变压器直流偏磁

[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。

在线运行的变压器绕组内产生较大的直流原因，可以由如下原因引起：
（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，其大小取决于地面电导率和地磁风暴的严重程度，当这一低频且具有一定持续时间的电场作用于中性点接地的电力变压器时，将在绕组中诱发地磁感应电流，其频率在0.01~1Hz之间，与50Hz的交流系统相比较，可以近似看成直流。

其值较大，但持续时间短。

（2）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。

直流输电系统常常采用单极运行方式，因为可以利用大地这个良导体，省去一根导线而节约成本。

由于地下长期有大的直流电流流过，因而在其换流站周围一定区域中会产生地表电流，与其并行运行的交流输电系统变电站中的变压器如果距离换流站不远，就会受到干扰，这种干扰作用的直接表现就是通过交流变压器的接地中性点在交流变压器的励磁电流中产生直流分量。

其值较小，但持续时间较长。

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。

直流磁通造成变压器铁心每隔半个周期出现较严重的磁饱和，励磁电流高度畸变，产生大量谐波，变压器无功损耗增加，铁心损耗增加，噪音和振动增大。

严重的磁饱和会使正常情况下在铁心中闭合的磁通部分离开铁心，即漏磁通增加，使变压器金属结构件中的杂散损耗增加，可能导致其过热，破坏绝缘，损坏变压器或降低其使用寿命。

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。

随着
直流偏磁程度的加深，变压器的漏磁大大增加，导致绕组和结构件的涡流损耗增加。

由此产生结构件局部过热和油温升高的现象。

d.振动和噪声加剧
直流偏磁引起的大量漏磁使变压器绕组所受的洛伦兹力增加，加剧变压器绕组的振动，产生额外的噪声，也易使绕组变形。

励磁电流的增加使变压器的磁致伸缩力增加，加剧变压器铁心片的振动，辐射更强的空载噪声。

e.继电保护系统故障
变压器励磁电流的谐波会干扰保护继电器、测量设备、控制和通信电路以及用户电子设备等，还会使灵敏设备发生误动作或元件故障等。

一般来讲，大型电力变压器的允许直流电流量为其励磁电流的1.5倍，因此流过变压器很少量的直流电流就可能导致直流偏磁。

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
对于全桥PWM型逆变电路，正常情况下，变压器正、反方向方波“伏－秒”面积相等，铁心磁感应强度与方波脉宽成正比，变化如图1(a)所示，且磁化曲线对原点对称。

当变压器原边含有直流成分时，PWM型变换电路正、反方向方波“伏－秒”面积不再相等，磁通将向某一方向逐渐增加，磁化曲线不再对原点对称,最终导致变压器铁心磁感应强度饱和，变化如图1(b)所示。

由于变压器原边等效阻抗对直流分量只呈现电阻特性，且原边绕组内阻很小，因此，很小直流分量就会在绕组中形成很大直流激磁磁势，该直流磁势与交流磁势一起作用于变压器原边，造成变压器铁心工作磁化曲线发生偏移，出现关于原点不对称，即所谓变压器偏磁现象。

当偏磁严重时，铁心将进入单向饱和，这时铁心磁导率将急剧下降，原边等效电感迅速减少，激磁电流迅速增大，导致变压器过热，最终导致器件毁坏。

3 直流偏磁抑制措施
近年来，围绕超高压直流输电系统单极大地回路运行时产生的大地电流对交流电网中性点接地变压器的影响，已经开展众多的研究，包括变压器直流偏磁研究和大地电流对交流电网影响计算方法研究，与此同时，限制变压器中性点直流电流方法和工程应用的研究也取得一定的进展。

目前抑制直流偏磁的措施主要有：在变压器中性点串接电容、注入反方向电流和串接电阻。

中性点串电容的方案其基本实现思路是将电容、火花间隙（或大功率晶闸管）和旁路开关并联后串入变压器中性点，达到阻隔大地直流回流的目的。

串接电容法可以彻底堵塞直流电流的通路，但有可能使其他中性点的直流电流增大。

实际操作中也发现，为消除某台变压器的直流偏磁而不得已断开接地，但却使其它变电站的变压器中性点直流电流增大并引起了直流偏磁。

反方向注入电流法是指在变压器中产生反方向的直流电流，以抵消或削弱地中直流流入变压器产生的偏磁，反方向注入电流法也仅是在电流超标的变电站使用，其效果还有待进一步验证。

中性点串接小电阻的方案十分简单明确：在中性点和地网之间串入一个阻值为数Ω的小电阻，可以使得中性点流入的直流电流明显减小，达到工程上可以接受的程度。

串接电阻法可以改变直流电流的分布，从而减小中性点电流的超标程度并达到抑制直流偏磁的目的，但在接地电阻如何选取、本地接地电阻对其它变压器的接地
电流有何影响方面一直缺乏研究。

三种方法都已通过工程的有效性验证，相关装置正在继续经受电网运行的考验。

小电阻限流法和电容隔直法在国外也有应用，中性点注入反向电流法则是在国内首次提出的。

现有限制变压器中性点直流电流的方法各有自己的适用范围，用户往往需要对不同方法进行反复比较，决定取舍。

高压直流输电（HVDC）单极大地回路运行时的入地电流和磁暴产生的地磁感应电流（GIC）都能够引起变压器直流偏磁，一方面对变压器本身造成振动加剧、噪声增大、局部过热等问题，甚至烧坏变压器；另一方面发生直流偏磁的变压器成为电网中的谐波源，谐波流入使系统电压波形畸变、滤波器过载、继电保护误动等影响整个电网安全运行的问题[1-3]。

GIC的频率为0.001Hz-0.1Hz，相比工频可看做准直流[4]。

两种原因引起的变压器直流偏磁机理类似，都是由于中性点接地变压器位于不同地电位而使直流电流或者准直流电流流入变压器绕组从而使变压器磁通产生偏置导致半波饱和。

由于直流电流或者准直流电流都是在中性点接地变压器，输电线路和大地构成的回路中流动，因此，采取恰当的措施减小或消除流入变压器绕组中的直流电流无疑能够抑制变压器直流偏磁的影响，对保障电网安全运行意义重大。

直流入地电流对接地极临近的交流系统的不利影响已构成一项重要的技术挑战。

它直接影响已建工程接地极附近交流系统的安全稳定运行，也使得待建直流工程接地极的选址工作需要更审慎地进行。

4 展望
A我国直流输电系统的广泛采用引起的交流变压器直流偏磁现象，会造成变压器局部过热、噪声增加、振动加剧以及系统电压下降、波形畸变等危害，已引起变压器制造厂和运行单位的广泛重视。

B抑制变压器中性点直流是一个综合性的问题，除了要求变压器有一定的耐受直流偏磁能力外，电力公司应根据系统运行方式的需要采取合适的措施，限制流经变压器中性点直流电流的数值，维护系统安全。

C变压器正常工作时许用直流电流与变压器结构设计、铁心材料等因素有关，需要根据分析计算结果，结合局部的试验验证，参考运行产品的现场测试数据和有关规程的要求综合考虑。

5 结论
综上所述，直流偏磁对变压器的安全稳定运行有重大影响，因此为了消除影响，在主变压器设计生产前应对变压器电站和发电厂等周边直流系统接地极地理位置，电气距离等进行详细了解，同时也应注意直流回路路径上大地回流的影响加强研究。

同时应在变压器设计时加强对偏磁的抵抗能力，选取磁通应尽量为可能发生的偏磁影响留有余地。