直流偏磁抑制措施研究综述

直流偏磁抑制措施研究综述

发表时间：2019-01-16T10:04:53.300Z 来源：《电力设备》2018年第26期作者：郭恩业陈文学

[导读] 摘要：近年来，随着高压直流输电和变压系统的发展，我国直流偏磁现象越来越严重。

（国网山东省电力公司检修公司山东济宁 272200）

摘要：近年来，随着高压直流输电和变压系统的发展，我国直流偏磁现象越来越严重。研究可广泛使用的有效变压器，确保变压器安全运行的直流偏置抑制措施具有重要意义。

关键词：变压器；直流偏磁；抑制措施

直流偏磁是由于外部电压环境变化引起，而强加于中性点直接接地的变压器，研究直流偏磁抑制技术对电力系统的正常运转具有重要的实际意义。分析所产生的直流偏磁的原因分析，并研究适当的措施来抑制直流偏磁，使高压输电过程中的变压器的安全性得以提高。

1直流偏磁产生原因

1.1地磁暴

当太阳发生耀斑等剧烈活动时，太阳产生高温等离子体高速向地球运动，导致地磁场发生剧烈变化，使大地表面产生低频（0.001～1Hz）感应电动势（ESP），处于不同电位梯度的接地变压器通过输电线和大地形成回路，回路中流过感应电流（GIC），由于感应电流频率较低，相对于工频来说接近于直流，因此可使变压器产生直流偏磁现象。

1.2高压直流输电

高压直流输电（HVDC）系统由于具有造价低、损耗小、稳定性高等优点，在远距离、大功率输电中得到越来越广泛的应用。当系统以单极大地回线方式或双极不平衡方式运行时，可能高达上千安的直流电流将通过换流站接地极流入大地，直流电流回路上的大地将产生电位梯度。

1.3直流杂散电流

杂散电流是指在设计或规定回路以外流动的电流。直流杂散电流主要来源于轨道交通等直流电气化铁路、冶炼厂等直流电解系统和直流电焊系統等直流负荷。直流杂散电流的流动导致回路上的大地产生电位梯度，不同电位梯度上的接地变压器中性点将流过直流电流。 2直流偏磁对变压器的危害

2.1噪声增大

变压器噪声是由硅钢片的磁伸缩引起的，在正和负不对称周期性变化的磁场下，硅钢片调整它们的大小，从而引起振动和噪音。振动产生磁致伸缩也是不规则的，这就会使噪声随磁通密度增大而变大。当变压器绕组中流经直流电流时，使得励磁电流产生畸变，产生了各次谐波，同时主磁通也成了正负半轴不对称的周期性变化磁场，噪声也就增加了。在直流偏磁情况时，变压器绕组中同时包括奇次和偶次谐波分量。因此，对应谐波电流，变压器的噪声频谱中既含奇次谐波分量，又含偶次谐波分量。变压器铁芯硅钢片的磁致伸缩使铁芯变压器也使得振动变大，振动大，导致变压器的部分松动，使松弛，引起发热，放电等，或缠绕部件掉落，危及变压器的安全运行。这表明，该温度上升引起的直流偏磁的高噪声和振动引起的严重问题。

2.2变压器损耗增加

变压器的损耗包括绕组损耗（铜损）和磁芯损耗（铁损）。变压器的铜耗包括基本运行的铜耗和额外损失。在直流偏磁的影响下，变压器的励磁电流可显著增加，导致变压器铜损的急剧上升。然而，由于主磁通保持正弦波和磁通密度的变化比较小，所以通过相对小的进气的铜产生的附加铜损的电流直流偏磁的影响主要是基础铜耗。变压器铁损包括铁芯损耗和附加铁损。基本铁损成正比的磁通密度的平方成正比。对于接线方式为Y/Δ和Δ/Y的变压器，励磁电流中包含着谐波分量，因为主磁通仍然是正弦波，以使直流电流变压器绕组不会在产生铁心损耗太大的影响。但是，励磁电流流经磁曲线的饱和部分，所以造成变压器漏磁通增大。而这些漏磁通将扩散到夹板、外壳等部件，使其产生额外的涡流损失，即额外的铁损。这部分铁耗将随着磁通增大而增大。这就说明变压器线圈中直流电流的增大，其铁损就会随之增大。直流偏磁将导致变压器的励磁电流增大，其产生多个谐波涡流损耗和铁损大幅增加，由于导线的集肤效应造成铜损耗增加。有了稳定的，持续增长漏磁变压器直流偏磁，使得铁实际损失变大，其他结构的温度上升，造成油局部温度和温度上升，影响的绝缘和变压器组件，甚至造成变压器损坏。

2.3变压器振动加剧

变压器的振动主要为铁芯硅钢片磁滞伸缩引起的，振动频率作为周期性励磁电流。在直流电流流经变压器线圈时，磁通出现偏移故而变压器的励磁电流畸变，造成铁心磁滞伸缩增大，并且漏磁通的增大造成了变压器线圈电动了的增大，对变压器振动加剧有一定的影响。

2.4导致系统电压波形畸变

当变压器发生直流偏磁时，直流偏磁能使变压器变成交流电源系统的谐波源，该系统将引起电压波形畸变，有可能引起的问题有：继电保护误动作，滤波器过载，操作过电压等等。直流偏磁对输电系统也会引起负面影响，如流过变压器的直流电流导致电流的增加，增加了变压器无功功率损耗，因此，可能导致系统的电压降低。

3抑制措施

3.1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。

3.2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。

3.3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。

3.4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。

结束语

结合变压器直流偏磁抑制原理，分别对直流电流法、串联电容法、串联电阻法和直流电位补偿法四种抑制直流偏磁方法进行分析和比较，研究其中的优缺点和可实施性，最终对串联电容法和串联电阻法重点进行应用仿真研究，得出结论变压器中性点串入电阻以后可能受到影响的保护为：线路距离保护，变压器中性点零序过流保护，以及线路零序保护等等，而变压器中性点串联电容对继电保护的影响微乎其微，可以达到在不影响变压器保护的前提下保障机组安全、可靠运行。

参考文献

[1]顾晓安，沈荣瀛，徐基泰.大型电力变压器振动和噪声控制方法研究[J].噪声与振动控制，2016，21

[2]张露，阮羚，潘卓洪等.变压器直流偏磁抑制设备的应用分析[J].电力自动化设备，2016，33