浅析500kV变压器直流偏磁产生原因及抑制措施

浅析500kV变压器直流偏磁产生原因及抑制措施

作者：王卓然 李焱 钱婧

来源：《科技创新与应用》2016年第31期

摘 要：在当前直流输电系统迅猛发展形势下，输电容量持续增长，输电距离日益增加，直流偏磁变电站500主变压器的影响也在持续恶化。文章在阐述了500kV变压器直流偏磁产生原因和机制的基础上，对500kV变压器直流偏磁潜在威胁和抑制措施进行了分析。 关键词：500kV变压器；直流偏磁；影响；措施 1 概述

电力系统中直流输电系统以输送容量大、距离长、损耗小等优点在国内得到广泛实施。但是，当直流输电系统产生故障或事故时，直流输电系统将会按照大地回流方式（包括单极大地回线方式及双极不平衡方式）运行，甚至会有高达数千安的直流电流流过的可能，在直流输电系统产生故障的交流电网中，就会存在直流电流从接地的中性点流入500kV变压器后，继续经由输电线路输送向远方，给500kV变压器本身和交流电网系统的安全稳定运行造成恶劣影响[1]。

2 500kV变压器直流偏磁产生原因解析

500kV电力变压器的磁动势和磁通出现直流分量导致变压器铁心半周磁饱和，以及由此引起的一系列电磁效应的现象称为“直流偏磁”。由于500kV电力变压器的原边等效阻抗对直流分量仅表现出电阻性质，而且很小。由此就导致了微小的直流分量就会在电力绕组中形成较大的直流激磁磁势，并与交流磁势一起作用于500kV电力变压器原边，导致500kV电力变压器铁心的工作磁化曲线发生明显偏移，出现关于原点不对称，即变压器偏磁现象。

以下两种原因可能会引起在线运行的500kV电力变压器绕组内产生较大的直流原因： 2.1 太阳活动产生的地磁“风暴”

地磁场与太阳等离子风的活动相互影响产生地磁“风暴”，地球表面将由于地磁场的活动产生电位梯度，地磁风暴及地面电导率的严重程度决定了其大小，当中性点接地的500kV电力变压器时受到低频、具有一定持续时间的电场作用时，就会产生频率在0.01～1Hz之间的地磁感应电流（可近似看成直流）。它持续时间短，但值较大。 2.2 单极运行方式

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

交流与直流输电线路的并行运行和交流网络中存在的不对称的负载。由于可以利用大地作为导体，省去一根导线的成本，所以直流输电系统中单极运行方式较为普遍。但是，如果换流站距离交流输电系统变电站中的500kV电力变压器不远，加之地下长期有大的直流电流而在其换流站周围一定区域中会产生地表电流，就会与其并行运行的500kV电力变压器产生干扰，导致通过500kV电力交流变压器的接地中性点在500kV电力交流变压器的励磁电流中产生直流分量。它持续时间较长，但值较小。 3 直流偏磁对变压器产生的危害 3.1 500kV电力变压器噪声和振动加剧

当500kV电力变压器发生直流偏磁时，由于变压器磁滞伸缩，导致变压器铁心的伸缩，进一步造成噪声增大，其噪声包含的谐波分量中某一分量与变压器构件发生共振时，噪声将进一步加剧，就会产生变压器内部绝缘受损和零件松动的危险，出现不同程度的铁心柱弯曲、铁心绑带松脱等严重问题。特别是当两台500kV电力变压器铁心柱严重弯曲和铁心片叠片串片时，造成绕组内部短路，就只能返厂维修。同时从环境保护角度考虑，当500kV电力变压器噪音过大，会引起变电站周围社区群众抱怨、恐慌等恶劣社会影响。 3.2 电压波形发生畸变

500kV电力变压器铁心发生直流偏磁严重时铁心可能工作在饱和区，导致变压器漏磁通增加，进一步造成电压波形发生畸变。 3.3 产生谐波，引发爆炸事故

500kV电力变压器正负半波对称的周期性励磁电流中应该只包含奇次谐波，但是在直流偏磁的作用的下，导致半波深度饱和的变压器励磁电流中出现了偶次谐波分量。此时，500kV电力变压器成了交流系统中的谐波源，严重威胁电补偿电容器组的安全稳定运行，同时由于谐波电流严重超标，还有可能造成爆炸事故[2]。 3.4 500kV电力变压器无功损耗增加

当直流偏磁引起变压器发生饱和现象，励磁电流将会大幅增加，使500kV电力变压器无功损耗明显增加，它可造成电力系统电压下降，严重时可致使整个电网崩溃。 3.5 继电保护系统故障

500kV电力变压器直流偏磁会导致波形严重畸变，畸变率较大，会造成部分或全部继电保护装置不能正确实时动作，其产生的3、6、9次等谐波很大程度上会造成零序电压或零序电流启动的继电保护装置误动。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

4 直流偏磁抑制措施

近年来，已经展开众多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方面的研究，其中包括500kV电力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以及限制变压器中性点直流电流方法和工程应用的研究。 与此同时在线监测变压器直流偏磁技术及方法也取得较大进展，采用电测法原理，在不改变原设备接线的情况下，在500kV电力变压器中性点接地引出线处选择信号取样点，直接测量并显示出变压器运行状态下的直流电流值的大小及方向。为运行人员掌握500kV电力变压器直流偏磁状况及采取相应措施提供重要依据，能有效起到故障早期预报作用[3]。 目前抑制500kV电力变压器直流偏磁的措施主要有以下三种： 4.1 中性点串电容

此方法的实现思路是在变压器中性点串入电容、火花间隙（或大功率晶闸管）和旁路开关并联体，实现阻隔大地直流回流的目的，但存在使其他中性点的直流电流增大的风险[3]。我们在实际施工中也发现，为消除某台变压器的直流偏磁而不得已断开接地，但却造成了其他变电站的变压器中性点直流电流增大导致其他变压器产生了直流偏磁。 4.2 反方向注入电流法

在变压器中产生反方向的直流电流来抵消或减弱地中直流流入变压器产生的偏磁。目前技术水平下，反方向注入电流法仅仅在电流超标的变电站中应用，反方向注入电流法的实际效果还有待进一步研究论证。 4.3 中性点串接小电阻方案

通过在中性点和地网之间串入一个阻值较小的电阻使得中性点流入的直流电流显著减小，达到工程实际中可以接受的程度，通过直流电流的分布实现减小中性点电流的超标程度并达到抑制直流偏磁的目的[4]。同时产生的一个问题是，接地电阻如何选取以及本地接地电阻对其它变压器的接地电流有何影响，此方面还有待我们进一步讨论研究。

目前，以上所述三种方法都已通过工程的有效性检验，但是相关装置还继续经受电力系统运行的考验，电网用户通常还需要对不同方法进行反复比较，决定取舍，选择最为合适、合理的方法。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，我们应当采取合理的手段阻止或隔绝流入500kV电力变压器绕组中的直流电流，能够抑制变压器直流偏磁的影响，对保障电网安全稳定运行具有重要意义。 5 结束语

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

综合文章所述，直流偏磁对500kV电力变压器和电网的安全稳定运行具有重大影响。因此，在进行主变压器设计生产前，设计人员应对500kV电力变压器周围的直流系统接地极地理位置、电气距离等关键因素进行详细研究论证，并且对直流回路路径上大地回流的影响进一步加强研究，在500kV电力变压器设计选取磁通时应尽量为可能发生的偏磁影响留有余地，将直流偏磁对电网安全稳定运行的威胁程度降到最低。 参考文献

[1]李鸿志，崔翔，刘东升，等.直流偏磁对三相电力变压器的影响[J].电工技术学报，2010（05）：88-96.

[2]刘连光.磁暴对中国电网的影响[J].电网与水力发电进展，2008，24（5）：1-6. [3]马为民.换流变压器中直流偏磁电流的计算[J].高电压技术，2004：48-49.

[4]刘连光，刘春明，张冰.500kV输电线路的GIC对我国电网影响实例分析[A].2007年中国电机工程学会年会[C].