变压器直流偏磁抑制方法的应用分析

抑制变压器直流偏磁风险的新构思摘要：变压器直流偏磁的抑制措施是治理直流输电对交流电网不利影响的重要手段。

本文从分析现有的常规抑制方法出发，从均衡地表电位的角度提出抑制变压器直流偏磁风险的新构思。

采用分布式接地极可以在一定的程度上均衡地表电位从而缓解直流偏磁危害。

关键词：直流输电；直流偏磁；抑制措施；分布式接地极；均衡地表电位1 前言在我国直流输电工业蓬勃发展的今天，直流输电在非正常工况下的高幅值入地电流给交流电网内变压器带来了严重的直流偏磁危害，造成变压器谐波、振动、噪声和过热等问题，对变压器本体、继电保护设备和无功电容器造成严重的影响[1-2]。

入地直流电流引发变压器直流偏磁危害，故目前研究偏重于直流分布机理模型与仿真分析，研究结论认为过高的大地电阻率和庞大的交流电网是变压器直流偏磁危害的成因[3]。

采用抑制是治理变压器直流偏磁危害的最有效途径。

目前以变压器中性点串联电阻[4]/电容[5]方法、变电站接地网注入直流电流[6]等方法最为常见。

这些治理方法在取得良好应用效果的同时，也存在对交流电网内其他变电站的不利影响：如某一站点采用抑制措施后，与之有线路连接的变电站可能会出现变压器中性点直流电流增大的现象[7]。

尽管如此，交流电网总体的直流电流分布在采用抑制措施后仍显现总体下降趋势。

目前抑制措施仍然存在一定的局限性：变压器中性点串联抑制设备是单体方法，一台变压器需要对应一套设备，变压器中性点串联设备的制造和维护的成本巨大。

同样地，电流注入法是电位补偿方法，虽然一个变电站对应一套电流注入设备，但是其制造和维护的投资也是十分巨大的。

本文先对直流偏磁的常规抑制手段作补充分析，进而从直流极和变压器直流磁动势的角度探讨抑制变压器直流偏磁风险的新构思。

2 常规抑制措施的补充除去变压器中性点电阻/电容法、电流注入法外，其他的常规抑制方法主要有：变压器经小地网接地[9]2.1 变压器经小地网接地变压器经小地网接地方法的原理图如图3所示。

SPWM全桥逆变器输出变压器直流偏磁的抑制相对半桥逆变器而言，SPWM全桥逆变器的开关电流减小了一半，因而在大功率场合得到了广泛应用。

在SPWM全桥逆变器中，为实现输入输出之间的电气隔离和得到合适的输出电压幅值，一般在输出端接有交流变压器。

在SPWM控制的全桥逆变器中，因各种不可预见的因素，会导致输出变压器存在直流分量，引起单向偏磁现象。

偏磁可以说是SPWM全桥逆变器中的一种通病，只是在不同的场合严重程度不同而已。

变压器的偏磁，轻则会使变压器和功率半导体模块的功耗增加，温升加剧，变压器机械噪音大（变换器开关频率或调制频率在音频范围内时），严重时还会损坏功率模块，直接威胁到系统的正常运行。

为了防止或减少变压器中的直流分量，本文以逆变桥各桥臂与中点直流电压及变压器原边的直流电流作为反馈量来抑制直流偏磁。

采用这种方法设计的电路，经在1 0kHz/15kW的全桥逆变电源中应用，证明该电路有效、实用。

高频变压器偏磁机理偏磁是指加在变压器两端的正反向脉冲电压的伏秒乘积不等，从而造成变压器磁芯的磁滞工作回线偏离坐标原点的现象。

工作时变压器的磁感应强度可表示为：励磁电流Iμ的变化率为：式中，U1为变压器初级电压；Ae为铁心截面积；N1为初级绕组匝数；L0为变压器铁芯磁路长度；μ0为空气磁导率；μr为变压器铁心相对磁导率。

在SPWM全桥逆变器中，由式(1)可知，若输出变压器初级电压正负半周波对称，则正负半周波伏秒积相等，其正反向最大工作磁感应强度Bmax也相等，铁芯磁工作点沿着磁滞回线以中心对称地往复运动。

由图1所示的变压器磁芯磁化曲线可见，此时没有偏磁存在。

反之,若输出变压器初级电压正负半周波不对称，正负半周波伏秒积不相等，则正负半波磁感应强度幅值也不同，磁工作区域将偏向第一或第三象限，即形成直流偏磁。

从而导致变压器铁芯饱和，偏磁的持续积累最终会使铁芯进入深度饱和，磁工作点进入非线性区，铁心相对磁导率?滋r迅速减少。

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。

直流偏磁抑制装置在220kV变压器中的应用根据磁链守恒原律，采取磁势等效法将串联绕组的电流等效为全绕组电流，解决了220kV变压器在采用隔直设备后直流电流由交流系统流入串联绕组的风险评估问题，拓展了《高压直流接地极技术导则》对直流偏磁影响的评估范围，保障了220kV变压器的安全运行。

标签：接地极；直流偏磁；直流偏磁抑制装置；安全0 前言±800kV哈密-郑州特高压直流工程（下简称天中直流），是国家实施“疆电外送”战略的第一条特高压直流输电工程输电线路，起点在新疆哈密南部能源基地，输电线路全长2210公里，输电能力将达800万千瓦，成为连接西部边疆与中原地区的“电力丝绸之路”，承担着新疆火电、风电打捆外送的重要任务，具有远距离、大容量、低损耗、环保、节约土地资源等优点，有利于促进新疆能源基地的开发利用，实现大煤电的集约化开发，提高能源资源的开发和利用效益，缓解中东部地区的缺电局面。

1 直流偏磁的处理措施根据“新电办会（2014）111号文件-国网新疆电力公司直流偏磁治理措施讨论会会议纪要”内容，“220千伏能节烟墩北、山北变及天光电厂需对中性点接地进行隔直处理，即加装变压器中性点隔直装置”。

设备选型为安徽正广电电力技术有限公司生产的KLMZ型变压器中性点直流偏磁监测及隔离接地装置，该装置是安徽正广电与新疆电科院共同研制的产品，通过了西高所型式试验，获得型式实验报告。

通过高精度的16bit直流电流采样技术，配合一阶滞后滤波法和加权滑动平均滤波法来处理采样信号，提高了小电流测量精度；通过隔直电容器并联氧化锌阀片和高速旁路开关，一方面实现了对变压器中性点直流电流的隔离，另一方面在系统发生不对称短路时，触发氧化锌导通以限制电容两端的电压，并在短路电流的第一个过零点时刻，通过高速旁路开关相控合闸将短路电流分流到开关里，实现了对隔直电容器和氧化锌的保护。

2 改造方案下图安徽正广电生产的KLMZ型隔直装置的一次原理图。

直流输电及磁暴引起的变压器直流偏磁问题的研究引言随着电力行业的发展，直流输电技术成为了越来越多国家和地区的选择。

与交流输电相比，直流输电具有输电损耗小、传输能力强、对输电线路的限制小等优势。

直流输电系统中存在着一些问题，其中之一就是直流偏磁问题。

磁暴引起的地磁扰动也会对变压器产生直流偏磁影响。

为了解决这些问题，需要开展深入的研究和分析。

直流输电系统中，由于负极极性与地之间存在电位差，形成了直流地极电流。

这些地极电流会通过地线或其他途径进入交流系统，对变压器绕组产生直流偏磁。

当变压器绕组出现直流偏磁时，会引起线圈饱和、谐波失真、过热甚至损坏等问题，对输电系统的安全稳定运行会产生不利影响。

为了解决直流输电引起的变压器直流偏磁问题，研究人员提出了一系列解决方案。

通过在变压器绕组中设置直流补偿线圈、采用特殊的变压器结构设计、增加屏蔽结构等方法来减少直流偏磁对变压器的影响。

也可以通过改变输电系统的接地方式、增加电位补偿装置等手段来减少直流地极电流的产生，从而减少直流偏磁的影响。

二、磁暴引起的地磁扰动对变压器直流偏磁的影响磁暴是指地球磁层发生剧烈扰动的现象，通常由太阳风携带的高能粒子或太阳耀斑等引起。

磁暴期间，地球磁层会发生剧烈的扰动，导致地磁场的短时变化。

这种地磁扰动也会对变压器产生直流偏磁的影响。

研究表明，磁暴期间地磁场的瞬时扰动会导致变压器绕组产生直流偏磁。

这是因为地磁扰动会诱发变压器绕组中感应电动势，产生交流磁通变化，从而引起绕组中的直流偏磁。

在磁暴期间，变压器直流偏磁的影响可能会比平时更为显著，对变压器的稳定运行造成一定影响。

针对磁暴引起的地磁扰动对变压器直流偏磁的影响，需要加强对变压器的监测和控制。

可以通过增加磁暴监测系统，及时预警并采取相应的调整措施，减少变压器直流偏磁的影响。

还可以通过优化变压器设计，增加屏蔽结构等方式来减少地磁扰动对变压器的影响。

三、研究展望结论直流输电及磁暴引起的变压器直流偏磁问题对电力系统的安全稳定运行具有一定的影响。

直流偏磁对500kV变压器运行影响的分析及处理摘要：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。