变压器直流偏磁抑制技术研究_邵帅

2017年第13期

电力科技科技创新与应用

变压器直流偏磁抑制技术研究

邵帅

（神华国华九江发电有限责任公司，江西九江332500）

1研究背景与意义

为了促进国家“西电东送、全国联网”逐步实施的能源发展战略，中国策划了一系列高压输电直流线路，其中具有很多困难，具有很长的输电线路，传输容量大，损耗低，自动化程度高等特点。在高压直流输电东北项目中，呼伦贝尔至辽宁高压直流输电工程建成后，打开蒙东电网至辽宁中部传输电力网络的渠道，形成了第一个国网系统交直流混联系统，电力系统的电力输出，大大提高了传输跨区域电力的能力。然而，输电线路直流输电具有一定的故障时或者调试的时候，必然在操作单极模式，操作模式双极传输系统转换为单级传输的过程中，将使用土地作为电路回流到系统中，数千安培通过接地注入地面，它会导致在周围的变电站接地极电位产生变化。进而形成一定的电位差，直流电将从输电线路流经大地到变压器中性点，使变压器出现直流分量，从而产生变压器偏磁现象。同时，交流输电系统会产生不同程度的影响，特别是在变压器的交流直流分量叠加，从而引发变压器铁芯磁通的变化，在交流系统中将会产生振动、噪音等等问题，严重影响电力系统的稳定运行。

因此，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。

2变压器直流偏磁分析

2.1变压器的直流偏磁机理

流入变压器绕组直流会使铁芯磁场出现不对称曲线，更显著问题是直流偏磁的出现。这时系统内的主变压器噪音会变大，而激磁电流内产生大量谐波，且变压器的无功损耗会增加，使系统的无功补偿装置发生过载现象，或是线路的电压降低。谐波进入电力系统中，从而导致异常的电压波形出现，以及该滤波器将过载，保护误动作。

使用变压器中性点接地的方法进行高压直流输电，中性点接地的方法是可通过该方法将单极大电流返回大地，实现单极工作。基于该直流接地极接地，接地电阻会导致各变电站系统之间产生压差。例如两个分站之间具有电位差，要求系统内各变压器必须承担的电位差变化的影响。中性点的交流系统运行过程中，系统大型并联变压器因为电位差可能产生直流电流，从而形成主变压器的直流偏磁，对变压器带来一定的影响。

2.2直流偏磁产生的原因

直流偏磁产生的原因有几种，在变压器的正常运行时出现的此现象，通常是由以下两个方面引起的：

（1）太阳等离子风和地球磁场互相作用进而产生的磁暴。在地球表面造成的磁场电位梯度，其高低与大地电导率以及磁暴的大小有关，在土壤高电阻的区域电位差可能达到相当高的程度。1989年3月13日太阳磁暴导致魁北克电网造成大范围的停电。这类直流偏磁的是很大，但持续时间短，发生频率较少。

（2）直流输电系统和交流系统的电压，在同一区域或系统同时运行电流，电压电流负载曲线非对称。超高压和特高压直流输电系统有几个运行方式，如正和负双极运行中，一个单级一金属回路运行等。单极大地返回运行方式是使用大地作为回路，通过一导线设置工作电流回路，能够有效地节约建设成本，这是高压直流输电的重要途径。当双极运行回路中，如果存在双极不对称运行，不对称和接地故障等有关，这时候类似于单极大地返回运行方式。在高压直流传输系统的回路方式中，单级一金属运行方式和双极回路时，一般不会影响交流电网中的变压器。在单极大地返回运行方式或正、负极严重不对称运行时，系统中的变压器将受到严重影响，导致中性点直接接地的变压器产生直流偏磁现象。影响的程度除了与直流换流站距离有关系外，也与土壤、地貌等情况有关系，辐射范围将呈不规则形状。此类直流偏磁的数值相对会小，但是持续的时间长，而且周围变电站受影响的可能性变大。

2.3直流偏磁对变压器的危害

当高压直流传输系统接地极电流引发变压器电位增高时，如果两个变电所存在电位差，直流电流将流经电力系统及变压器中性点到变压器线圈，使得变压器铁心磁通量急剧饱和，从而提高磁通量泄漏，从而增加了铁损，使变压器铁心和夹件过热导致绝缘老化，危害变压器使用寿命，对变压器的正常运行产生很大的影响；在同一时间内，直流电流会让励磁电流的产生畸变，从而出现了大量的谐波，从而造成变压器损耗增加，振动增强噪声增加等一系列影响。而且直流偏磁还会使继电保护误跳设备，可能导致大电容器退出系统，系统电压迅速下降，最终失去了大部分的负荷。

2.3.1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。

2.3.2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。

2.3.3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

摘要：我国的煤炭资源三分之二都集中在内蒙古、山西，使用中这些能源进行火力发电，生产电力向沿海经济发达地区运输要使用远距离传输技术。采用长距离传输的直流输电方案，有利于提高电力传输的经济性、灵活性、稳定性，系统运行过程中调度电力也比较灵活，高压直流传输技术具备非常好的前景。然而，高压直流输电系统易出现主变直流偏磁，当系统直流用单极大地返回工作的方式，会出现主变压器异常，噪音增大振动变大。随着我国大力实施西部向东输送电力的政策，中国高压直流输电（HVDC）技术越来越多地使用在电力网络中，这个问题显得更加迫切和重要。国华呼伦贝尔电厂产生的主变压器直流偏磁现象，是由于接地网之间存在电位差引起变压器中性点产生直流分量，在交流系统中将会产生振动、噪音等等问题，严重影响变压器的运行，进而影响整个系统的稳定运行和设备安全。

关键词：变压器；直流偏磁；抑制技术

183

--