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直流偏磁对变压器的影响及防治措施作者：陈默来源：《科学与财富》2011年第04期[摘要] 随着直流输电系统的日益发展，直流输电距离不断加长，输送容量不断加大，直流偏磁对换流站周边的发电厂和变电站主变压器的影响也不断加剧，本文对直流偏磁产生的原因进行了说明，对现有主变压器直流偏磁抑制措施及优缺点进行了阐述，并对今后主变压器直流偏磁研究进行了展望。
[关键词] 直流偏磁对变压器的影响防治措施1直流偏磁产生的原因直流输电系统以输送距离长，输送容量大及损耗小等特点在中国得到越来越多的应用。
当直流输电系统在调试检修期间或发生故障时，将会以单极大地的方式运行。
这时，大地作为回流电路，可能会有高达数千安的直流电流流过。
直流接地极附近的电场分布由于流过直流电流而大大增加，接地极附近出现较高的地表电势。
随着距离的增大，地表电势逐渐降低。
由于不同地点间的地表电势不同，在这一地区的交流电网中，将会有直流电流从接地的中性点流入变压器再通过输电线路流向远方。
变压器绕组流过的直流电流导致运行中的变压器产生直流偏磁，给变压器本身和交流电网的安全运行造成不良影响。
2 直流偏磁对变压器产生的危害变压器直流偏磁是指直流电流从变压器的中性点流经绕组时，铁心内部产生一定的直流偏磁，使得励磁电流正负半周明显不对称，磁通发生偏移。
直流偏磁将周期性地加剧铁心磁密的饱和程度，它给变压器本身和交流电网带来如下问题：a.产生大量谐波变压器在直流偏磁下，其空载电流不仅含有大量奇次谐波，还含有直流分量和偶次谐波。
这将使变电站中，母线电压波形畸变，只是针对滤除奇次谐波电流设计的无功补偿用电容器组因过流而损坏，继电保护误动，合空载长线时产生持续过电压，单相重合闸过程中潜供电流增加，断路器恢复电压增高等。
b.无功损耗增加由于直流偏磁引起变压器饱和，励磁电流大大增加，使变压器的无功损耗增加，可能导致变电站母线电压下降。
c.局部过热变压器励磁电流的谐波高频成分在铁芯中产生更多的涡流损耗，铁耗增加；导线内由于集肤效应使铜耗增加。
直流偏磁对变压器运行影响分析天广输电网络直流单极大地回路运行方式导致网内部分变压器振动加剧，噪声增大，三广直流输电线路投运后类似事件再度出现。
受影响的变压器有的在换流站直流接地极附近，有的却远离接地极。
事件初期，曾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，在检测电网及电厂变压器振动噪声与谐波的同时，也检测中性线直流电流的大小，希望从中找到线索。
然而，大地电流如何流入变压器中性线?其大小又与哪些因素有关?直流偏磁是否影响变压器的安全运行?如何有效消减变压器中性线的直流电流?人们在努力寻求答案。
由于单极大地被很多国家认为是直流输电运行方式之一，而建设中与规划中的南方电网将有更多的直流线路投入运行，所以研究大地直流对交流系统的干扰，并在此基础上提出消减大地直流对交流设备安全影响的工程方案已经刻不容缓。
笔者曾对直流偏磁与变压器振动、直流偏磁的解算方法以及消减变压器振动的技术措施等进行过一些研究。
本文应用原理性仿真的方法，论证直流偏磁对变压器运行的影响，分析变压器自身缓解外部直流影响的机理，并用仿真算例说明直流单极大地电流与变压器直流偏磁的关联性。
1直流偏磁与变压器振动直流偏磁是造成变压器振动加剧的主要原因。
虽然人们对直流单极大地回路运行方式的负面影响有所认识，然而在南方电网发生的变压器振动加剧的事件表明这种“影响”比预期大。
从现场监测数据可知，变压器的振动噪声与谐波随着中性线直流电流的增加而增大，而中性线直流电流的大小大致与单极大地运行方式下的直流线路送电功率、直流线路的极性有关。
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，使原来磁化曲线工作区的一部分移至铁心磁饱和区，结果总励磁电流变成尖顶波，最终导致变压器振动增大。
1.1磁饱和特性的线性化模拟为突出主要矛盾，我们忽略铁心磁滞回线，并将铁心非线性饱和特性用图1的两段斜率的折线表示，其中线段OA的斜率k 1是磁化曲线线性段的正常斜率，线段AB的斜率k2表示磁化曲线饱和段斜率。
直流偏磁对500 kV变压器振动特性的影响分析何良;吴天宝;李荣;丁登伟;杨洁;李盛涛【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2024(44)2【摘要】特高压直流工程单极-大地回路运行时,直流电流侵入大型变压器绕组,致使变压器振动加剧。
为了深入了解直流偏磁对大型变压器振动特性的影响,分析了变压器的振动机理及直流偏磁的影响机制。
在白鹤滩—江苏±800 kV特高压直流输电工程调试期间,对500 kV三相变压器的中性点电流、振动信号进行了实测,量化了直流偏磁程度,分析了不同直流偏磁程度下变压器振动信号时域及频谱特征。
提取了波形畸变比、奇偶次谐波能量比、累计能量占比、功率谱熵等特征量来分析直流偏磁对大型变压器振动特性的影响。
结果表明:直流偏磁导致波形畸变,1个工频周期内2个半周期对应的振动波形不再对称分布;随着直流偏磁程度增加,振动信号主频分量改变,50 Hz倍频谐波分量增多,其中50 Hz奇次谐波增幅要大于偶次谐波,且影响主要集中在600 Hz以内;由于铁心饱和作用,直流偏磁增大到一定程度时,磁不平衡性降低,振动信号复杂度不再增加。
【总页数】6页(P133-138)【作者】何良;吴天宝;李荣;丁登伟;杨洁;李盛涛【作者单位】清华四川能源互联网研究院;国网四川省电力公司电力科学研究院;成都航空职业技术学院;西安交通大学电气工程学院【正文语种】中文【中图分类】TM41【相关文献】1.特高压直流对500kV变压器直流偏磁的影响分析2.±500kV直流偏磁对变压器的影响及直流偏磁反极性补偿装置的研制及应用3.直流偏磁引起的500kV电力变压器振动和噪声的现场测量与分析4.基于有限元模型的500 kV变压器直流偏磁特性分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
直流偏磁对变压器正常运行影响的分析及应对措施摘要：在高压直流输电过程中，由于单极大地方式运行产生的直流电场或者太阳磁暴产生的地磁感应中电流的直流成分对中性点接地系统变压器的正常运行造成很大影响。
本文从直流偏磁的产生机理入手，着重介绍了3种变压器中性点隔直装置。
关键词：变压器中性点；高压直流输电；直流偏磁中图分类号：tm45 文献标识码：a文章编号：1009-0118（2012）07-0202-01一、引言随着高压直流输电（hvdc）技术在国内电网中越来越多地应用，由于其输送容量大、输送距离远、调节迅速、运行灵活，hvdc在远距离大容量输电、区域电力系统互相连接中起到了十分重要的作用，但也带来了一些新问题。
自2000年12月开始，南方电网大亚湾核电站发现主变压器时常出现噪声异常及增大的情况；2003年初因三龙直流输电启动调试导致江苏电网出现明显的直流电流；天广直流单级大地调试中，附近的电厂、变电站也有类似的情况发生。
因此需要对产生该现象的原因——直流偏磁进行研究并找出应对措施。
二、直流偏磁产生原因及对变压器的危害（一）直流偏磁产生的原因分析当高压直流输电运行在单极大地回线或双极不对称运行方式时，接地极附近有直流电位，该电位和高压直流输电输送的电流大小和该处的土壤电阻率有关。
高压直流输电输送的电流越大，土壤的电阻率越高，电位也就越高。
不同位置的接地变压器的中性点之间犹豫存在着直流电势差且交流系统的电阻值很小，从而使流过接地变压器中性点，在交流系统中形成了回路。
当流过接地变压器中性点的电流过大时，变压器会发生直流偏磁进而导致谐波增加、噪声增大、过热等问题，严重时会引起变压器的损坏，并可能引起保护误动。
（二）直流偏磁对变压器造成的危害1、变压器噪声增加；2、变压器振动加剧；3、变压器漏磁通增大；4、导致继电保护设备误动。
在实际情况中，土壤电阻参数、电网电阻参数是无法进行调整的。
变压器制造商又难以在制造工艺上解决直流偏磁问题。
2009年6月第45卷第3期收稿日期：2008-05-26；修回日期：2008-12-17作者简介：陈青恒（1971），男，博士，高级工程师，从事电力安全运行工作。
0引言随着我国交直流混合输电模式逐渐形成，交直流系统相互干扰的问题也随之出现。
当直流线路采用单极大地回路运行时，通过直流系统的接地极流入大地的直流电流将对交流电力系统内的电力设备产生影响。
天广直流输电系统直流单极大地回路运行方式下，网内部分变压器振动加剧、噪声增大，对噪声与调试负荷进行比对的结果表明二者具有明显的相关性，类似的经验和大量试验数据表明，直流偏磁是造成变压器振动和噪声加剧的主要原因[1，2]。
电力变压器常规运行时，磁致伸缩和漏磁引起的铁心叠片以及绕组之间的振动是引起变压器箱体振动的主要原因[1，3，4]。
当出现直流偏磁时，变压器内部漏磁通在幅值上有明显的增加，高次谐波也大量出现，从而导致绕组之间、硅钢片之间的振动有明显的增强，振动通过绝缘油和铁心垫脚传递到箱体表面，也将反映出幅值增大和谐波增加的特点[5-7]。
该试验在广东惠州500kV 变电站单相电力变压器上进行，在三广直流线路调试单极大地回路运行方式运行期间进行监测，采用振动与噪声传感器以较高采样频率同步提取有无直流偏磁条件下变压器工作时的噪声和振动信号波形，对其频谱进行了分析比较，给出了变压器振动和噪声与直流偏磁的关系曲线，并提出了一种判断电力变压器振动和噪直流偏磁引起的500kV 电力变压器振动和噪声的现场测量与分析陈青恒1，马宏彬2，何金良2（1．Guangdong Huizhou Power Supply Bureau ，Huizhou 516000，China ；2.State Key Lab of Power Systems ，Dept.of Electrical Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ）Field Monitoring and Analysis on Vibration and Noise of 500kV ElectricalTransformer under DC Current Biasing（1.广东惠州供电公司，广东惠州516000；2.清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点试验室，北京100084）CHEN Qing -heng 1，MA Hong -bin 2，HE Jin -liang 2Abstract:In order to observe the influence caused by the DC biasing current through the neutral point of the power transformer ，a new on -line vibration and sound monitoring program was designed with use of both qualified vibration and sound sensors at the same time.The experiment was operated in Huizhou 500kV substation and a 500kV single phase electrical transformer was chosen as experimental object.Based on the experiment platform ，steady and clear vibration and sound waveform before and after the DC biasing condition was recorded and spectrum analysis was also achieved based on the data monitored.In conclusion ，DC biasing is harmful for power transformers and the result of this research provides valuable reference to the on -line vibration and sound monitoring system of transformers.Key words:transformer vibration ；noise ；DC biasing ；on line monitoring ；spectrum摘要：设计了500kV 单相电力变压器振动与噪声在线同步监测方案，并通过振动与噪声传感器及相应的数据采集和分析系统实现了对广东惠州500kV 变电站单相电力变压器直流偏磁条件下的振动与噪声的实时监测。
直流偏磁对电力变压器的影响及其抑制方法由于“西电东送”的需要、工业和城市的发展，高压直流换流站、金属冶炼厂和轨道交通系统逐渐增多，导致直流偏磁与变压器振动等问题日趋严重。
系统分析了直流偏磁产生的原因，直流偏磁对电力变压器的影响，以及直流偏磁的抑制方法。
标签：直流偏磁；电力变压器；高压直流输电0 引言直流偏磁是指直流电流注入变压器绕组中，导致变压器磁通中产生直流分量而导致的一系列电磁效应。
近年来，随着高压直流换流站、金属冶炼厂和轨道交通系统逐渐增多，直流偏磁导致的变压器振动等现象逐渐增加且日趋严重。
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。
如果两个变电站均有变压器中性点接地并且其直流地电位有差异，直流电流将以变压器、大地和输电线为回路，从电位高的变压器中性点流出，从电位低的变压器中性点流进。
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影响2.1 振动和噪音加剧当变压器中性点流入或流出直流电流时，直流电流将在铁芯中产生直流磁通，直流磁通与交流磁通叠加，使得一个半周的磁通大大增加，铁芯饱和，而另外一个半周磁通减小。
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：
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