，勵(lì)磁電流將會大幅增加，使500kV電力變壓器無功損耗明顯增加，它可造成電力系統(tǒng)電壓下降，嚴(yán)重時(shí)可致使整個(gè)電網(wǎng)崩潰。

3.5繼電保護(hù)系統(tǒng)故障

500kV電力變壓器直流偏磁會導(dǎo)致波形嚴(yán)重畸變，畸變率較大，會造成部分或全部繼電保護(hù)裝置不能正確實(shí)時(shí)動(dòng)作，其產(chǎn)生的3、6、9次等諧波很大程度上會造成零序電壓或零序電流啟動(dòng)的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)。

4直流偏磁抑制措施

近年來，已經(jīng)展開眾多圍繞超高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地回路運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大地電流對交流電網(wǎng)中性點(diǎn)接地變壓器的影響方面的研究，其中包括500kV電力變壓器直流偏磁研究和大地電流對交流電網(wǎng)影響計(jì)算方法以及限制變壓器中性點(diǎn)直流電流方法和工程應(yīng)用的研究。與此同時(shí)在線監(jiān)測變壓器直流偏磁技術(shù)及方法也取得較大進(jìn)展，采用電測法原理，在不改變原設(shè)備接線的情況下，在500kV電力變壓器中性點(diǎn)接地引出線處選擇信號取樣點(diǎn)，直接測量并顯示出變壓器運(yùn)行狀態(tài)下的直流電流值的大小及方向。為運(yùn)行人員掌握500kV電力變壓器直流偏磁狀況及采取相應(yīng)措施提供重要依據(jù)，能有效起到故障早期預(yù)報(bào)作用。目前抑制500kV電力變壓器直流偏磁的措施主要有以下三種：

4.1中性點(diǎn)串電容

此方法的實(shí)現(xiàn)思路是在變壓器中性點(diǎn)串入電容、火花間隙（或大功率晶閘管）和旁路開關(guān)并聯(lián)體，實(shí)現(xiàn)阻隔大地直流回流的目的，但存在使其他中性點(diǎn)的直流電流增大的風(fēng)險(xiǎn)。我們在實(shí)際施工中也發(fā)現(xiàn)，為消除某臺變壓器的直流偏磁而不得已斷開接地，但卻造成了其他變電站的變壓器中性點(diǎn)直流電流增大導(dǎo)致其他變壓器產(chǎn)生了直流偏磁。

4.2反方向注入電流法

在變壓器中產(chǎn)生反方向的直流電流來抵消或減弱地中直流流入變壓器產(chǎn)生的偏磁。目前技術(shù)水平下，反方向注入電流法僅僅在電流超標(biāo)的變電站中應(yīng)用，反方向注入電流法的實(shí)際效果還有待進(jìn)一步研究論證。

4.3中性點(diǎn)串接小電阻方案

通過在中性點(diǎn)和地網(wǎng)之間串入一個(gè)阻值較小的電阻使得中性點(diǎn)流入的直流電流顯著減小，達(dá)到工程實(shí)際中可以接受的程度，通過直流電流的分布實(shí)現(xiàn)減小中性點(diǎn)電流的超標(biāo)程度并達(dá)到抑制直流偏磁的目的。同時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)問題是，接地電阻如何選取以及本地接地電阻對其它變壓器的接地電流有何影響，此方面還有待我們進(jìn)一步討論研究。目前，以上所述三種方法都已通過工程的有效性檢驗(yàn)，但是相關(guān)裝置還繼續(xù)經(jīng)受電力系統(tǒng)運(yùn)行的考驗(yàn)，電網(wǎng)用戶通常還需要對不同方法進(jìn)行反復(fù)比較，決定取舍，選擇最為合適、合理的方法。由于直流電流或者準(zhǔn)直流電流都是在中性點(diǎn)接地變壓器，輸電線路和大地構(gòu)成的回路中流動(dòng)，因此，我們應(yīng)當(dāng)采取合理的手段阻止或隔絕流入500kV電力變壓器繞組中的直流電流，能夠抑制變壓器直流偏磁的影響，對保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

5結(jié)束語

綜合文章所述，直流偏磁對500kV電力變壓器和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大影響。因此，在進(jìn)行主變壓器設(shè)計(jì)生產(chǎn)前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對500kV電力變壓器周圍的直流系統(tǒng)接地極地理位置、電氣距離等關(guān)鍵因素進(jìn)行詳細(xì)研究論證，并且對直流回路路徑上大地回流的影響進(jìn)一步加強(qiáng)研究，在500kV電力變壓器設(shè)計(jì)選取磁通時(shí)應(yīng)盡量為可能發(fā)生的偏磁影響留有余地，將直流偏磁對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的威脅程度降到最低。

參考文獻(xiàn)

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