探究变压器直流偏磁抑制措施

探究变压器直流偏磁抑制措施
发表时间：2017-12-12T09:34:28.173Z 来源：《电力设备》2017年第23期作者：邦帮
[导读] 摘要：我国能源分布和能源的使用分布不均衡，因此国内建设多条特高压直流输电用于国西电东送。

（广州普瑞电力系统设备有限公司广州广州 510663）
摘要：我国能源分布和能源的使用分布不均衡，因此国内建设多条特高压直流输电用于国西电东送。

由特高压直流远距离输电，所引起的直流偏磁问题，就不容忽视。

再加上地磁暴等自然现象，也加重了直流偏磁对交流接地电力变压器的影响。

所以，研究交流接地电力变压器直流偏磁问题的有效抑制方法具有一定的工程实际价值和理论意义。

关键词：变压器；直流偏磁；抑制措施
一、直流偏磁的产生和危害
1.1直流偏磁产生机理与原因
因硅钢片的磁化曲线成非线性，使铁心磁通与励磁电流成非线性，并且正常电力变压器都运行在接近饱和的工作点上。

有直流涌入后，铁心严重饱和，励磁电流出现尖顶波，主磁路中磁场不对称，进而引发了一系列的直流偏磁问题。

直流偏磁现象的产生主要有两个原因，其一是太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用产生的地磁“风暴”，这种磁场变化可以诱发地球表面的电位梯度，一般来说这种电位梯度可达到每公里几伏甚至上百伏。

这个电势差作用于附近电网中中性点接地的电力变压器上，有电势差的两个地点的变压器中有电流涌入，通过两地点的接地变压器、输电线路和大地形成回路，该电流频率和工频交流相比，可以近似视为直流。

其二是大地返回式远距离输电的HVDC(高压直流输电)系统使其换流站周围一定区域内产生地表电流和地表电势差。

同样，该电势差作用于中性点接地的交流输变电两变压器之间，通过输电线路、两地点交流输变电变压器和大地形成回路，导致交流接地变压器的励磁电流中产生直流分量，导致变压器发生直流偏磁，原理如图1所示。

1.2直流偏磁的危害
噪声和振动增大：当变压器发生直流偏磁时，励磁电流严重畸变，谐波电流增加，出现尖顶波，因此磁通谐波也随之增加。

变压器损耗增加：在直流电流的作用下，变压器励磁电流幅值增加，导致变压器基本铜耗急剧增加。

无功增加：在变压器中，由于励磁电流滞后于系统90o，从而将在系统中产生无功功率的损耗，通常情况下这一损耗很小，而无功功率随通入变压器的直流电流增加而急剧增加，使得电力系统中无功损耗增加，电力系统输电线路损耗增加。

二、抑制措施
2.1串联电阻法
通过对大地回路直流电流分布规律的深入分析，研究发现，通过变电站主变中性点电流主要与变压器和直流接地极的距离、接地电阻分布、架空线路特性密切相关。

在此基础上提出了串联电阻的方法减小中性点直流电流。

串联方法是在中性线上串接小电阻。

电力系统正常运行时，也会有三相不平衡交流电流流过中性点，通常为数安培；而在发生接地故障时，最大可能有数十千安的电流流过。

中性点电阻的接入会在一定程度上减小该故障电流的幅值，但同时也给所接变压器中性点带来了相当高的对地电位，若按幅值为10kA大小的故障电流来估算，则中性点对地电位会迅速上升至80kV，所串小电阻的发热功率为800MW，而1s内可产生的热量为800MJ。

串入电阻虽然不仅能够抑制直流偏磁电流，而且可以减少系统谐振的几率，但是当短路故障时，容易烧毁该电阻。

2.2电位补偿法
一种基于电位补偿原理的消减变压器中性点直流电流的新方法，其原理是在变压器中性线中间串一小电阻(0.5~2.08)，通过一外部电源在该电阻上形成一直流电位，以此调节变压器中性点的直流电位来达到减小流入变压器绕组直流电流的目的，该电阻同样需要保护旁路。

2.3串接电容法
基本思路是将电容串接入变压器的中性点与系统地之间以达到隔断直流电流的目的。

主变中性点装设电容后，在主变高压侧发生单相接地故障等情况下，主变中性点会流过很大的电流，并产生幅值很高的暂态电压。

当电容器两端电压超过一定限值后，可通过电流旁路保护设备动作将电容器旁路，以限制中性点电容器上的暂态电压幅值，这样则不需要容量很大的电容器来承受故障电流，节省了安装空间，缩减了成本，也避免了对主变中性点绝缘的不利影响。

在短路故障清除后，电流旁路保护装置自动返回到动作前状态，将电容器重新投入运行。

如果主变中性点电容器损坏或电流旁路保护装置发生故障，则可闭合与之并联的旁路刀闸将其旁路，使主变中性点直接接地，然后再打开装置两端的隔离刀闸，使其与系统隔离，即可对电容器或电流旁路保护装置进行维修。

2.4反向电流注入法
反向电流法是指把变压器中性点接一个直流发生装置，产生一个与直流接地极电流大小相等、方向相反的直流来进行补偿，以此来削弱甚至是消除中性点直流量，从而避免变压器发生直流偏磁。

国内外学者提出利用反向的直流电流来抵消或消弱该电流的不利影响。

可以在不改变系统参数，同时又对继电保护、自动装置、绝缘配合等不产生影响的情况下运行，结构简单、补偿可控、经济易行。

其负电位补偿时可对地网起阴极保护作用。

三、直流偏磁抑制措施比较
在进行直流偏磁抑制措施的比较(主要是技术上和经济上)，依据的原则主要有：①不影响系统的运行性能，可靠性，操作灵活性；②不能明显影响其他装置的运行；③尽量简单可靠。

反向注入电流法抑制直流偏磁的效果非常好，灵活性好，对原系统影响最小，但是加装的补偿装置结构比较复杂，还需安装监测装置，安装、运行、维护成本都很高。

目前该方法已经在很多地方投入运行，也取得很好的效果。

电位补偿法和反向注入电流法比较相似，和反向注入电流法相比，电位补偿法不需要另建辅助接地极(网)，其电流源容量通常小于反向注入电流法，成本稍低，但补偿装置的接入对周边变电站有一定的影响。

中性点串联电容法抑制效果也比较好，对系统距离保护及自动装置的影响较小，但旁路装置比较复杂，这样使得整体造价较高。

在几种常用装置里面使用最普遍。

中性点串联电阻改变了系统结构，对继电保护特别是距离保护影响比较复杂。

中性点接入电阻型抑制装置带来的影响要大于电容型抑制装置，但在经济性和安装复杂程度方面具有一定的优越性，可靠性好，不会引起谐振问题。

中性点串联阻容法融合了中性点串联电容法和中性点串联电阻法的优缺点，结构比较复杂，效果较好，成本较串电容法低。

线路串电容法由于对系统的影响比较复杂，要达到理想效果的成本也比较高，可操作性不好，同时，对系统继电保护装置，自动化装置，故障定位装置的整定也影响较大。

对变压器中性点直流进行监测适合从整个系统出发，对系统直流偏磁情况的一个掌握。

适合太阳风暴“重灾区”和高电压等级的变电站。

这些抑制措施的优缺点比较可以总结见表1。

结语
本文对变压器直流偏磁抑制方法进行了研究，对比了现有抑制方法的优缺点，并且本文提出了直流偏磁抑制的新方法，经过样机研制和实验研究证明，该方法有很好的直流偏磁抑制效果，为直流偏磁抑制方法的研究提供了新思路。

参考文献
[1]刘宗伟，变压器中性点直流偏磁的抑制[D].沈阳工业大学，2010.
[2]王倩，刘连光.直流输电及磁暴引起变压器直流偏磁问题的研究[D].华北电力大学，2006.
邦帮（1987.12-），男，江西丰城人，广州普瑞电力系统设备有限公司，工程师，从事电力设备状态监测系统的推广和技术服务工作。