直流偏磁之我见

直流偏磁之我见

摘要：

1 直流偏磁产生的原因

电力变压器中的“直流偏磁”是指由于某种原因导致的直流磁势或直流磁通，以及由此引起的一系列电磁效应，主要发生于如图所示的变压器变压器形式（Y0d 接法）及系统连接中。在线运行的变压器绕组内产生较大的直流分量，可以由如下原因引起:

1.1 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”

地磁场的变化将在地球表面诱发电位梯度。在地面电导率较小的地区，当发生严重地磁风暴时，这种电位梯度可达每公里几伏至上百伏，持续时间可为几分钟到几小时，这一低频且具有一定持续时间的电场作用于输电系统中中性点接地的电力变压器时，地表电位梯度将在其绕组中诱发地磁感应电流，其频率在0.001～1Hz之间，与50Hz的交流系统相比较，可看作近似的直流，其值可达80～100A 以上,在一些自耦变压器中已测得地磁感应电流每相超过200A。地磁风暴影响电信系统最早于1846年在英格兰被注意到,而电力系统干扰与地磁现象的联系直到1940年才在美国被报道，这一现象在近几十年中曾多次发生，但直到1989年3月13日，严重的地磁干扰影响了世界范围的电力和通讯系统，这才引起人们的重视。这次干扰造成加拿大魁北克水力发电中断；美国东海岸发电站的大型升压变压器被毁，其中连接两个低压绕组导线的铜接头烧毁；磁暴期间有8台自耦变压器出现不同程度的过热, 其中一台因严重的油箱过热而损坏。美国IEEE输配电委员会从1990年至1993年，每年召开专题研讨会，专门成立了“地磁干扰及其对电力系统的影响”研究小组，并于1993年提出了有关研究报告[3]。研究表明较大的地磁波动会引起电力系统出现不寻常的无功和有功波动、极度的电压波动、频移、不必要的继电器操作、变压器三角形绕组中三次谐波电流增加以及通讯、远程监测和监督管理报警误动作。我国幅原辽阔，在一定地区存在地磁感应电流的可能性是存在的。国内对Glc问题的研究开始于20世纪90年代后期。天津大学进行过GIC对电力变压器影响及消除方法的研究工作，华北电力大学针对我国

电网发展的需要，运用对比法初步分析了GIC对我国电网的影响。

1.2 直流输电单极大地回路运行产生的地中直流

在单极大地回路运行方式或双极不平衡运行方式的时候，大地作为直流输电回路，流通的电流为直流输电系统的运行电流，在其换流站周围一定区域内会产生地表电位，使周边中性点接地变压器在中性点产生直流分量。其中流经两台中性点接地的变压器的直流电流分量，取决于两台变压器所在点的电位，变电站接地电阻、变压器绕组直流电阻和线路的直流电阻等因素，当流过变压器每相绕组的直流电流增大达到一定程度时，必然会引起铁心磁饱和，从而导致励磁电流波形发生畸变，从而引起变压器发生直流偏磁。我国许多直流输电接地极额定电流高达3000A，必然影响极址周边中性点接地变压器的正常工作。

1.3 直流输电线路与交流输电线路的并行运行或交流网络中存在电压电流关系曲线不对称的负载。

交流网络中存在电压电流关系曲线不对称的负载。电压电流关系曲线不对称的负载，如相控交流负载、相控整流器、单波整流器、线路换向逆变器都能产生直流分量，另外在控制不对称的直流输电系统以及某些变频器系统中，变压器绕组电流均含有直流分量，它们对铁心饱和的影响与有接地直流电流进入变压器中性线时相同。测量表明，如果在不同的接地点存在直流或准直流电位差，每相25A 的等效直流在735kV自祸变压器可持续数小时，在315kV换流变压器中此电流可达3OA。

2 直流偏磁问题研究概况

2.1 总体概况

国外从八十年代初就开始了地磁感应对电力系统及其设备运行性能影响的研究，在国际上公开发表的文献大体上可分成三类,最主要的一类是从事电力系统运营的公司和研究机构从电力网安全运行的角度研究磁暴等地磁干扰对交流输电系统[1,2,12-14]以及直流接地基对直流输电系统的影响[15],其中大多数是在分析接地系统特点、地表电磁场分布、地磁感应电流在系统中的分布以及复杂电力系统网络模拟方法等的基础上，进行关于电力系统在地磁干扰情况下，系统中可能出现的直流大小、谐波含量及对系统无功的影响等方面的研究。第二类是对电力系统监测和对变压器进行试验，其中监测是对电力系统地磁场及电力系统故障进行的[6,16,17]，试验则是用不同规模的变压器在其中性线中注入直流进行励磁电流、漏磁和温升等方面的试验[10,18,19]。第三类是对地磁干扰状态下的变压器进行仿真计算，主要用解析法[6]、等效磁路和电路法[11]或部分结合有限元分析[21-23]进行存在直流时的变压器性能分析。

2.2 当前的研究中存在的问题

综合国内对特高压直流输电接地电流对变压器影响的研究可以看出，尽管取得了一些研究成果，弄清了直流偏磁的部分作用机理，但仍然存在不少问题没有解决。南京理工大学博士蒯狄正基于现场测试和试验研究中性点直流量对变压器、继电保护装置和变电所接地网的影响，但现场测试和模拟试验存在较大误差，不能准确反应中性点电流对变压器的影响[59，“0];沈阳工业大学博士姚缨英用电磁场数值法分析了直流偏磁下变压器的励磁电流波形、漏磁、损耗和局部发热情况[6’，“2]，并用场路祸合解非线性瞬态涡流场的计算方法来研究交直流共同作用下的磁场分布，但没有明确变压器中性点允许通过的电流限值。接地电流引起的直流偏磁对系统及其用电设备运行性能的影响大多从系统的角度去研究，变压器都是用简化的等效电路或磁路模型来代替，这对于制造厂家来说过于粗糙。接地电流引起的直流偏磁对变压器运行性能的影响主要通过实验进行，而实验研究消耗时间、经费，而且很难找出变压器结构与直流偏磁效应之间的关系【‘]。1993年shuLu和YiluLiu[，’]用磁路分析结合有限元分析的方法模拟了五种不同结构铁心

的变压器对GIC的敏感程度，认为所有的单相和三相结构都易受GIC的影响，若直流偏磁增加，三相三柱铁心形式也能达到饱和并受到GIC的影响。但该文献只考虑直流对变压器的作用而忽略了交流，己引起其它研究者的质疑，R.A.walling 认为不考虑交流仅分析直流来研究地磁感应会有较大的误差。文献【54]对三台小尺寸模型变压器进行了直流激励测试，发现单相三柱变压器对直流的敏感程度最强，三相三柱最弱，随直流量的增加，三相三柱激励及漏磁几乎不变。分析计算时，直流源的引入方式对结果影响很大。文献【63]认为同侧引入直流电流比异侧引入直流电流更能准确地反映地磁感应电流或直流输电线路单极运行引起的变压器直流偏磁问题。

3.3 尚需深入研究的问题

综上所述，直流偏磁现象还有不少问题需要深入研究。比如:中性点直流量的大小靠实测得出，而缺乏相应的理论计算模型;接地电流引起的直流偏磁究竟对变压器有什么影响并没有统一的认识;目前尚无对中性点直流量进行在线监测的装置;变压器承受直流偏磁的能力没有详细的分析;导致变压器局部过热的机理和位置没有得到共识。

3 直流偏磁对变压器的危害

3.1 噪音增大

当变压器线圈中有直流电流流过时，励磁电流会明显增大。对于单相变压器，当直流电流达到额定励磁电流时，噪音增大10dB;若达到4倍的额定励磁电流，则噪音增大ZOdB。此外，变压器中增加了谐波成分，会使变压器噪音频率发生变化，可能会因某一频率与变压器结构部件发生共振使噪音增大。三峡直流输电系统向系统输送，自2002年12月三峡500kv直流输电(湖北龙泉一江苏政平)开始调试和试运行以来，常州武南两组500kV主变压器均出现噪声大幅度上升。而在贵广直流线路中，2004年5月监测记录表明，贵广750MW单极大地回路运行方式下，春城站主变压器中性点直流电流34.5A，噪声93.9dB。

3.2 振动加剧

变压器本体的振动主要源于硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动。磁致伸缩使铁心