直流偏磁简介

直流偏磁

1 背景

高压直流(HVDC）输电系统在我国正得到越来越广泛的应用。为了实现远距离或超远距离大容量送电,将有更多高压甚至特高压直流工程建成并投入运行。实践证明，直流输电在一定条件下，是具有很大的经济效益。交直流混合运行的电网结构使得交直流系统之间的相互影响越加明显,对南方电网而言尤为突出[1]。而在HVDC运行过程中发现，双极两端中性点接地直流换流站接线方式广泛运用到远距离的高压直流输电领域中。虽然正常运行时两极电流相等，地回路中的电流为零，但是只要是运行过程中两极的电流不相等（采用单极运行、双就极电压对称电流不对称或者双极电流电压均不对称方式运行），接地极都会有电流流过，在直流输电线路和大地间形成回路，造成直流偏现象。[2]在我国，110kV 及以上电压等级系统中性点采取直接接地。如果出于不同地点的变电站的中性点点位被不同程度的抬高，则直流电流将通过大地和交流线路，由于一个变电站（变压器中性点）流入，在另一个变电站（变压器中性点）流出，继而产生直流偏磁。在电网中，很多变压器都受到了直流偏磁电流的影响，受到影响的变压器有的是在换流器直流接地极附近，有的却是远离直流接地极[3]。事件初期，曾经怀疑主要是换流站的谐波电流所致，之后逐渐将注意点集中到中性点接地变压器的直流偏磁上，为了验证这些变压器正是受到了直流偏磁的影响,工程上也采取不少的方法。直流偏磁问题在20世纪80年代后期开始引起国内外研究者的重视并陆续开展了相关研究。有关的抑制措施也曾有工程应用。然而,截至目前,工程应用中仍未有简单、实用、可靠的解决方案,也没有长期可靠的运行经验做支撑。本文将主要介绍一下直流偏磁产生的原因、现象、危害及抑制措施等。

2 直流偏磁产生的原因

2.1 直流偏磁的产生机理[4]

变压器的铁心是由0.3 至0.35mm 的硅钢片叠成，因硅钢片的磁化曲线成非线性，使铁心磁通φ与通入磁化线圈的电流i 成非线性，即φ=f（i）成非线性关系，如下图2.1(b)所示，在设计变压器时，为了充分利用铁磁材料，使变压器额定运行时主磁通φ运行于如图2.1(b)中的线性区端点A 点。这样，当变压器正常运行情况下再给磁化线圈通入直流电流时，即励磁电流i 的曲线相对于坐标轴整体向上或者向下平移一个值，直流磁通

φo 和交流磁通φ相叠加，就形成了偏磁时的总磁通与直流偏磁方向一致的半个周波的磁通密度大大增加，而另外半个周波的磁通密度反而减小。与之对应的励磁电流波形也会发生变化，呈现正负半波不对称，如图2-1(c)所示

图1 直流电流对变压器励磁电流的影响

一般来说产生的直流偏磁电流主要有两种来源：一是太阳活动产生的地磁感应电流（GIC），二是高压直流输电系统（HVDC）的单极-大地运行。

2.2 太阳活动产生的地磁感应电流

太阳活动，尤其是耀斑爆发抛射出的高温等离子体以每秒数百公里的速度袭向地球，在地球磁层的阻挡下，有小部分离子体流进入近地空间，由此导致的地磁场短时间内的急剧变化会生成地面感应电动势（ESP），ESP 在输电线、中性点接地变压器和大地回路中产生地磁感应电流（GIC）。由于GIC 的频率很低（0.001Hz～0.1Hz），与工频相比可视为准直流，较大的GIC 电流可导致变压器直流偏磁现象。

图2 太阳活动之日冕（左）及耀斑（右）

2.3 直流系统单极-大地运行方式

当交、直流系统在同一个区域同时运行的时候，尤其是在HVDC 系统单极—大地回路方式运行时，由于土壤电阻分布径向不均，如果接地极附近有变压器中性点接地的变电所，地下金属管道或铠装电缆等金属设施，由于这些设可能给地电流提供了比大地土壤更良好的导电通道，因此，一部分电流将沿着并通过这些设施流向远方，这样就造成很难通过计算确定的各个变电所中性点电位的抬高。[4]这必然导致各个接地点之间存在一定的电位差。这样的电位差将使得从变压器一次侧的中性点向变压器注入一定的直流电流。侵入交流系统的直流电流的大小除了与直流换流站与交流变电站之间的距离、交流系统的结构和参数有关

外，还与电流流经的土壤电阻率密切相关，电阻率越高的地方更容易产生高的电位差，对应的入侵直流电流也就越大。

图3 由直流输电引起的交流电力系统直流偏磁现象

3 直流偏磁的现象及危害

3.1 直流偏磁的现象

直流偏磁下，直流磁通和交流励磁磁通相叠加，形成总磁通密度。与直流偏磁

方向一致的半个周波总磁通密度的数值大大增加，另外半个周波则反而减小，对应

的励磁电流波形呈现正负半波极不对称的形状，这也就是我们所说的尖顶波。[5]

图4 直流偏磁下励磁电流及波形

3.2 直流偏磁对变压器的影响

变压器直流偏磁时，对于变压器，可以使铁芯磁通严重饱和，励磁电流高度畸变，产生大量谐波，噪声明显增大，金属构件损耗增加，无功损耗增加，严重时可能会导致局部过热现象，破坏绝缘，以致损坏变压或降低使用寿命[6]

直流偏磁主要危害是变压器产生直流偏磁，主要有以下几点：

1、变压器励磁电流的畸变；

2、噪音增大；

3、对变压器波形的影响，当铁芯工作在严重饱和区，漏磁通会增加，在一定程度上使电压的波峰变平；

4、变压器损耗耗的增加；变压器的损耗包括磁芯损耗（铁耗）和绕组损耗（铜耗）。变压器铜耗包括基本铜耗和附加铜耗。在直流电流的作用下，变压器励磁电流可能会大幅度增加，导致变压器基本铜耗急剧增加。但由于主磁通仍为正弦波，且磁密变化相对不大，所以直流偏磁电流对附加铜耗产生的影响相对较小铜耗主要是基本铜耗。变压器铁耗包括基本铁耗（磁滞和涡流损耗）和附加铁耗（漏磁损耗）。基本铁耗与通过铁心磁密的平方成正比，和频率成正比。

5、直流偏磁也是造成变压器振动加剧的主要原因，变压器的振动噪声与谐波随着中性点直流电流的增加而增大，而中性点直流电流的大小大致与下面几个因素有关系：单极大地运行方式的直流线路送电功率；直流线路的极性。这一现象可以用大家熟悉的变压器铁心饱和磁化特性来解释：流经绕组的直流电流成为变压器励磁电流的一部分，该直流电流使变压器铁心偏磁，改变了变压器的工作点，使得原来铁心工作区的一部分移至饱和区，结果磁通对应的总的励磁电流变成尖顶波，最终导致变压器振动增大[7]。

6、对变压器无功及电容器的影响；在变压器中，由于励磁电流滞后于系统90度，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。如果通过电容器的电流中含有谐波成分，由于趋肤效应，有可能产生比基波更大的热效应。具有并联电容补偿的系统中系统在某一频率下可能与并联电容器发生谐振，从而引起注入系统合电容组的谐波电流的放大，对系统和电容器产生严重的影响。

3.3直流偏磁对电网的危害

当电网中存在直流偏磁电流的时候，电力系统的正常运行会受到很大影响和危害。在国外，直流偏磁引起电网产生重大事故的事件有很多,如1989年3月13R，加拿大魁北克地区的电力系统大停电是在历史上遭受地磁感应电流(直流偏磁电流产生的原因之一)影响最严重的电力系统停电事故，这次事故使得魁北克地区的电力系统电力中断长达9个小时，将近600万人在这段时间内无电可用，造成了巨大的社会影响和经济损失。

总的来说，直流偏磁现象对于电网的危害可以归结于以下几点：

1、电力系统电压下降；

2、电容器组过载；

3、继电保护误动作；

5 直流偏磁的抑制措施及比较

5.1 串联电容法

中性点串联电容器接地后，是利用电容器隔直流通交流的特性来抑制直流电流的，抑制装置原理图如下所示