直流偏磁对500kV变压器运行影响的分析及处理

直流偏磁对500kV变压器运行影响的分析及处理

发表时间：2018-05-14T16:29:19.340Z 来源：《电力设备》2017年第34期作者：程玉平黄书踪赵虎

[导读] 摘要：高压直流输电在“单极-大地回路”运行方式下，通过换流站接地极流入大地中的直流电流会产生直流偏磁，直流偏磁对周围运行的变压器可能带来不利影响。

（中广核工程有限公司）

摘要：高压直流输电在“单极-大地回路”运行方式下，通过换流站接地极流入大地中的直流电流会产生直流偏磁，直流偏磁对周围运行的变压器可能带来不利影响。南方电网普桥直流输电工程受端距离阳江核电厂较近，在普桥直流输电工程入运行调试前，测试了对阳江核电厂500kV主变压器的影响情况。最终阳江核电厂在主变压器中性点接地回路上加装了一套抑制直流偏磁装置，解决了问题。

关键字：高压直流输电；直流偏磁；主变压器中性点；噪声；振动

一、直流入地电流对中性点直接接地变压器的影响原理介绍

高压直流输电在系统调试与故障情况下会处于“单极-大地回路”运行方式，此运行方式以大地为回路，电流由接地极流入大地，这些电流在地中形成的电流场在很大范围内造成了地电位明显的差异，即各变电站之间存在地电位差，当变电站变压器中性点接地时，交流系统中就会有直流电流流过[1]。原理如图1所示：

图1 直流入地引起主变压器直流偏磁现象原理图

在图1中，当直流输电系统通过接地极向大地流入直流电流（Ie）时，在接地极周围会产生直流地表电位，离接地极近的A变电站地电位比离接地极远的B变电站的地电位要高，形成电位差。当相互联络A、B变电站中的变压器中性点直接接地时，处于不同直流电位的A、B 变电站会经输电线路、变压器绕组及大地构成直流回路产生直流。直流电流流入变压器绕组时，会在变压器铁心内部产生一定的直流磁通，使变压器主磁通在正负半周明显不对称，发生偏移，从而产生直流偏磁。

二、直流偏磁对在运变压器的危害

直流分量通过变压器中性点或者输电线路流入变压器绕组时，给变压器励磁电流叠加一个直流分量，在变压器铁心内部产生一定的直流磁通，使变压器主磁通在正负半周明显不对称，发生偏移，产生直流偏磁。直流偏磁导致励磁电流工作在励磁特性曲线的饱和区，从而使得励磁电流发生畸变，如下图2所示：

图2 直流偏磁对励磁电流影响示意图

励磁电流波形的畸变对变压器的影响主要在如下几个方面[2]：

（一）变压器噪声和振动增大。变压器铁心的磁滞伸缩是变压器噪声的主要来源，变压器励磁电流中含有直流分量时，会使磁滞伸缩现象出现明显的非线性，使噪声的频谱中含有多种谐波分量，由于变压器噪声频率发生变化，会导致因某一频率与变压器结构部件发生共振，使得噪声增大。另外直流偏磁引起的高振动会导致变压器内部结构件松动，如变压器内部铁心板扎带、拉板、线圈压板及地脚螺栓等，变压器的振动也会导致绕组绝缘件磨损，影响变压器绝缘强度及抗短路冲击能力。

（二）变压器输出电压谐波含量增大。当变压器铁心饱和时，变压器漏磁通增加，使得电压波峰变平，谐波电压和电压总谐波畸变率增大，导致变压器成为交流系统的谐波源，对电网带来一定的影响。

（三）变压器无功损耗增加。由直流偏磁引起变压器饱和时，励磁电流增加，使得变压器消耗的无功增加。

三、直流输电对阳江核电厂500kV主变压器影响测试

阳江核电厂500kV主变压器由三台容量分别为400MVA单相主变压器组成的三相主变压器组，主变压器中性点采用直接接地运行。

南方电网±800kV普桥直流输电工程起于云南普洱，止于广东江门，线路全长1413km，额定输送容量5GW。直流送端接地极位于云南普洱市，受端接地极位于广东云浮市，受端接地极距离阳江核电厂约103km[3]。为确认对阳江核电厂主变压器受影响的程度，2015年5月在普桥直流输电工程投运前进行了测试，测试时送段接地极采用阴极工作模式，直流电流由大地流向接地极，受端接地极采用阳极工作模式，电流由接地极注入大地。试验过程中入地电流分别为800A、2400A、3125A，在不同的电流下，测量阳江核电厂在运行的#1、#2、#3主变压器中性点直流分量、变压器噪音、油箱体振动等数值。测量数据如表1所示：

表1 阳江核电厂#1、#2、#3主变压器直流偏磁测量结果

主变压器厂家提供的直流偏磁参数如下：单相变压器能承受的直流偏磁电流为20A，考虑三台单相变压器直流电阻分布不均，三相组合变压器直流偏磁在30min内的最大承受电流为40A。由表1可知，随着试验电流的增大，主变压器中性点直流分量也相应增大，并且主变压器的噪声和振动也同步地增大，说明阳江核电厂主变压器受直流偏磁影响较大，在3125A的入地电流条件下，主变压器最大的直流偏磁电流已达到23.9A，可以确认在远大于试验电流3125A的实际输送电流的状态下，阳江核电厂主变压器中性点直流分量将会超过最大的承受电流40A。

四、阳江核电厂抑制直流偏磁的措施

试验结果确认了阳江核电厂500kV主变压器需要采取措施对直流偏磁进行抑制，目前抑制直流偏磁主要有如下三种方法[4]：（一）中性点串联电阻接地；

（二）交流输电线路串联电容；

（三）中性点串联电容接地。

阳江核电厂#1~#6号机组500kV主变压器采用在中性点串联电容器的方法，具体是在原直接接地的回路上增加一套抑制直流偏磁的隔值装置，该隔值装置工作原理图见图3所示：

图3 阳江核电厂500kV主变压器抑制直流偏磁装置原理图

图中隔值装置的隔离与检修开关，用于切换隔直装置是否投入运行，当主变压器正常运行时，使主变压器中性点直接接地运行；当保护监测装置监测到中性点直流电流大于设定值（10A、延迟5s），切换隔离与检修开关使主变压器串联电容接地运行；当保护监测装置监测到电容两端直流电压降低至设定电压值（5V，持续120min）时，恢复回主变压器中性点直接接地运行。

隔值装置还包括抑制直流电流通过的电容器、起自身保护作用的晶闸管、整流二极管、电感等。在主变压器串联电容接地运行状态下，交流系统发生故障，可能在电容器两端产生高电压时，大功率晶闸管将会导通来避免过高的电压将电容器击穿，同时会由触发单位驱动状态转换开关闭合实现主变压器中性点直接接地。

五、结论

本文分析了直流偏磁产生的机理及对变压器的影响，通过试验检测论证了直流偏磁在运变压器的影响，导致变压器振动增大、噪声增加等。提出了主变压器中性点串电容接地抑制直流偏磁的方法。目前阳江核电厂已投入运行的#1、#2、#3、#4主变压器中性点均加装了抑制直流偏磁的隔值装置，通过跟踪隔值装置的运行情况，发现隔直装置能够满足现场运行需要，有效抑制直流偏磁对主变压器运行的影响。

参考文献：

[1]中华人民共和国电力行业标准。DL/T 5244-2014 高压直流输电大地返回系统设计技术规程[S]。国家能源局发布，2014。

[2]杜峰，张英。直流偏磁对主变压器的影响及抑制措施[J]。变压器，2008，45（7）：11-13。

[3]胡上茂，蔡汉生，贾磊等。普桥直流入地电流对周边交流主变压器直流偏磁的影响[J]。南方电网技术，2015，9（7）：22-27。