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直流偏磁对变压器的影响
1 当励磁电流中存在直流电流对变压器影响主要表现在以下几方面
1）噪音增大。
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倍额定励磁电流时，噪音增大20 dB。
此外，变压器中增加了谐波成分，会使噪音频率发生变化，可能因某一频率与变压器结构部件发生共振使噪音增大。
2）对变压器波形的影响。
当铁芯工作在严重饱和区，漏磁通会增加，在一定程度上使电压的波峰变平。
3）变压器铜耗的增加。
在直流电流作用下，如果直流电流大小达到一定数值，变压器的励磁电流会大幅度增加，变压器的基本铜耗就会急剧增加，让线圈发热。
4）变压器铁耗增大。
由于励磁电流进入了磁化曲线的饱和区，使得铁芯和空气的磁导率接近，从而导致变压器的漏磁大大增加。
2变压器允许的直流电流：
变压器容许通过多大的直流电流，这在一定程度上取决于变压器的设计，其值与变压器结构、铁芯材料、磁通密度取值等因子有关。
我国国家标准规定，电力变压器在超过5%的额定电压下也能长期运行，此时的励磁电流将较额定电压下的励磁电流将较额定电压下的励磁电流大50%。
这意味着，只要流过变压器绕组的直流电流引起的励磁电流增量不大于正常值的50%是可以接受的。
分析直流偏磁对高压设备运行的影响【摘要】随着科技的发展和社会的不断进步，电力行业的生产水平也不断提高，本文主要针对输电过程中直流偏磁对高压设备的运行影响进行分析和研究，并根据存在的问题提出合理化的建议和措施。
【关键词】直流偏磁；高压设备运行；影响；研究探讨；建议措施直流方式输电过程中，双极两端的中性点接地直流换流站采用了直流输电的接线方式，并被广泛运用在高压直流输电中，提高了输电效率，并增加了企业的输电效益。
正常运行时，地回路中没有电流通过，两极的电流也是相等的，但当运行中两极的电流电压不相同，就会产生电压差，这时接地极就会产生电流，形成一个回路。
如果变电站的中性点被抬高，那么就会使直流电流此从一个变电站流向另一个变电站，并从另一个变电站流出。
所以，为了避免外界对变压器产生的直流偏磁影响，就需要消除电力系统中的直流偏磁影响，保证电力系统的正常运行，提高运行效率。
一、直流偏磁原理（一）直流偏磁出现的机理电力系统中变压器的铁芯材料是由硅钢片叠加而成的，硅钢片的尺寸0.3-0.35mm，由于硅钢片的磁化曲线成非线性关系，因此，铁芯的磁通φ和通入磁化线圈的电流i成非线性的关系，于是有φ=f（i）的非线性关系，具体关系如下图b所示。
变压器在进行设计时就考虑到了材料的问题，于是采用了铁磁材料，变压器的额定主磁通φ运行如图b中的线性区断点A。
如果变压器在正常运行状况下，通入直流电流，那么直流的磁通和激流的磁通就会相互影响，出现叠加的情况，磁电流的曲线就会向下偏移，相对于坐标轴来说就会整体平移一个单位，直流磁通φ0和交流磁通φ相互叠加，总磁通和直流偏磁的磁通密度就会出现增加的情况，而其余的周波磁通密度会出现减小的情况。
此时，跟它对应的励磁电流的波形也会出现变动，正负半波就会出现不对称的状况，具体变化可以参照图1所示。
图1 直流电流对变压器励磁电流的影响出现直流偏磁现象的根本就是由于当变压器每相绕组直流电流变大，这时铁芯会发生饱和现象，使得励磁电流出现畸变，影响整个系统的运行，这就叫做直流偏磁。
某电厂主变压器直流偏磁问题的分析及处理宋军发表时间：2017-11-16T20:42:52.293Z 来源：《电力设备》2017年第21期作者：宋军张莹莹陈腾飞[导读] 摘要：直流偏磁发生时，会影响变压器的运行，严重时甚至会威胁到整个电网的安全。
（山东核电有限公司山东省烟台市 265116）摘要：直流偏磁发生时，会影响变压器的运行，严重时甚至会威胁到整个电网的安全。
本文对某电厂3台主变压器发生直流偏磁的原因进行了排查分析，对几种应对方案进行了分析对比，选取了合适的解决方案。
关键词：直流偏磁；主变压器；中性点；抑制措施1.异常现象2015年底，山东某电厂主变压器首次倒送电后，运行人员反馈主变噪声不稳定，断续出现噪声过大的现象，后经技术人员现场测量，在主变低压侧2米处A/B/C三相分别测得噪声分别为82/83/82dB，变压器本体振动分别为1.4/1.9/1.5mm/s，维修人员在对主变中性点电流进行测量时发现存在直流分量，最大约7.5A，最终确认主变存在直流偏磁的情况。
2.直流偏磁的成因分析协调主变供应商通过分析计算，提供了不同直流偏磁电流情况下，变压器允许运行时间。
根据《DL/T437-2012 高压直流接地极技术导则》中规定，单相变压器允许通过的直流电流不应大于高压侧额定电流的0.3%，通过计算最大允许电流为13.1A。
综合考虑供应商的意见，确定该厂主变最大的允许直流偏磁电流为11A。
2.2厂外因素的排查分析根据相关研究，单相变压器组中性点受大地直流电流影响的原因可能有如下几种：2.2.1地磁爆太阳耀斑的动态变化会对地球磁场产生影响，地球磁场的变化将在地球表面产生电位梯度，太阳耀斑的剧烈变化会造成地球磁场剧烈扰动而形成“地磁爆”。
地磁爆产生的电位梯度作用于中性点接地的电力变压器时，将在绕组中产生感应电流，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，并且其值较大，持续时间短 [1] 。
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。
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。
直流偏磁对变压器影响摘要：变压器在电网系统中占有重要地位，是重要的供电设备。
在电网运行期间，变压器受各种因素的影响而出现直流偏压现象。
本文分析了直流偏压对变压器的影响，提出了直流偏压抑制的方法。
关键词：直流偏磁；变压器;影响引言在电力工业的不断发展中，电力传输正朝着大容量，长距离的方向发展。
在直流传输过程中，直流电流由于双极不平衡而进入交流网络，并引起变压器的直流偏压，并引起一些相关问题。
1直流偏磁和变压器1.1变压器的工作原理变压器即变换交流电压、电流和阻抗的设备。
当初级线圈交流电流过大时，铁芯或磁芯会产生交变磁通，使次级线圈感应出电压或电流。
通过绕组的绕组交变磁通将产生感应电动势，大小和绕组匝数与磁通成正比。
变压器电磁互感效应，电流和电压变化。
在变压器正常工作时，电压和电流对变压器的使用寿命影响较大，直流偏压现象会大大缩短变压器的使用寿命。
1.2直流偏磁产生的原因直流电流进入中性点时，三相绕组的接地变压器会对其产生影响，直流分量的出现，触发磁通偏移问题，造成励磁电流失真，这将导致变压器直流磁化。
造成这种问题的主要原因包括两个方面：①由于太阳离子风活动等环境因素，导致地磁感应电流中心位置的位置发生变化;②由于超高压直流单极回路运行的影响，或者由于双极传输功率处于不平衡状态，由于交流系统中的直流阻抗较小，直流电流进入中性点接地变压器，导致直流偏压。
2直流偏磁对变压器的影响2.1电压谐波增大变压器工作时，铁心工作在饱和区，漏磁通会增大，使峰值电压峰值，谐波和电压总谐波失真增加。
变压器谐波带来一系列问题，如继电保护装置故障，滤波器过载，断路器恢复电压升高等问题。
直流偏磁变压器成为谐波源，对电网中的电气设备产生严重影响。
电量测量混乱，影响通讯设备和电子设备的使用，容易造成电容器设备烧毁。
谐波会降低异步电动机的效率，增加变压器的噪声，增加变压器的铜损和铁损，直接降低变压器的容量和效率，进一步缩短变压器的使用寿命。
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。
磁致伸缩使铁心随励磁电流的变化出现周期性的振动。
直流偏磁下的变压器铁心处于半周磁饱和状态，磁通偏移，同时励磁电流出现畸变现象，此时磁致伸缩加剧，导致铁心的振动也随之加剧，硅钢片接缝处和叠片间存在由漏磁引起的电磁吸引力，磁饱和时漏磁增大引起电磁吸力增大，从而也加剧了铁心的振动。
3.3 局部过热芯式变压器铁心的拉板或壳式变压器铁心的支撑板通常是采用磁性材料，以获得足够的机械强度。
位于铁心表面的铁心拉板或支撑板，与铁心硅钢片的磁场强度相同，其厚度比硅钢片的厚度又厚得多，大的涡流损耗导致了拉板(或有撑板)温度升高。
试验研究了铁心拉板(或支撑板)温升与其磁场强度的关系。
不论是心式铁心拉板，还是壳式铁心的支撑板，在同样的磁场强度下，交流过励磁的温升比直流偏磁的温升高约1倍。
这是因为直流偏磁时，仅半个周波存在高的磁场。
此外，如果铁心的拉板或支撑板采用非磁性材料，温升可大大降低。
3.4 对电压波形的影响在我国，110kV及以上变压器一般采用YN，d连接，超高压、大容量变压器，特别是自祸变压器一般采用YN，d，yn连接。
对于YN，d和YN，d，yn连接的三相变压器，虽然当直流接地极电流流过YN绕组时，增加励磁谐波电流，但由于一次和二次绕组都可以为三的倍频谐波电流提供通道，直接为变压器提供所需的三的倍频谐波电流，使得主磁通接近正弦波，从而使电动势波形也接近于正弦波。
然而事实上，当铁芯工作在严重饱和区，漏磁通会增加，在一定的程度上使电压波形畸变。
3.5 变压器损耗增加变压器的损耗包括磁芯损耗(铁耗)和绕组损耗(铜耗)。
变压器铜耗包括基本铜耗和附加铜耗。
在直流电流的作用下，变压器励磁电流可能会大幅度增加，导致变压器基西南交通大学硕士研究生学位论文第4页本铜耗急剧增加。
但由于主磁通仍为正弦波，且磁密变化相对不大，所以直流偏磁电流对附加铜耗产生的影响相对较小，铜耗主要是基本铜耗。
变压器铁耗包括基本铁耗(磁滞和涡流损耗)和附加铁耗(漏磁损耗)。
基本铁耗与通过铁芯磁密的平方成正比，和频率成正比。
对于采用YN，d接线的变压器，尽管励磁电流包含着谐波分量，由于主磁通仍然维持着正弦波，因此变压器绕组中的直流电流不会对基本铁耗产生太大的影响。
然而由于励磁电流进入了磁化曲线的饱和区，使得铁芯和空气的导磁率接近，从而导致变压器的漏磁大大增加。
变压器漏磁通会穿过压板、夹件、油箱等构件，并在其中产生涡流损耗，即附加铁耗。
附加铁耗会随着铁芯磁密的增加而显著增加。
应重视附加铁耗即使在无直流情况下，大型变压器的附加铁耗与基本铁耗相当甚至更大，这意味着随着变压器绕组中直流分量的增加，变压器的附加铁耗会增加。
1变压器承受直流能力影响因素的分析从图2一1中可以看出造成变压器直流偏磁饱和的根本原因是由于变压器铁心磁化曲线的饱和特性。
变压器磁化曲线饱和程度、临界饱和点、变压器运行工作点等都是影响变压器承受中性点直流大小的因素。
