電力變壓器直流偏磁治理及測(cè)試分析

劉明群，徐志，覃日升

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

變壓器中性點(diǎn)流入直流電流時(shí)，將使變壓器工作點(diǎn)偏移而出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器噪聲增大、振動(dòng)加劇、繼電保護(hù)誤動(dòng)作及變壓器損耗增加等嚴(yán)重后果。一般影響接地變壓器偏磁的原因有地磁擾動(dòng)引起的地磁感應(yīng)電流、直流輸電工程的單極大地運(yùn)行，引起這種的直流偏磁基本是暫時(shí)性的，另外一種影響因素是地鐵運(yùn)行，地鐵運(yùn)行對(duì)附近接地變壓器影響是持續(xù)性的，其造成的安全隱患更大，本文對(duì)直流偏磁產(chǎn)生的原因和機(jī)理進(jìn)行分析，進(jìn)行治理后監(jiān)測(cè)結(jié)果表明治理效果良好，為后續(xù)類似的直流偏磁現(xiàn)象治理提供了技術(shù)指導(dǎo)。

1 直流偏磁電流產(chǎn)生現(xiàn)象及原因

某電站變壓器投運(yùn)后一直正常運(yùn)行，最近運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)，在變壓器負(fù)荷無(wú)變化情況下，噪聲水平、變壓器的油溫和振動(dòng)均有上升。運(yùn)行人員對(duì)變壓器中性點(diǎn)流過(guò)的直流電流進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，日夜間直流電流呈現(xiàn)周期性變化，對(duì)新投運(yùn)地鐵線路15 km范圍內(nèi)的4座變電站的接地變壓器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 地鐵線路附近接地變壓器中性點(diǎn)直流電流測(cè)量表

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，地鐵運(yùn)行時(shí)接地變壓器中性點(diǎn)直流電流、噪聲水平和振動(dòng)幅度均增加，分析表明接地變壓器異常變化與新投運(yùn)的地鐵線路運(yùn)行直接相關(guān)。

一般來(lái)說(shuō)，交流變壓器產(chǎn)生直流偏磁的原因有：

1）地磁擾動(dòng)引起的地磁感應(yīng)電流，地磁場(chǎng)由地球內(nèi)部穩(wěn)定的磁場(chǎng)和地球外部變化的磁場(chǎng)兩部分組成，通常太陽(yáng)風(fēng)、地震、火山爆等自然現(xiàn)象會(huì)引起地球外部磁場(chǎng)發(fā)生劇烈變化。地球是一個(gè)導(dǎo)電體，地磁場(chǎng)發(fā)生劇烈擾動(dòng)時(shí)，變化的磁場(chǎng)會(huì)在地表兩點(diǎn)間產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，感應(yīng)作用在兩變壓器中性點(diǎn)端，將在變壓器繞組及線路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。

2）直流輸電產(chǎn)生的地中直流一般的直流輸電工程運(yùn)行在雙極大地運(yùn)行方式，當(dāng)發(fā)生單極故障或雙極不平衡運(yùn)行時(shí)，大地中會(huì)流過(guò)較大的直流電流，在兩極的接地極之間接地變壓器間會(huì)流過(guò)一定的直流電流，特別是距離換流站接地極址較近的接地變壓器，此種狀態(tài)一般只會(huì)偶爾出現(xiàn)。

3）地鐵牽引供電系統(tǒng)引起的直流電流。地鐵供電系統(tǒng)采用直流供電方式，分為單邊供電系統(tǒng)和雙邊供電系統(tǒng)。由于機(jī)車下走行軌與地不是完全絕緣，部分電流分量將流入大地，由于入地電流的作用，會(huì)在牽引站附近產(chǎn)生電位分布。與直流輸電接地極類似，在地鐵線路平行線附近的兩臺(tái)接地變壓器將會(huì)對(duì)地鐵的電流形成分流，使得交流變壓器產(chǎn)生直流偏磁。

直流電流流入變壓器繞組后，變壓器勵(lì)磁電流波形發(fā)生變化，引起直流偏磁變壓器的勵(lì)磁特性曲線變化。圖1淺線為無(wú)直流電流時(shí)的磁通曲線，黑線為有直流電流時(shí)的磁通曲線；圖1右上為變壓器典型的勵(lì)磁曲線；圖1右下淺線為無(wú)直流電流時(shí)的勵(lì)磁電流曲線，黑線為有直流電流時(shí)發(fā)生畸變的勵(lì)磁電流曲線。直流電流在繞組中引起直流磁通，引起變壓器主磁通曲線整體上移，使變壓器主磁通在正半軸增大，導(dǎo)致變壓器正半軸工作點(diǎn)進(jìn)入勵(lì)磁曲線飽和區(qū)，同時(shí)使勵(lì)磁電流在正半軸發(fā)生畸變，產(chǎn)生直流偏磁。通常情況下流入直流電流越大，勵(lì)磁電流畸變程度就越大。當(dāng)直流電流到達(dá)一定程度時(shí)，鐵芯磁通不會(huì)繼續(xù)隨直流電流的增加而增加，表明鐵芯內(nèi)部已經(jīng)達(dá)到半周磁飽和。

圖1 直流偏磁引起勵(lì)磁電流特性曲線變化示意圖

變壓器發(fā)生直流偏磁時(shí)，勵(lì)磁電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生大量諧波，造成變壓器無(wú)功損耗、金屬構(gòu)件損耗增加，導(dǎo)致局部過(guò)熱，引起溫度升高。同時(shí)變壓器因鐵芯磁通飽和，諧波分量增加，導(dǎo)致磁滯伸縮加劇，噪聲增大。另外漏磁通增加會(huì)導(dǎo)致繞組電動(dòng)力增加，使變壓器振動(dòng)加劇。

2 變壓器加裝隔直裝置及測(cè)試

電容隔直的方法是在變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)1個(gè)電容設(shè)備，利用電容的隔直通交特性徹底阻斷直流電流進(jìn)入變壓器繞組，原理示意圖如圖2所示。正常運(yùn)行時(shí)，電容處于旁路狀態(tài)，當(dāng)直流偏磁產(chǎn)生影響時(shí)，投入電容器，阻隔直流電流流入變壓器。利用電容隔直隔直方法會(huì)增加附近其他變壓器的直流電流。

圖2 隔直裝置接線圖

加裝隔直裝置后，直流偏磁電流減少明顯，剩余的直流電流可忽略不計(jì)，變壓器噪聲水平下降。以下直流偏磁電流對(duì)變壓器影響進(jìn)行更為精確的振動(dòng)測(cè)試，通過(guò)安裝在設(shè)備表面的一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)傳感器來(lái)獲取振動(dòng)信號(hào)，將振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)域（或頻域）分析，獲得信號(hào)的特征信息，再通過(guò)相應(yīng)診斷方法獲得設(shè)備的工作狀況。選取測(cè)點(diǎn)位置的主要原則是振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)具有代表性和振動(dòng)幅值相對(duì)較大的位置。對(duì)于三相一體式電力變壓器12個(gè)加速度振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)分別設(shè)置在A、B、C三相高壓側(cè)上部及下端部各三個(gè)測(cè)點(diǎn)（6個(gè)測(cè)點(diǎn)）；A、B、C三相低壓側(cè)上端部及下端部各三個(gè)測(cè)點(diǎn)（6個(gè)測(cè)點(diǎn)），共12個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)試系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖3所示。圖4~圖9給出了變壓器A、B、C三相高低壓側(cè)的連續(xù)振蕩監(jiān)測(cè)波形及頻譜圖。連續(xù)振動(dòng)監(jiān)測(cè)波形表明加裝隔直裝置后，變壓器A、B、C三相高低壓側(cè)振動(dòng)幅度都有明顯下降，具體數(shù)值見(jiàn)表2。振動(dòng)頻譜圖表明，加裝隔直裝置后，特征振蕩頻率減少，振蕩幅值減小，對(duì)振蕩整體影響可以忽略不計(jì)，根據(jù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，不論高壓側(cè)還是低壓側(cè)，上端部測(cè)振動(dòng)值大于下端部。

圖3 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖4 加裝隔直裝置前變壓器A相振動(dòng)波形頻譜圖

圖5 加裝隔直裝置后變壓器A相振動(dòng)波形頻譜圖

圖6 加裝隔直裝置前變壓器B相振動(dòng)波形頻譜圖

圖7 加裝隔直裝置后變壓器B相振動(dòng)波形頻譜圖

圖8 加裝隔直裝置前變壓器C相振動(dòng)波形頻譜圖

圖9 加裝隔直裝置后變壓器C相振動(dòng)波形頻譜圖

表2 加裝隔直裝置后地鐵線路附近接地變壓器中性點(diǎn)直流電流測(cè)量

接地變壓器中性點(diǎn)加裝隔直裝置前后，振動(dòng)波形及頻譜對(duì)比如圖4、圖5所示，可以明顯看到，加裝隔直裝置后，變壓器振動(dòng)幅值由4.0 μm下降到2.0 μm，最大振動(dòng)幅值減少近二分之一，同時(shí)對(duì)加裝隔直裝置后的通過(guò)變壓器中性點(diǎn)的直流電流幾乎為零，同時(shí)對(duì)變壓器的油溫、噪聲進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示，表明加裝隔直裝置后消除了直流偏磁帶來(lái)的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著城市地鐵線路建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，運(yùn)行期間產(chǎn)生的直流電流不可避免流入附近的接地變壓器，造成變壓器噪聲、溫度和振動(dòng)幅值上升，長(zhǎng)期運(yùn)行存在安全隱患，通過(guò)加裝隔直裝置取得了良好效果，需要指出加裝隔直裝置變壓器可以消除直流電流，但直流電流不會(huì)消失，流入附近其它接地變壓器，接地變壓器流入直流電流隨距離地鐵線路越遠(yuǎn)越小，地鐵線路規(guī)劃和變電站規(guī)劃建設(shè)時(shí)需要統(tǒng)一規(guī)劃，避免相互影響。